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。     

基于站点的生物多样性星空地一体化遥感监测

科学制定生物多样性保护和恢复政策, 需要空间上连续、时间上高频的物种和生境分布以及物种迁移信息支持, 遥感是目前能满足该要求的有效技术手段。近年来, 遥感平台和载荷技术高速发展, 综合多平台、多尺度、多模式遥感技术, 开展基于站点的星空地一体化遥感观测试验, 可以对地表进行时空多维度、立体连续观测, 为生物多样性遥感监测提供了新的契机。本文总结了使用遥感技术监测生物多样性的主要方法, 回顾了典型的星空地一体化遥感观测试验。综述以往研究发现, 一方面, 现有遥感试验还缺少对生物多样性直接监测指标的观测, 另一方面, 生物多样性遥感监测方法也缺少星空地多维立体观测平台的支撑, 亟需加强两者的融合, 开展基于站点的生物多样性星空地一体化遥感监测研究。以设于我国四川王朗大熊猫国家级自然保护区内的王朗山地生态遥感综合观测试验站为例, 展示了星空地一体化遥感综合观测试验平台在生物多样性监测中的应用潜力。星空地一体化遥感观测可以提供物种和生境的综合定量信息, 与生态模型有机结合, 可以刻画生物多样性的时空格局与动态过程, 有助于挖掘过程机理, 提高生物多样性监测的信息化水平。     

遥感用于森林生物多样性监测的进展

随着物种和栖息地的丧失,全球范围的生物多样性保护已经成为迫切的需要。航空航天技术的迅猛发展使遥感成为能提供跨越不同时空尺度监测陆地生态系统生物多样性的重要工具,这方面的研究在欧美等国已经有了小范围的开展,在国内刚刚起步。国外关于生物多样性遥感探测的方法基本有3种:1.利用遥感数据直接对物种或生境制图,进而估算生物多样性;2 .建立遥感数据的光谱反射率与地面观测物种多样性的关系模型;3.与野外调查数据结合直接在遥感数据上进行生物多样性指数制图。研究表明,物种直接制图法只能应用于较小的范围;生境制图的方法,应用广泛,技术相对成熟,研究范围局限于几百公里的范畴,但不能获取生境内部的多样性信息。光谱模型技术目前正处于探索阶段,对于植被复杂、生物多样性高的地域,具有较大的应用潜力。在遥感数据上直接进行生物多样性制图在加拿大已经得到了应用。     

航空航天遥感在物种多样性研究与保护中的应用

人类活动导致全球范围内生物多样性丧失日趋严重。物种多样性是研究最为深入以及最贴近生物多样性管理的层次。物种多样性的研究往往受到多时空尺度生态过程的影响, 传统物种多样性调查方法受到人力物力影响, 局限性大, 物种多样性的研究与管理亟需整合不同来源的数据。遥感技术从传统的光学遥感阶段发展到不同平台、不同维度相结合的多源遥感阶段, 并逐渐进入以高空间分辨率和高光谱为特征、以激光雷达为前沿发展方向的综合遥感阶段。遥感技术因为其监测范围广、能监测人迹罕至地区以及长期可重复等特性, 为研究不同时空尺度的生态学科学问题提供了更新更优的研究手段。本文围绕种群动态、种间关系与群落多样性、功能属性及功能多样性以及生物多样性保护管理等生物多样性研究热点问题, 系统地论述了航空航天遥感技术在物种多样性研究与保护领域的应用, 总结了航空航天遥感技术在研究与物种多样性有关的主要生态学问题中的机遇与挑战。我们认为航空航天遥感技术利用多光谱甚至高光谱与激光技术从空中监测物种多样性, 从不同视角、基于不同光源提供了物种多样性不同侧面的信息, 能够减小地面调查强度, 在大范围和边远地区的物种多样性调查研究中有着至关重要的作用。依据光谱特性的物种判别以及依据激光雷达的三维结构量测将促进生物多样性的研究与管理, 加强遥感学家和生物多样性研究者的沟通交流将有助于促进不同时空尺度的生物多样性与遥感技术的结合。     

