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。     

无人机在生物多样性遥感监测中的应用现状与展望

近十年, 无人机平台由于其灵活机动、成本低等优势在植被生态调查、资源环境监测、生物多样性保护等领域逐渐兴起。本文从生物多样性遥感监测应用角度首先介绍了无人机分类系统, 为具体工作开展过程中如何选择合适的载体和传感器提供了参考; 继而总结了不同类型无人机的适用性及其可搭载传感器的用途与区别。在此基础上, 针对无人机平台的高精度遥感信息具体应用案例, 就反映生物多样性变化并揭示其驱动机制方面的无人机遥感直接和间接指标的相关研究进展展开阐述。最后, 就目前无人机遥感技术在生物多样性监测领域的应用中存在的限制, 如软硬件结合匹配程度不够、部分设备过于昂贵、法律法规不完善、与传统生物多样性监测手段结合较弱等问题进行探讨。我们认为: 无人机遥感技术可以很好地弥补地面监测与航天、卫星遥感之间的尺度空缺, 更好地将监测点上的结果以准确、可靠的推绎方法扩展到区域尺度供决策分析使用。今后迫切需要进一步加大生物多样性近地面遥感监测项目建设的实施力度, 从整体上提高生物多样性热点区域应对变化的分析预警能力。     

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.     

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。     

UAVs as remote sensing platforms in plant ecology: review of applications and challenges

无人机遥感在植物生态学中的应用与挑战 无人机为获取高时空分辨率的遥感数据提供了经济灵活的工具,为植物生态学家开展从个体到区域尺度的生态学研究提供了新的机遇和手段。但作为一种新兴的技术手段,当前无人机遥感在植物生态学中的应用仍充满了挑战,植物生态学的科研需求与无人机遥感的生态应用需要更为深入的融合。本文综述了无人机遥感技术在植物生态学中的应用,展望了无人机在植物生态学研究中的应用前景。在所综述的400篇文献中,59%的文章发表于非植物生态学领域的遥感类期刊,遥感学者与生态学者的关注点存在较大差异。当前的研究集中在无人机遥感的技术层面,如数据处理和遥感反演方法等,对生态学问题本身的关注较少。综述的文献中,61%的研究案例集中在群落尺度,可见光(RGB)相机和多光谱相机是最常用的传感器类型(75%)。无人机遥感数据中蕴藏着诸多待挖掘的、有重要意义的生态参数,这些参数有助于我们识别林窗的几何特征,构建林冠的化学组合,更好地了解林冠表面的不规则性和群落的异质性。无人机遥感技术在植物生态学研究中的深入应用,需要集植物生态学家和遥感专家之合 力共同推进。     

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。     

日光诱导叶绿素荧光遥感及其在陆地生态系统监测中的应用

日光诱导叶绿素荧光(SIF)是近十年来迅速发展的新型植被遥感技术,可以弥补以“绿度”为基础的植被指数等传统光学遥感观测的不足,为大尺度植被光合作用监测提供了新方法。随着塔基、无人机、机载和星载SIF观测技术的快速发展以及SIF机理研究的推进,SIF遥感为陆地生态系统生理生化参数和生产力反演、非生物胁迫早期探测、光合物候提取和植被蒸腾作用监测等研究提供了重要技术支撑。该文首先系统阐述了SIF遥感的基本原理、观测技术和反演算法,进而回顾了SIF遥感在陆地生态系统监测中的应用现状,最后对天空地一体化SIF观测、SIF机理研究、新兴生态学应用等领域进行展望。     

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。     

海洋赤潮水色遥感技术研究进展

海洋水色遥感已成为赤潮探测与监测的重要技术手段之一。文章回顾了赤潮卫星遥感技术的发展历程,阐述了水色遥感的原理--水体的离水辐射及其光谱特征。着重论述了高光谱卫星在赤潮水色遥感中的作用,通过大气校正减少大气和气溶胶对遥感信息的衰减,同时就赤潮发生的海洋学机理进行了探讨。综合分析后指出中分辨率成像光谱辐射计(MODIS)作为图谱合一的新一代卫星传感器将在赤潮的卫星监测研究中发挥及其重要的作用。并对今后赤潮遥感的主攻方向提出了一些建议:拓宽遥感数据来源,与地理信息系统技术结合及加强赤潮的预警研究等。     

