遥感在生态系统生态学上应用的机遇与挑战

生态学正朝着区域和宏观尺度及定量化方向发展,社会经济发展对生态学研究也提出了新的要求。遥感作为有效技术手段在生态学研究的应用上得到了越来越多的重视。研究遥感的功能与生态学研究中存在的问题,寻求遥感技术与生态学结合切入点,不仅是遥感应用发展的需要,更是解决生态学问题的有益途径。对于非遥感专业的生态学研究人员及从事专业遥感的科研人员来说,生态学和遥感的结合还缺少相关的背景知识介绍。本文从生态学研究的发展趋势、遥感技术的特点,综合论述遥感在生态学研究中的特点、历史发展及未来趋势。本综述主要针对于生态系统尺度以上生态学的研究,具体包括遥感在生态系统环境、生态系统生物组成、生态系统结构、生态系统物质循环和流动及生态系统功能等方面的应用。结合遥感技术的发展,论述了遥感与生态学研究有效结合的组分,同时论述了各套遥感数据在不同方面应用的优缺点,提出了遥感在生态学研究上应用的相关建议。     

定量遥感在生态学研究中的基础应用

生态学问题 ,特别是近来兴起的全球变化问题 ,是存在于不同时空尺度的生物与环境互作的格局和动态变化 ,对它的研究需要较大时空尺度的数据支撑 ,因此不同时空分辩率的遥感影象图就成为了这一重要的数据源。从遥感的功能出发 ,介绍了遥感应用于植被覆盖分类、生态系统参数提取及生态系统模型等方面的基础研究情况 ,试图为生态学研究提供应用遥感的思路 ,为进一步应用遥感解决生态学问题提供基础。     

面向生态系统评估的多源数据融合体系

基于生态系统服务功能的生态系统评估是识别生态环境问题、开展生态系统恢复和生物多样性保护、建立生态补偿机制的重要基础，也是保障国家生态安全、推进生态文明建设的重要环节。生态系统评估涉及生态系统多个方面，需要多要素、多类型、多尺度的生态系统观测数据作为支撑。地面观测数据和遥感数据是生态系统评估的两大数据源，但是其在使用时常存在观测标准不一、观测要素不全面、时间连续性不足、尺度不匹配等问题，给生态系统评估增加了极大的不确定性。如何融合不同尺度的观测数据量化生态系统服务功能是实现生态系统准确评估的关键。为此，从观测尺度出发，阐述了地面观测数据、近地面遥感数据、机载遥感数据和卫星遥感数据的特点及其在问题，并综述了这几类数据源进行融合的常用方法，并以生产力、固碳能力、生物多样性几个关键生态参数为例介绍了“基于多源数据融合的生态系统评估技术及其应用研究”项目的多源数据融合体系。最后，总结面向生态系统评估的多源数据融合体系，并指出了该研究的未来发展方向。     

基于气候、地貌、生态系统的景观分类体系——以新疆地区为例

景观分类是景观生态学研究的重要内容之一,既是景观结构与功能研究的基础,又是景观规划、管理等应用研究的前提条件,目前尚没有具有适普性的景观分类体系。提出了景观生态学的一种发生学分类方法,即景观带——基于气候的一级指标(温度带,反映纬度地带性)、景观区——基于干旱指数的二级指标(干湿区,反映经度地带性)、景观类——基于垂直地貌的三级指标(山地和平原,反映垂直地带性)、景观型——基于自然生态系统和人工生态系统的四级指标(反映自然生态系统特征和人类活动)的四级景观分类体系。并利用该体系对新疆地区进行了景观分类,将新疆地区划分为3个景观带、4个景观区、2个景观类、11个景观型。该分类体系与地理景观学派除在自然景观分类系统不同之外,将人工景观指标引入了景观发生学分类。为研究景观分类提供了一种思路和方法,这种分类方法对新疆地区景观的成因、景观演变规律、景观恢复与修复标准等提供了背景参考。     