生物多样性近地面遥感监测: 应用现状与前景展望

近年来中国生物多样性监测与研究网络(Sino BON)建设得到了快速发展, 为我国生物多样性长期监测和研究提供了良好的平台条件。其中, 以激光雷达技术为核心的近地面遥感平台, 作为Sino BON综合监测与管理中心的重要组成部分, 已研发形成了较为成熟的软、硬件技术体系, 可以提供林下地形建模, 林分高度、林分表面结构, 林窗或内部分界线, 郁闭度动态, 植被群落划分、群落内部精细空间结构, 单木高度与胸径, 冠层形态、周长和盖度, 物种识别, 亚米级三维景观图等数字产品, 从而能够为国家相关部门和研究单位开展多种时空尺度的生物多样性监测、评价和保护工作提供精准、高效的技术支持。本文首先介绍了遥感技术在生物多样性研究中的应用发展历史及最新趋势。然后在生物多样性遥感监测直接和间接两种方法研究进展基础之上, 总结了从遥感数据中可提取的重要生物多样性指标, 以及选择不同类型遥感数据源时需要考虑的时空尺度信息。在详细阐述NEON、CEOS、GEO BON等国际合作组织推动遥感技术开展生物多样性监测的过程中指明: 以无人机为代表的近地面遥感平台具有机动灵活、高效低廉和高分辨率的特点, 可在卫星平台、载人航空平台和地面常规调查平台之间架构起生物多样性信息尺度推绎不可或缺的中间桥梁, 将是未来生物多样性监测的一个重要手段。最后, 文章指出: Sino BON近地面遥感平台的逐步建设完善将为我国生物多样性监测提供全方位的立体定量化信息, 在促进我国生物多样性监测网络向跨尺度等级动态系统监测、多源信息集成、智能决策与服务的平台方向发展意义重大。     

生物多样性不同层次尺度效应及其耦合关系研究进展

生物多样性包含遗传、物种、生态系统和景观多样性4个层次,虽然各个层次的研究较多,但是各层次间相互关系的研究较少。物种多样性多采用野外样方调查法,景观多样性采用遥感、地理信息系统和野外调查,研究方法较为成熟;生态系统多样性研究因生物地理地域和尺度的不同,常采用不同的分类体系,尚无统一评估标准。物种多样性的尺度效应在α、β、γ指数上均有不同体现,景观多样性的尺度效应非常明显。生境异质性与物种α和β多样性指数密切相关,在一定尺度上,丰富的景观多样性提高了物种多样性。未来研究需要揭示不同生物多样性层次之间的耦合关系,并将研究结果应用到生态系统红色名录制定、区域生物多样性综合监测与评估等实践之中。     

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。     

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。     

光谱多样性在植物多样性监测与评估中的应用

光谱多样性是一种基于植物反射电磁辐射光谱的生物多样性维度, 反映了不同波段光谱反射率在植物种内与种间个体之间的变异程度。由于植物反射光谱特征的差异可以综合地反映植物间生化组分和形态特征的差异, 光谱多样性成为植物多样性监测和评估的重要技术手段。该文介绍了光谱多样性的概念及其生态学意义, 比对了多源、多平台光谱数据各自的技术优势和局限性, 并概述了基于光谱多样性的植物多样性监测和评估方法及其应用, 探讨了光谱多样性整合不同维度生物多样性的能力, 展望了光谱多样性在生物多样性研究中的发展前景。光谱多样性能在多空间尺度服务于植物多样性的监测与评估, 特别是依托基于无人机技术的近地面遥感, 可以实现精细尺度植物多样性的监测与评估, 在生物多样性的保护和管理中具有广阔的应用前景。     

森林生态系统生物多样性的遥感评估

目前的评估由于方法的原因,常常会遗留下一些含糊不清的地方。遥感则可以作一种观察生态系统多样性和单个生态系统中各种结构侧面的重要工具。它提供了一种能够跨越几个不同空间尺度实施评估的手段,并且对于评估生态系统格局随时间的变化也是必不可少。现在许多不同的遥感技术已经被应用在生态学研究中。大多数工作所用的数据主要是来自机载和星载平台提供的摄影和数字光学图像,目前则越来越强调激光扫描和合成孔径雷达数据的应用。这些技术手段为从景观到林分规模的不同现象的评估提供了机会。遥感提供了可用于确定森林生态系统中生物多样性景观尺度的元素最有效的工具。例如基质和斑块的相对百分比以及它们的配置。在中间尺度,遥感为评价廊道的存在和边界的特性提供了理想的工具。在林分尺度,遥感技术可用来获取关于森林分结构属性的信息,例如冠层表面的特性,是否存在冠内分层等等。随着的发展,遥感将更广泛地应用于生态学研究。     

