崔亞琴

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

森林病蟲害是森林健康的大敵，影響著森林的可持續(xù)發(fā)展，每年直接或間接地造成經(jīng)濟(jì)損失，被稱為“無煙火的森林火災(zāi)”。2007年聯(lián)合國全球森林狀況報(bào)告顯示，全球每年約有65.3%的森林面積受到各種林業(yè)有害生物不同程度的影響，導(dǎo)致森林面積減小、質(zhì)量下降。特別是一些外來入侵種，如紅脂大小蠹(Dendroctonusvalens)、美國白蛾(Hyphantriacunea)、舞毒蛾(Lymantriadispar)等，對森林造成了巨大的損失。

在過去，人們只能通過觀察來判斷病蟲害的發(fā)生情況與受害情況，不僅造成人力、物力等的浪費(fèi)，而且不能準(zhǔn)確地掌握森林病蟲害的發(fā)生、發(fā)展情況，無法對其發(fā)病前期進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測，錯(cuò)過了控制林業(yè)有害生物發(fā)生的最佳時(shí)機(jī)。因此，我們必須要利用科學(xué)的監(jiān)測手段和方法，全面、準(zhǔn)確、快速地監(jiān)測和預(yù)測森林病蟲害的發(fā)生與發(fā)展。

1 遙感技術(shù)

在20世紀(jì)60年代，遙感技術(shù)(Remote Sensing)迅速發(fā)展起來，它是以電磁波的理論為依據(jù)，采用各種遠(yuǎn)距離傳感儀器，采集目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息，通過分析和處理，最后成像，依據(jù)圖像對地面各種景物進(jìn)行探測和識(shí)別的一種綜合技術(shù)。遙感技術(shù)推動(dòng)了森林蟲害監(jiān)測和預(yù)測預(yù)報(bào)的發(fā)展，使得大范圍蟲害動(dòng)態(tài)監(jiān)測成為可能，可以快速、實(shí)時(shí)的獲取地面數(shù)據(jù)，在全球定位系統(tǒng)(Global Position System)和地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)的輔助下，進(jìn)行定位、空間分析、預(yù)測趨勢、空間查詢等。

2 遙感技術(shù)監(jiān)測森林病蟲害的原理

植被遭受病蟲害后，改變了植物的外部形態(tài)特征，如，葉片卷曲、失葉、病斑、樹枝干枯等；植物內(nèi)部的生理特征發(fā)生變化，如，葉綠素組織破壞、受損，影響植物的光合作用、營養(yǎng)和水分的吸收等。不論是外部形態(tài)特征的改變，還是內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)的變化，都會(huì)造成植物光譜反射特性改變，從而引起光譜值變化，并在遙感影像數(shù)據(jù)上得以表達(dá)，這是森林病蟲害遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)和依據(jù)。正常植被的反射光譜曲線(反射特征)有明顯、獨(dú)特的規(guī)律，總呈現(xiàn)出明顯的“峰”和“谷”，主要表現(xiàn)為可見光波段(0.40 μm～0.76 μm)有一個(gè)反射小峰，峰值出現(xiàn)在0.55 μm，兩個(gè)吸收帶出現(xiàn)在0.48 μm的藍(lán)光區(qū)和0.67 μm的紅光區(qū)。不同植被類型由于其生境、長勢等不同，會(huì)表現(xiàn)出不同的反射率，但總體的特征光譜曲線保持不變。只有當(dāng)植被受到病蟲害危害、污染或物候變化時(shí)，其光譜曲線才會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)綠色植物葉綠素含量高、生長活力旺盛時(shí)，此“紅邊”會(huì)向長波方向偏移(紅光方向)；當(dāng)植物感染了病蟲害失綠后，“紅邊”會(huì)向短波方向偏移(藍(lán)光方向)。

3 遙感技術(shù)在森林病蟲害監(jiān)測中的應(yīng)用

在國外20世紀(jì)30年代，森林蟲害遙感監(jiān)測就已被應(yīng)用到森林害蟲的觀測試驗(yàn)中。森林害蟲的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可以通過3種途徑來實(shí)現(xiàn)：針對害蟲行為進(jìn)行監(jiān)測、針對害蟲危害狀進(jìn)行監(jiān)測、針對害蟲生境進(jìn)行監(jiān)測。

3.1 針對害蟲行為進(jìn)行監(jiān)測

雷達(dá)是利用電磁波探測目標(biāo)的一種主動(dòng)式傳感器，具有全天候、全天時(shí)的探測能力，對冰、雪、森林、土壤具有一定的穿透能力。在不同波段，不同物質(zhì)的光譜有很大的差異。由于昆蟲一般不會(huì)感覺到雷達(dá)波的存在，所以雷達(dá)最先應(yīng)用于昆蟲學(xué)研究中。雷達(dá)遙感技術(shù)主要應(yīng)用于遷飛性害蟲的監(jiān)測，如舞毒蛾、非洲粘蟲(Spodopeteraexempta)、棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)、稻飛虱(Nilaparvatalugens)、草地蝗(Parapleurusalliaceus)和沙漠蝗(Schistocercagregaria)等。

