基于遙感技術(shù)的林區(qū)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李 陽(yáng)

（甘肅省白龍江林業(yè)生態(tài)監(jiān)測(cè)和調(diào)查規(guī)劃院 甘肅蘭州 730030）

中國(guó)是全球遭受森林病蟲(chóng)害較為嚴(yán)重的國(guó)家，病蟲(chóng)害的肆虐，給國(guó)家?guī)?lái)了不可估量的損失。近年來(lái)，在“天保工程”的政策環(huán)境下，病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)與防治已然成為當(dāng)前林業(yè)建設(shè)工作的重頭戲，要求及時(shí)、準(zhǔn)確掌握病蟲(chóng)害的發(fā)生動(dòng)態(tài)與位置信息，確保能在第一時(shí)間采取防治措施，避免產(chǎn)生巨大的林業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的林業(yè)監(jiān)測(cè)工作需要大量人力，給基層林業(yè)工作者造成較大的工作負(fù)擔(dān)，且監(jiān)測(cè)效果不如人意。對(duì)此，引入遙感技術(shù)能夠根據(jù)病樹(shù)的波譜特征確定病樹(shù)位置，及時(shí)對(duì)所監(jiān)測(cè)森林的參數(shù)予以提取，可達(dá)到有效監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害的目的。

1 主要病蟲(chóng)害情況

甘肅省白龍江林區(qū)位于青藏高原東部邊緣的岷山山脈，屬于國(guó)家重點(diǎn)林區(qū)。林區(qū)內(nèi)有多種類型的植被，包含云杉、秦嶺冷杉、岷江柏木、連香樹(shù)、獨(dú)葉草等在內(nèi)的20 余種國(guó)家保護(hù)植物。在林區(qū)下轄洮河、迭部、舟曲、白水江林業(yè)局境內(nèi)23 個(gè)國(guó)有林場(chǎng)利用步查、標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查、取樣調(diào)查，結(jié)合查閱《白龍江林業(yè)》雜志，白龍江林區(qū)主要病蟲(chóng)害種類多達(dá)48 種[1]，受害樹(shù)種以落葉松、柳樹(shù)、冷杉、云杉為主，分布于海拔2 040 m～2 920 m 的高原地區(qū)，且主要病蟲(chóng)害為云杉落葉病、落葉松落葉病、云杉葉銹病和狹冠網(wǎng)蝽。

2 基于遙感技術(shù)的林區(qū)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遙感技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代興起的一種探測(cè)技術(shù)。為監(jiān)測(cè)林區(qū)病蟲(chóng)害情況，甘肅省白龍江林區(qū)運(yùn)用遙感技術(shù)，對(duì)同一區(qū)域、同一時(shí)間的健康林木與受害林木的差異進(jìn)行收集、處理，上傳至電子終端轉(zhuǎn)換為遙感影像，通過(guò)識(shí)別技術(shù)識(shí)別健康樹(shù)木與受害樹(shù)木的差異信息[2]。結(jié)合實(shí)際工作觀察及遙感技術(shù)的影像資料來(lái)看，當(dāng)病蟲(chóng)害繁殖至一定程度，并侵蝕云杉、冷杉、馬尾松等針葉林時(shí)，針葉顏色會(huì)由綠色漸漸變?yōu)楹贮S色，受侵蝕嚴(yán)重的針葉會(huì)脫落至地面。綜合搜集的數(shù)據(jù)和分析病蟲(chóng)害發(fā)生規(guī)律可以看出，基于時(shí)間序列模型，通過(guò)比較葉面積指數(shù)和植被指數(shù)變化，能夠發(fā)現(xiàn)遭受病蟲(chóng)害的樹(shù)木[3]。

2.1 遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)選取

構(gòu)建時(shí)間序列模型的第一步為選定合適指標(biāo)，剔除云、地形等對(duì)指標(biāo)的影響，強(qiáng)化植被信息和病蟲(chóng)害信息。不同指標(biāo)均存在局限性和適應(yīng)性問(wèn)題，實(shí)際選擇指標(biāo)過(guò)程中要基于植被種類、植被生長(zhǎng)情況和研究區(qū)特征，定量描述不同條件下的林區(qū)植被生長(zhǎng)情況[4]。

常用的森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)指標(biāo)有NDVI（歸一化差異植被指數(shù)）、EVI（增強(qiáng)型植被指數(shù)）、RVI（比值植被指數(shù)）三種。其中，NDVI 是通過(guò)計(jì)算近紅外波段和紅光波段之間的差異來(lái)定量化植被的生長(zhǎng)狀況，可借助此指數(shù)的時(shí)序變化曲線分析土地利用類型和土地覆蓋類型，掌握植被變化特征。NDVI 的計(jì)算公式為：

式中，ρRED表示紅光波段反射率，ρNIR表示近紅外波段反射率。NDVI的范圍始終在-1～1 之間，綠色植被區(qū)的NDVI范圍普遍在0.2～0.8 之間。

EVI 具有較強(qiáng)的抗大氣干擾能力和抗噪聲能力，常用于植被茂盛，具有大量葉綠素的地區(qū)（如熱帶雨林），適用于非山區(qū)等地形影響較小的區(qū)域。其計(jì)算公式為：

其中，ρBLUE表示藍(lán)光波段的反射率[5]。

RVI 是一種基于影像特性的指數(shù)，根據(jù)影像中植被區(qū)域的植被反射率與非植被區(qū)域的反射率之比得出，反映植被反射率的相對(duì)差異，是用來(lái)評(píng)估植被狀況的一種遙感參數(shù)。其計(jì)算公式為：