低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展

低空域无人机遥感技术具有高时效性、高分辨率、低成本、易操控等优势，作为地面与高空遥感（航天与航空遥感）间测量尺度空缺的有益补充，低空无人机遥感扩展了样地样方空间尺度，提高了中、小尺度遥感观测信息的精细化程度，实现了草原生境信息的快速采集、处理与分析应用，是草原"星-空-地"一体化监测的重要组成。针对草原监测评价，总结了国内外低空无人机遥感在草原基况调查（草原草层高度监测、草原植被覆盖度监测与草原地上生物量估算）、草原动态监测（草原植被长势监测、草原产草量估测与草畜平衡监测）和草原应急管理（草原火灾、雪灾与生物灾害监测）中的应用。结合大数据、人工智能、云计算与物联网等新型技术，分析了低空无人机遥感在草原生态监测领域存在的不足和未来的发展方向，以期为低空无人机遥感关于草原监测评价与智慧草原的后续研究提供参考。     

全球视角下的中国生物多样性监测进展与展望

生物多样性强烈的时空尺度依赖性和多层次性决定了生物多样性现状与变量的分析需要在不同生态系统进行多空间尺度、全面和连续的监测。因此, 构建生物多样性研究监测网络是生物多样性保护和研究的基础工作。近年来, 对地观测组织-生物多样性观测网络(GEO BON)、亚太生物多样性监测网络(APBON)等全球、区域以及国家尺度的生物多样性监测网络蓬勃发展。中国陆续在国家尺度上建立了针对生态系统和物种的长期监测网络, 其中, 中国生物多样性监测与研究网络(China Biodiversity Observation and Research Network, Sino BON)于2013年启动建设, 在我国主要生态系统和环境梯度设置30个监测主点和60个监测辅点, 目前已建成10个专项网对动物、植物和微生物进行监测, 并建立了以数据标准与汇交、近地面遥感为核心的综合监测中心。Sino BON打造了从地下、地面到森林林冠的多尺度、多类群(功能群)以及多营养级交互为重点的监测与研究平台, 为理解生物多样性变化趋势及其驱动因素、研究生物多样性维持机制, 以及国家履行《生物多样性公约》、保护生物多样性和生物资源提供详实可靠的生物多样性变化数据。为进一步支撑国家生物多样性治理能力、深化全球多样性保护合作, 我国生物多样性监测亟需在监测技术、监测区域、数据标准、综合信息平台等方向谋求更大的发展。     

海洋保护区管理与保护成效评估的方法与进展

全球物种多样性的持续下降使得生物多样性保护面临巨大挑战, 海洋生物多样性的保护任务尤其艰巨。海洋保护区是保护生物多样性的有效方式之一, 如何对其成效进行评估是当前研究热点。然而, 目前针对海洋保护区的评估体系较少, 而且评估指标多侧重于管理成效。近年来随着全球生物多样性监测网络和数据库的建立, 以及多种新技术(如遥感、声呐系统、卫星追踪、基因组学等)在海洋生物多样性监测中的应用, 使得从生态系统到基因水平的多层次连续监测成为可能。基于此, 建议未来我国海洋保护区成效评估应在充分利用新技术方法的基础上, 加强长期科学监测, 建立并完善生物多样性监测数据库和信息共享机制, 发展跨学科的综合保护成效评估体系, 加强基于生物多样性监测的保护成效评估。     

中国森林遥感Rao′s Q指数时空演变

明确宏观森林植物多样性时空分布格局,对于评估森林生态工程效果以及有效开展区域生物多样性保护工作具有重要意义。遥感生物多样性研究能够弥补原位观测在时空连续性方面的不足,研究旨在为区域尺度生物多样性研究引入一种新方法——遥感Rao′s Q指数。结果表明：基于归一化植被指数(NDVI)计算的Rao′s Q指数与收集的物种丰富度在空间分布上基本一致,且两者的数值拟合通过极显著检验(R²=0.66,P<0.001),Rao′s Q指数随物种丰富度增加而增加,适用于表征宏观尺度跨气候带地区的森林植物多样性。2000—2017年间,中国森林的Rao′s Q指数时空分布基本一致,整体呈南高北低的态势;不同时段中均以降低为主,降低面积占总面积的44.23%—54.08%,武夷山-南岭一带增高特征凸显,而2010—2017年也表现出降低特征,该区域森林植物多样性本底丰富,应加强管控力度,阻止降低热点区扩散。引入遥感Rao′s Q指数有效表征区域森林植物多样性分布特征,可为区域生态质量评估提供一种新的监测指标,进而为森林植物多样性保护及区域生态质量改善相关政策制定提供支撑。     

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.     