國外對雷達(dá)技術(shù)的研究較早，在雷達(dá)昆蟲遷飛上的應(yīng)用和發(fā)展也比較快。1949年首次在美國證實(shí)，通過雷達(dá)遙感設(shè)備可以檢測出昆蟲的動(dòng)態(tài)。1954年在英國，通過雷達(dá)首次檢測到蝗群。隨后印度、美國、加拿大、澳大利亞等一系列發(fā)達(dá)國家，利用雷達(dá)技術(shù)來觀測、監(jiān)測昆蟲(如蝗蟲、蛾類、蜜蜂、蚜蟲等)的遷飛活動(dòng)、行為現(xiàn)象及時(shí)空分布，揭示了大氣結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)是如何影響昆蟲遷飛。目前，國外已經(jīng)開展了對遷飛性鱗翅目昆蟲、澳大利亞疫蝗(Chortoicetesterminifera)和Helicoverpapunctigera蟲源區(qū)遷飛活動(dòng)的連續(xù)監(jiān)測。

我國在應(yīng)用雷達(dá)遙感監(jiān)測昆蟲遷飛活動(dòng)研究起步較晚。1984年對草地螟(Loxostegesticticalis)的遷飛進(jìn)行了觀測，之后陸續(xù)對粘蟲(Pseudalatiaunipuncta)、馬尾松毛蟲(Dendrolimuspunctatus)、稻飛虱(Nilaparvatalugens)、稻縱卷葉螟(Cnaphalocrocismedinalis)、甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)和棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)等進(jìn)行了研究，包括昆蟲遷飛的發(fā)生期、發(fā)生量及分布區(qū)預(yù)測，以及遷飛時(shí)間、數(shù)量、速度和高度等方面的研究[7,9]。

3.2 針對害蟲危害狀進(jìn)行監(jiān)測

雷達(dá)遙感僅能監(jiān)測昆蟲的遷飛，卻無法識(shí)別其危害特征，具有很大的局限性。航空遙感技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，彌補(bǔ)了雷達(dá)的不足。在國外20世紀(jì)50年代，航空遙感就已經(jīng)得到應(yīng)用，起初是為了評(píng)估森林蟲害導(dǎo)致的失葉現(xiàn)象[10]。到20世紀(jì)60年代，利用航空影像可以監(jiān)測柑橘園的根腐病，探索和研究健康葉片和受感染病樹葉片之間的光譜差異[11]。研究者應(yīng)用彩色紅外航空影像數(shù)據(jù)，對德克薩斯州中部的橡樹枯萎病的感染程度進(jìn)行了研究[12-14]，評(píng)估了芬蘭云杉林的失葉量，并取得了明顯效果[15]。

在航空遙感影像方面，我國開展的相關(guān)研究也較多，特別是對馬尾松毛蟲(Dendrolimuspunctatus)和松材線蟲的危害開展了監(jiān)測和危險(xiǎn)性評(píng)估，通過影像數(shù)據(jù)判別其危害后針葉的損失量、災(zāi)害的發(fā)生點(diǎn)等[16-20]。

3.3 針對害蟲生境進(jìn)行監(jiān)測

航天遙感是以衛(wèi)星、火箭、航天飛機(jī)、宇宙飛船為平臺(tái)，搭載傳感器進(jìn)行探測的空間探測技術(shù)，具有宏觀、綜合、動(dòng)態(tài)以及快速觀察的特點(diǎn)。衛(wèi)星遙感具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取能力，與地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來，將更加有利于人們對害蟲的生存環(huán)境(寄主植物分布、降雨量和氣溫等)進(jìn)行長期的、系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測[21]。

早在20世紀(jì)70年代，就已出現(xiàn)利用航天遙感影像對病蟲害開展監(jiān)測的研究，主要是通過目視解譯的方法，解譯光學(xué)增強(qiáng)的MSS圖像，但限于空間/光譜分辨率低、通道波段少，不能很好地反映出由病蟲害引起的林冠形狀及顏色的變化特征。隨著科技的進(jìn)步，越來越多高分辨率、多波段的傳感器被發(fā)射，數(shù)據(jù)的質(zhì)量得到了提高，為森林病蟲害的監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)[22]。

在國外，通過分析解譯TM影像數(shù)據(jù)，對發(fā)生在美國新罕布什爾州和佛蒙特州的云杉森林災(zāi)害開展了監(jiān)測研究工作[23]，研究發(fā)現(xiàn)，地面樣地調(diào)查的森林災(zāi)害情況分別與TM5/TM4和TM7/TM4的結(jié)果有相關(guān)性，這個(gè)結(jié)果適用于森林災(zāi)害的定量研究。目前，國外森林病蟲害遙感監(jiān)測工作主要是針對由食葉害蟲引起的樹體大面積失葉、變色和枯死展開[24,25]。同時(shí)，對于鉆蛀性害蟲也開展了一些研究工作，如鞘翅目小蠹蟲等，利用影像數(shù)據(jù)區(qū)分健康與受害森林的范圍[26]，結(jié)合高分辨率遙感影像，融合模糊子集理論和GIS綜合分析，判定蟲害發(fā)生的主要干擾區(qū)域[27]，同時(shí)對其種群動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測[28]。