基于多源遥感数据的植物物种分类与识别: 研究进展与展望

物种分类与识别是生物多样性监测的基础, 明确物种的类别及其分布是解决几乎所有生态学问题的前提。为深入了解基于多源遥感数据的植物物种分类与识别相关研究的发展现状和存在的问题, 本文对2000年以来该领域的研究进行了总结分析, 发现: 当前大多数研究集中在欧洲和北美地区的温带或北方森林以及南非的热带稀树草原; 使用最多的遥感数据是机载高光谱数据, 而激光雷达作为补充数据, 通过单木分割及提供单木的三维垂直结构信息, 显著提高了分类精度; 支持向量机和随机森林作为应用最广的非参数分类算法, 平均分类精度达80%; 随着计算机技术及机器学习领域的不断成熟, 人工神经网络在物种识别领域得以迅速发展。基于此, 本文对目前基于遥感数据的植物物种分类与识别中在分类对象复杂性、多源遥感数据整合、植物物候与纹理特征整合和分类算法技术等方面面临的挑战进行了总结, 并建议通过整合多时相监测数据、高光谱和激光雷达数据、短波红外等特定波谱信息、采用深度学习等方法来提高分类精度。     

新一代遥感技术助力生态系统生态学研究

随着气候变化和人类活动的加剧, 生态系统正处于剧烈变化中, 生态学家需要从更大的时空尺度去理解生态系统过程和变化规律, 应对全球变化带来的威胁和挑战。传统地面调查方法主要获取的是样方尺度、离散的数据, 难以满足大尺度生态系统研究对数据时空连续性的要求。相比于传统地面调查方法, 遥感技术具有实时获取、重复监测以及多时空尺度的特点, 弥补了传统地面调查方法空间观测尺度有限的缺点。遥感通过分析电磁波信息从而识别地物属性和特征, 反演生态系统组成、能量流动和物质循环过程中的关键要素, 已逐渐成为生态学研究中必不可少的数据来源。近年来, 随着激光雷达、日光诱导叶绿素荧光等新型遥感技术以及无人机、背包等近地面遥感平台的发展, 个人化、定制化的近地面遥感观测逐渐成熟, 新一代遥感技术正在推动遥感信息“二维向三维”的转变, 为传统样地观测与卫星遥感之间搭建了尺度推绎桥梁, 这也给生态系统生态学带来了新的机遇, 推动生态系统生态学向多尺度、多过程、多学科、多途径发展。因此, 该文从生态系统生态学角度出发, 重点关注陆地生态系统中生物组分, 并分别从生态系统类型、结构、功能和生物多样性等方面, 结合作者在实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 阐述遥感技术在生态系统生态学中的研究现状并指出我国生态系统遥感监测领域发展方向及亟待解决的问题。     

轻小型无人机低空遥感及其在生态学中的应用进展

无人机低空遥感系统弥补了航天和航空遥感在影像分辨率、重访周期、云层影响以及高成本等方面的不足,为中观尺度的生态学研究提供了新方法.本文介绍了轻小型无人机低空遥感系统的组成,从物种、种群、群落和生态系统尺度综述了其在生态学中的应用现状,并指出目前存在的不足和未来的发展方向,以期为无人机生态学的后续研究提供参考.无人机生态学当前面临的挑战和未来发展的方向主要有物种形态和光谱特征库的建立、物种自动识别、光谱数据与植物生理生态过程之间关系的进一步挖掘、生态系统三维立体监测、多来源多尺度遥感数据融合等.随着无人机平台技术、传感器技术以及数据传输处理技术的成熟,以无人机低空遥感技术为基础的无人机生态学将迎来发展的机遇和曙光.     