生物多样性信息学研究进展

生物多样性信息学是一门蓬勃发展的新学科。它将现代的信息技术带入生物多样性及其相关学科的研究领域。它在生物多样性基础数据的数字化、模型工具和各种工具软件的开发、数据整合, 以及全球、地区和国家尺度生物多样性信息网络等多个方面的发展, 向我们展示了未来在全球范围内自由、免费共享生物多样性数据和信息, 以及人们行动起来共同关注、调查与监测野外生物多样性的前景。目前, 已有大量数字化的物种编目、标本馆标本、多媒体影像、研究文献等生物多样性基础信息可以通过互联网检索和利用。其中, 最值得关注的是一些成功的国际性研究项目, 如物种2000、全球生物多样性信息网络、生命条形码以及网络生命大百科全书。这些项目的成功不仅体现在对大量基础信息和数据的发布, 而且它们通过与生物多样性信息标准TDWG(Biodiversity Information Standards: TDWG)的合作, 推动了达尔文核心标准(Darwin Core)等一些重要的生物多样性信息标准的应用, 以及地区和国家性生物多样性信息节点的建立, 这些都为将来全球范围生物多样性信息的共享和数据交换奠定了重要基础。在数字化信息的基础上, 研究人员也开发了一些在特定研究领域应用的数据挖掘和模型工具, 例如基于数字化标本的地理分布预测工具MAXENT, 分类学专家知识管理的LifeDesk。公民科学理念的发展则向我们展示了公众和科学爱好者广泛参与以互联网为基础的生物多样性信息学研究活动。因此, 生物多样性信息学的发展前景广阔, 它将为我们实现全球保护战略目标, 应对生物多样性危机, 解决全球气候变化条件下生物多样性资源管理和利用建立坚实的信息基础。     

生物多样性遥感研究方法浅议

概括了遥感在生物多样性研究方面的的优势及在各种尺度为生物多样性评价提供信息的能力;讨论了生物多样性信息系统应具备的功能和应包含的内容;分析了生物多样性遥感研究中数学模型与地理信息系统的耦合问题。     

景观遗传学：概念与方法

全球变化下的物种栖息地丧失和破碎化给生物多样性保护带来了新的问题和挑战,生物多样性保护必须由单纯的物种保护上升到栖息地景观的保护。景观遗传学是定量确定栖息地景观特征对种群遗传结构影响的一门交叉学科,在生物保护及自然保护区管理方面有巨大的潜力。从生物多样性保护的角度评述了景观结构与遗传多样性的关系,介绍了景观遗传学的基本概念,研究尺度和方法,并对景观遗传学当前的研究焦点及面临的挑战做了总结。     

乡村景观生物多样性研究进展

乡村景观是一种人文和自然共生的复合生态系统, 为生物多样性的维持提供了支持。目前, 中国传统乡村地区生物多样性的维持正面临着农业集约化、人工林树种单一化、非农业用地急剧扩张及生态传承机制解体等复杂多样的威胁, 亟待展开深入研究。本文在总结乡村景观生物多样性相关概念及特征的基础上, 通过文献分析概括了国际乡村景观生物多样性的热点研究方向, 包括农业集约化下的生物多样性管理、区域尺度乡村景观与生物多样性的协同关系、局地尺度不同乡村景观类型的物种多样性及乡村景观中的生物文化多样性, 进一步梳理了国内在相关研究方向上的主要进展并指出研究不足。在此基础上提出未来研究展望, 包括突出生物文化多样性特征、加强多时空尺度分析、深化动态维持机制研究、推进生物多样性研究在乡村生态景观规划中的全过程应用等建议。     

中国生物多样性核心监测指标遥感产品体系构建与思考

生物多样性的稳定维持关乎人类生存发展与地球健康。生物多样性核心监测指标(Essential Biodiversity Variables, EBVs)旨在结合地面调查与遥感技术, 为大尺度、长时间序列的生物多样性监测提供新的解决方案。然而, 目前学界仍然缺乏一套国家尺度标准化EBVs遥感监测产品数据集, 以进行生物多样性评估。本研究旨在对中国生物多样性核心监测指标遥感产品进行体系构建与思考, 首先综述了目前EBVs的遥感研究概况, 并根据EBVs研究文献的数量进行调研分析; 同时, 本文在已有遥感生物多样性产品优先标准的基础上, 添加了“可重复性”的新标准, 并据此构建了中国EBVs遥感产品体系与监测数据集的指标清单, 最终对中国EBVs遥感研究存在的问题进行思考与讨论。本研究可为中国的生物多样性遥感监测提供科学依据, 有望为中国生物多样性政策的制定提供支撑。