1978年，我國利用航天遙感技術(shù)對騰沖地區(qū)的松葉蜂(Diprionsp.)災(zāi)害開始了監(jiān)測，測定了健康木與蟲害木的光譜特征。利用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，對吉林省大興安嶺地區(qū)林區(qū)危害嚴(yán)重的落葉松松毛蟲(Dendrolimussuperans)的災(zāi)害信息進(jìn)行提取，對森林災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行監(jiān)測，但是無法開展廣泛的、進(jìn)一步的實(shí)踐研究工作。直到21世紀(jì)90年代，戴昌達(dá)等人利用TM影像，在安徽省全椒縣孤山國營林場開展了松毛蟲災(zāi)害的研究工作，利用垂直植被指數(shù)(PVI)辨別出(0%～10%～30%～100%)無、輕、重三級(jí)災(zāi)害程度[29]。1989年，劉志明等人[30]利用氣象衛(wèi)星AVHRR數(shù)據(jù)，對大興安嶺發(fā)生的落葉松毛蟲災(zāi)害進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，運(yùn)用比值植被指數(shù)(RVI)分析法與實(shí)地蟲災(zāi)調(diào)查相結(jié)合的方法，可以得到不同災(zāi)害程度下，RVU臨界值的變化，判對率可達(dá)70%以上，與同期TM圖像解譯結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.91.武紅敢等人[31]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，TM5/TM4適用于在葉面積指數(shù)低的森林病蟲害監(jiān)測中，而TM4/TM3則更適合于葉面積指數(shù)高的植被遙感監(jiān)測，比值指數(shù)(TM7/TM4)可以用來估算馬尾松(Pinusmassoniana)林葉的生物量，據(jù)此方法，可以有效地對馬尾松林危害進(jìn)行監(jiān)測。此外，高光譜數(shù)據(jù)的大量應(yīng)用，也推動(dòng)了森林病蟲害早期監(jiān)測的不斷發(fā)展。徐華潮等人[32]通過測定松材線蟲自然侵染后黑松(Pinusthunbergii)和馬尾松不同受害階段的光譜曲線，分析其光譜參數(shù)、光譜特征以及葉綠素的相應(yīng)變化，結(jié)果表明，高光譜遙感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)松材線蟲病的早期監(jiān)測，這為森林病蟲害早期監(jiān)測預(yù)警提供了基礎(chǔ)。

4 存在問題與展望

4.1 存在問題

目前，對于遙感病蟲害監(jiān)測的研究仍處于初級(jí)階段，研究過程中依然存著一些問題，需要在理論和實(shí)踐應(yīng)用中開展更多的研究。

4.1.1 森林病蟲害受生物與非生物因素共同影響

森林病蟲害的發(fā)生，不僅是病蟲害與植物之間的危害與被害關(guān)系，同時(shí)也受氣候、生態(tài)環(huán)境(如立地條件、海拔、土壤和水分)等非生物因素的影響。因而，我們在研究過程中，一定要考慮到生物和非生物因素的共同影響作用，以便更全面、準(zhǔn)確地利用遙感技術(shù)監(jiān)測森林病蟲害。

4.1.2 早期遙感監(jiān)測精度低

森林病蟲害早期遙感監(jiān)測精度低，如，對于食葉害蟲，一般分為輕度、中度和重度3個(gè)危害等級(jí)，監(jiān)測精度一般低于80%.森林病蟲害早期一般是植物發(fā)生生理變化，而外部形態(tài)沒有明顯變化，不易識(shí)別。因而，植物的理化參數(shù)指標(biāo)也是遙感早期監(jiān)測的重要部分。

4.1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量影響

森林病蟲害從發(fā)生、危害到死亡是一個(gè)連續(xù)漸變的過程，而目前使用的大多數(shù)數(shù)據(jù)的空間分辨率比較低，影像數(shù)據(jù)間隔周期長，造成有效監(jiān)測時(shí)間短，不能快速地對其發(fā)生進(jìn)行有效監(jiān)測。

4.2 展望

在今后的森林病蟲害遙感監(jiān)測研究中，利用高分辨率、高光譜遙感影像數(shù)據(jù)及無人機(jī)設(shè)備，可以提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和靈活性。要利用植物的光譜特征變化，從生理、生化和生態(tài)學(xué)多角度分析植物葉水平和冠層水平的變化特征，為監(jiān)測提供理論基礎(chǔ)。此外，可結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對比分析及GIS和GPS，實(shí)現(xiàn)森林病蟲害的監(jiān)測、預(yù)測預(yù)報(bào)和災(zāi)害評(píng)估。