基于地面调查的植被生态质量综合评估指标体系构建

植被是陆地生态系统的主体，是保障生态质量的基础，也是基于自然的生态系统增汇、实现“碳中和”的重要利器。植被是生态质量评价的核心要素，但目前的生态质量评价研究中所用到的植被指标多是通过遥感反演或者气象指数模型计算得到的，而基于典型生态系统尺度地面调查的植被观测数据更直接、更准确，数据也很丰富，却很少用于生态质量评价，也缺乏系统的评价指标体系。通过文献研究、专家研讨和问卷调查，并借鉴群落退化演替和生态系统长期监测研究的理论基础，构建基于地面调查的植被生态质量综合评估指标体系。该指标体系整体分为三级，一级综合指数由群落结构指数、物质生产指数、生物多样性指数、群落发展或者演替趋势4个二级分项指标构成，二级分项指标由12—14个三级指标组成，不同植被类型各有其特征指标。该体系将完善我国多尺度陆地生态系统的生态质量评价指标体系，为新时期国家生态质量评价提供科学建议，为我国生态文明建设提供技术支撑。     

青海祁连风光游憩区生态系统服务价值评估

国家公园游憩区生态系统服务价值评估是实现公园资源科学保护和合理利用的基本途径.以青海祁连风光游憩区为案例地开展国家公园游憩区生态系统服务价值评估体系构建,并采用CVM、TCM、文献研究等方法,依据问卷调查等数据开展研究.主要的结论有:(1)构建了由使用价值和非使用价值两大类、七个基本类型构成的三级生态系统服务价值评估体...     

红树林生态系统遥感监测研究进展

随着现代遥感技术的迅速发展,遥感监测已经成为红树林生态系统变化监测的重要手段和方法。从遥感技术在生态系统变化监测应用领域入手,综述了国内外红树林遥感监测的发展历程,系统总结了遥感技术在红树林湿地动态、种间分类、群落结构(叶面积指数、冠幅、树高等)、生物量、灾害灾情(病虫害、风暴潮等)、景观格局动态、驱动力、红树林湿地保护与管理等领域应用现状,归纳了不同应用领域遥感监测的理论、方法及研究现状。指出我国在红树林遥感监测中存在的不足。提出红树林遥感监测应在分类标准体系规范化、分类精度提升、红树林生态学特征参数(物种多样性、优势度等)、生态系统环境空间演变过程及遥感监测的尺度效应方面加大研究力度。充分发挥区域综合监测模型在红树林生态系统变化遥感监测中的作用。     

长江三峡库区生态环境变化遥感研究进展

长江三峡库区是我国最重要的生态敏感区之一,受三峡水利工程和相关人类活动影响,其生态环境变化显著.揭示三峡库区生态系统结构、功能和生态过程的变化对于维护库区生态安全具有重要意义.生态环境遥感为此提供了关键途径,并在三峡库区生态环境研究中受到重视.现有的三峡库区生态环境变化遥感研究往往存在较大差异,难以有效反映生态环境变化和响应特征,加之生态本底和人类干扰活动的复杂性,三峡库区生态环境变化遥感研究仍面临诸多挑战.本文对库区环境变化遥感研究的发展阶段、研究尺度、遥感数据和方法等进行了系统总结,并从土地利用/覆盖变化、植被变化、水土安全、生态服务价值评价、生态系统健康与生态规划5个方面对库区生态环境变化遥感研究进展进行综述,在此基础上探讨了当前三峡库区生态环境变化遥感研究存在的问题,并提出未来研究中需重点关注的主要科学问题,以期为三峡库区生态环境管理和类似地区生态环境变化遥感研究提供参考.
     

北京市土地利用生态分类方法

本文从国内外土地利用分类体系的现状分析入手,分析了当前土地利用分类体系与生态保护存在的矛盾,提出进行土地利用生态分类。首先,将北京市的土地利用现状类型分析归并为9个一级类15个二级类,确定各土地利用类型基准生态服务价值,然后提出各土地利用类型生态系统服务价值的区位修正方法,在对各种土地利用类型生态系统服务价值进行区位修正的基础上,划分出6个一级生态用地类型。其次,对北京市进行生态适宜性评价,生成生态适宜性分布图,将已生成的土地利用生态一级分类图与生态适宜性分布图进行叠加,对一级生态用地类型进行了二级划分,得到6个大类、18个亚类的北京市土地利用生态用地类型。最后,以北京市2007年的土地利用现状图为例,对北京市的土地利用生态分类方法进行应用,得到了2007年北京市土地利用生态分类图并分析了各土地利用生态用地类型的分布状况。     