基于上述三個(gè)指標(biāo)的基本特征，結(jié)合研究區(qū)病蟲(chóng)害特點(diǎn)、樹(shù)種類型和地面調(diào)查數(shù)據(jù)，最終決定選取NDVI 作為監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害的指標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，先預(yù)處理監(jiān)測(cè)影像，提取出NDVI 影像，結(jié)合林業(yè)地面調(diào)查數(shù)據(jù)、森林資源規(guī)劃數(shù)據(jù)以及甘肅省白龍江林區(qū)地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)等，提取模型的病蟲(chóng)害信息。

2.2 監(jiān)測(cè)評(píng)估模型的建立

計(jì)算NDVI 變化率的公式為：

其中，VIT1為T(mén)1 時(shí)期的影像，即受害前影像；VIT2為T(mén)2 時(shí)期的影像，即受害后影像[6]。

監(jiān)測(cè)人員利用GPS 定位技術(shù)，進(jìn)行外業(yè)調(diào)查，并結(jié)合作業(yè)區(qū)氣候情況，實(shí)地勘察作業(yè)區(qū)樹(shù)種，按照沿對(duì)角線的路線準(zhǔn)確記錄受害面積和受害情況，形成林地受害情況統(tǒng)計(jì)表。按照20 m×20 m 標(biāo)準(zhǔn)記錄同一林型和立地條件的感病指數(shù)和林木被害率，調(diào)查病蟲(chóng)害種類和樹(shù)木被害程度，推動(dòng)防治工作的開(kāi)展[7]。

以白龍江林區(qū)的云杉為例，分析地面調(diào)查點(diǎn)的NDVI 變化率和云杉受害程度，驗(yàn)證二者是否存在相關(guān)性，計(jì)算相關(guān)系數(shù)的公式為：

其中，i為用于驗(yàn)證的地面調(diào)查點(diǎn)數(shù)，yi為第i個(gè)地面調(diào)查點(diǎn)的實(shí)際值，xi為第i個(gè)地面調(diào)查點(diǎn)的估測(cè)值。當(dāng)r為0.01 或者0.05 時(shí)，證明以上兩個(gè)量存在相關(guān)性，且較為顯著，基于兩要素所設(shè)計(jì)的模型具有充分的可信度，可在后續(xù)研究中繼續(xù)使用。

收集整理多個(gè)地面調(diào)查點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)抽選并開(kāi)展回歸分析，借助F檢驗(yàn)法對(duì)模型的適用性進(jìn)行判定檢驗(yàn)[8]。此檢驗(yàn)法是將受害等級(jí)和地面調(diào)查點(diǎn)受害程度分別作為自變量x和因變量y，二者符合線性回歸方程關(guān)系，檢驗(yàn)公式為：

當(dāng)F＞F(m,n-m-1,a)（其中，a為置信區(qū)間，n-m-1 為自由度，n為樣本數(shù)，m為自變量個(gè)數(shù)）時(shí)，自變量與因變量間符合y=ax+c線性回歸規(guī)律，且較為顯著。

為驗(yàn)證上述評(píng)估模型的科學(xué)性，將剩余實(shí)地調(diào)查點(diǎn)作為真實(shí)值進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)公式為：

其中，Ei為地面調(diào)查點(diǎn)的估測(cè)精度。

3 基于遙感技術(shù)的林區(qū)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 地面調(diào)查信息

在白龍江林區(qū)，云杉落葉病為主要病蟲(chóng)害，本研究所建立的模型用于監(jiān)測(cè)此種病害。選定甘南藏族自治州舟曲林業(yè)局作為觀測(cè)區(qū)域，林區(qū)處于東經(jīng)103°51′30″—104°45′30″，北緯33°13′—34°1′范圍內(nèi)，7月—9 月為當(dāng)?shù)卦粕悸淙~病高發(fā)時(shí)間段，本次調(diào)查時(shí)間選在2022 年7 月底，設(shè)定樣地點(diǎn)58 個(gè)，對(duì)58 個(gè)樣地點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，部分地面調(diào)查點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

表1 舟曲林區(qū)病蟲(chóng)害地面調(diào)查點(diǎn)信息（部分）

3.2 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

通過(guò)回歸分析可得出，當(dāng)處于可靠性為0.01 的CL（置信系數(shù)），所構(gòu)建出的模型具有充分的科學(xué)性與可靠性，并利用F檢驗(yàn)法檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9]，所得到的估測(cè)模型檢驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 估測(cè)模型檢驗(yàn)表

由表2 可知，F(xiàn)=25.754＞F(1,56,0.01)，可以判定所設(shè)計(jì)的模型具有適用性和可信度。

受害程度和NDVI 變化率之間的估測(cè)模型為：

設(shè)定病害等級(jí)對(duì)應(yīng)的區(qū)間范圍：當(dāng)Y＜0.4 時(shí)，林區(qū)為正常狀態(tài)；當(dāng)0.4≤Y＜1.0時(shí)，林區(qū)為輕度受害；當(dāng)1.0≤Y＜2.0 時(shí)，林區(qū)為中度受害；當(dāng)Y≥2.0 時(shí)，林區(qū)為重度受害。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)舟曲林區(qū)基于遙感技術(shù)所得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3 所示。

表3 舟曲林區(qū)遙感監(jiān)測(cè)及地面調(diào)查數(shù)據(jù)

以地面調(diào)查數(shù)據(jù)為正常值，遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為測(cè)量值，通過(guò)表3 結(jié)果可知，測(cè)量值與正常值的誤差僅為4.65%，誤差較小，說(shuō)明遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地面調(diào)查結(jié)果差異小，所得到的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果可信[10]。因此，借助本研究所設(shè)計(jì)的模型能夠得到病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果圖，結(jié)合圖像分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，能夠確定發(fā)生病蟲(chóng)害的位置和輕重程度，符合林業(yè)生產(chǎn)和林區(qū)保護(hù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)