基于遥感和GIS的土地利用分类方法及其在土地退化程度分析中的应用——以陕西横山雷龙湾地区为例

基于陕西省横山县雷龙湾地区的遥感ETM＋影像,分别采用最大似然法和光谱角制图分类（SAM）方法进行了该区的土地利用类型分类。其中,光谱角制图分类利用最小噪声分离（MNF）及像元纯净指数（PPI）方法提取研究区的地类终端端元,在此基础上绘制土地利用类型图。最大似然法对水体及耕地的分类精度较高,而其它地类精度稍差,沙地有较大漏分;而基于像元纯净指数的光谱角制图法分类对沙地、水体分类效果较好,对建筑用地和非建筑用地区分度较高,但林地和草地有一定混分。根据研究区反照率影像、NDVI以及湿度图像构造了一个土地退化程度指数模型,并选择一定的系数对研究区的土地退化程度进行了分类,利用GIS软件成图输出。利用光谱角制图分类的纯净像元样本进行比较分析,发现土地退化程度指数与土地利用的相关性较强,表明该方法可以较好地反映当地的土地退化程度情况。     

基于多源遥感信息融合的广东省土地利用分类方法——以雷州半岛为例

准确高效的获取土地利用信息对生态环境评价非常重要。广东省地处华南热带和亚热带季风气候区,经济作物种类繁多,土地覆盖破碎,为土地利用精确分类带来很大不确定性,而常年多云雨的天气也为有效光学影像的获取带来困难。为提高土地覆盖分类精度,以雷州半岛为实验区,综合应用Landsat-TM/ETM、多时相HJ光学影像,以及X波段Terra SAR数据,通过分析不同地物类型在光谱、极化以及多时相特征上的差别,对原始图像进行特征提取。在此基础上融合多源遥感信息的地物特征运用面向对象土地覆盖分类方法获取研究区高精度的土地利用信息。结果显示这一方法能有效提高土地覆盖利用信息获取精度,为研究生态环境变化提供更准确的数据支持。     

特大型露天煤矿区生态系统演变及其生态储存估算

露天煤矿区生态系统在人为干扰下具有特殊的演变过程。从土地利用变化的角度描述矿区生态系统演变及生态水平变化,旨在为特大型露天煤矿区生态系统研究提供科学依据。以山西省朔州市平朔大型露天煤矿区为研究对象,以1986年、2000年、2013年的遥感影像为主要数据源,在分析研究区近30年土地利用特征的基础上,探讨矿区生态系统的演变过程;同时利用生态储存模型定量分析矿区生态系统在研究时段内所处的水平。结果表明:(1)1986—2013年耕地和林地大幅减少,城镇建设用地和采矿造成的损毁土地面积迅速增加;(2)矿区生态系统各子系统用地之间的转化均较为活跃,城镇扩张、采矿活动加剧、损毁土地复垦是造成这一现象的主要原因;(3)平朔矿区生态系统演变可划分为原地貌阶段、损毁阶段、重建阶段;(4)研究区生态储存状态呈恶化趋势,生态储存转化表现为逆向过程,生态储存能力增强。研究结果可为中国特大型露天煤矿区生态系统研究提供科学依据。     

无人机遥感技术在景观生态学中的应用

野外数据的获取是生态学研究的挑战之一,而通过遥感技术能够实现对地球表面的多面立体观测,获取丰富多样的空间信息数据,开展从微观到宏观不同尺度上的景观单元(包括物种、种群、群落、生态系统等)的空间关系研究。传统卫星遥感影像受空间和时间分辨率的限制,难以满足局域尺度或者时间序列上的景观空间生态学研究需求。无人机遥感技术为生态学研究的野外数据获取提供了一种新方法,以其灵活、高效、简便等特点弥补了传统卫星遥感的空间分辨率低、重访周期长、云雾影响等方面的不足,在景观空间生态学研究中受到越来越多的关注。简要介绍无人机类型及其搭载常见的传感器类型,分别从不同尺度的景观单元,即物种、种群、群落以及生态系统水平上探讨其应用进展,并指出当前无人机技术在景观生态学研究中存在的挑战与困难,同时展望了未来可能的研究热点,以期对今后无人机遥感技术在景观生态学领域的应用研究有所启发。     

城市生态系统研究中遥感技术的应用

本文提出并论证了城市生态系统研究与遥感的总体方案及主要研究方向和研究方法。可以认为,用遥感技术作为获取数据的手段,用动态大系统理论分析数据,并借助于专家系统和地理信息系统处理和管理数据,可以解决城市生态系统研究中全方位信息的收集和巨大信息量的处理两大难题;通过引入中间变量把非空间直接可测变量表述为空间直接可测量的函数,从而在专家系统和地理信息系统的支持下扩大遥感技术的应用领域。     

Benefits of hyperspectral remote sensing for tracking plant invasions

Aim We aim to report what hyperspectral remote sensing can offer for invasion ecologists and review recent progress made in plant invasion research using hyperspectral remote sensing. Location United States. Methods We review the utility of hyperspectral remote sensing for detecting, mapping and predicting the spatial spread of invasive species. We cover a range of topics including the trade‐off between spatial and spectral resolutions and classification accuracy, the benefits of using time series to incorporate phenology in mapping species distribution, the potential of biochemical and physiological properties in hyperspectral spectral reflectance for tracking ecosystem changes caused by invasions, and the capacity of hyperspectral data as a valuable input for quantitative models developed for assessing the future spread of invasive species. Results Hyperspectral remote sensing holds great promise for invasion research. Spectral information provided by hyperspectral sensors can detect invaders at the species level across a range of community and ecosystem types. Furthermore, hyperspectral data can be used to assess habitat suitability and model the future spread of invasive species, thus providing timely information for invasion risk analysis. Main conclusions Our review suggests that hyperspectral remote sensing can effectively provide a baseline of invasive species distributions for future monitoring and control efforts. Furthermore, information on the spatial distribution of invasive species can help land managers to make long‐term constructive conservation plans for protecting and maintaining natural ecosystems.     

西北干旱区山地-绿洲-荒漠系统生态恢复综合效益评估

西北干旱区目前已实施众多生态恢复举措试图修复和重建受损的生态系统,截至目前恢复效果如何我们不得而知,但生态恢复效益评估却能够检测其结果,并为未来的生态工程提供参考。在前人研究的基础上,以地面观测的气象资料、土壤调查数据、多源遥感数据和陆面模型模拟数据作为输入,对基于像元二分法的植被覆盖度估算方法、修正的风力土壤侵蚀模型、修正的通用土壤流失方程和基于光能利用率的净初级生产力模型中的参数进行本地化,更为准确的估算了西北干旱区生态恢复效益评价体系中的关键指标,并集成生态恢复效益指标,评估了1990—2015年西北干旱区14个山地-绿洲-荒漠子系统的生态恢复效益。研究发现:(1)山地-绿洲-荒漠子系统的生态系统结构、生态系统质量和生态系统功能时空分异明显:全区山地系统的生态系统结构有所改善,北疆和伊犁地区的山地-绿洲-荒漠子系统生态系统质量上升,荒漠生态系统的生态系统功能下降;(2)1990—2015年西北干旱区的荒漠子系统生态恢复效益在下降,而绿洲和山地的生态恢复效益在上升。基于多指标的生态恢复效益定量评估有助于客观认识西北干旱区的生态恢复现状和动态,评估结果可为未来生态工程提供具体的空间位置,也为我国其他生态脆弱区的生态恢复效益评价提供参考。