遥感在生物多样性研究中的应用进展

随着人口的持续增长, 人类经济活动对自然资源的利用强度不断升级以及全球气候变暖, 全球物种正以前所未有的速度丧失, 生物多样性成为了全球关注的热点问题。传统生物多样性研究以地面调查方法为主, 重点关注物种或样地水平, 但无法满足景观尺度、区域尺度以及全球尺度的生物多样性保护和评估需求。遥感作为获取生物多样性信息的另一种手段, 近年来在生物多样性领域发展迅速, 其覆盖广、序列性以及可重复性等特点使之在大尺度生物多样性监测和制图以及评估方面具有极大优势。本文主要通过文献收集整理, 从观测手段、研究尺度、观测对象和生物多样性关注点等方面综述了遥感在生物多样性研究中的应用现状, 重点分析不同遥感平台的技术优势和局限性, 并探讨了未来遥感在生物多样性研究的应用趋势。遥感平台按观测高度可分为近地面遥感、航空遥感和卫星遥感, 能够获取样地-景观-区域-洲际-全球尺度的生物多样性信息。星载平台在生物多样性研究中应用最多, 航空遥感的应用研究偏少主要受飞行成本限制。近地面遥感作为一个新兴平台, 能够直接观测到物种的个体, 获取生物多样性关注的物种和种群信息, 是未来遥感在生物多样性应用中的发展方向。虽然遥感技术在生物多样性研究中的应用存在一定的局限性, 未来随着传感器发展和多源数据融合技术的完善, 遥感能更好地从多个尺度、全方位地服务于生物多样性保护和评估。     

Twenty‐first century remote sensing technologies are revolutionizing the study of tropical forests

The fields of tropical biology and conservation face significant transformations due to rapid technological developments in remote sensing. Other fields (e.g. Archeology) are experiencing this momentous change even more rapidly. In this article, we review some of the challenges that the fields of tropical biology and conservation face during the first quarter of the twenty‐first century from the perspective of various remote sensing technologies, and discuss the transformations that they may bring to these disciplines. In addition, we review two emerging technologies driving paradigm changes in the nexus of ecology, remote sensing, and analytics: near‐surface remote sensing and Wireless Sensor Networks. These two technologies, arising from the eScience paradigm, offer unique opportunities to integrate field observations at hyper‐temporal and spatial resolutions that were not possible as recently as 5 years ago.     

采用遥感手段估算海洋初级生产力研究进展

海洋初级生产力的精确估算对渔业资源评估与管理、海洋生态系统和全球变化等研究具有重要意义.传统的现场测量与估算方法必须依赖于随船采样数据.卫星遥感具有能够获取实时的、大尺度的、动态的海洋环境参数的优点,因此卫星遥感日益成为大尺度海洋初级生产力估算的重要手段.本文从海洋水色传感器的发展历程出发,着重归纳了以叶绿素、浮游植物碳和浮游植物吸收系数为参量的海洋初级生产力的遥感估算方法,并就这3类模型的适应性和复杂程度进行了讨论.在此基础上,进一步分析评价了全球海洋初级生产力遥感估算的研究现状.鉴于当前海洋初级生产力遥感估算研究中存在的问题,今后的研究需要在4个方面进一步加强:1)对全球海洋初级生产力估算进行分区域研究;2)加深对浮游植物吸收系数的研究;3)提高海洋遥感技术水平;4)加强实地测量技术的研究.     

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。     

Remote sensing imagery in vegetation mapping: a review

Aims Mapping vegetation through remotely sensed images involves various considerations, processes and techniques. Increasing availability of remotely sensed images due to the rapid advancement of remote sensing technology expands the horizon of our choices of imagery sources. Various sources of imagery are known for their differences in spectral, spatial, radioactive and temporal characteristics and thus are suitable for different purposes of vegetation mapping. Generally, it needs to develop a vegetation classification at first for classifying and mapping vegetation cover from remote sensed images either at a community level or species level. Then, correlations of the vegetation types (communities or species) within this classification system with discernible spectral characteristics of remote sensed imagery have to be identified. These spectral classes of the imagery are finally translated into the vegetation types in the image interpretation process, which is also called image processing. This paper presents an overview of how to use remote sensing imagery to classify and map vegetation cover.Methods Specifically, this paper focuses on the comparisons of popular remote sensing sensors, commonly adopted image processing methods and prevailing classification accuracy assessments.Important findings The basic concepts, available imagery sources and classification techniques of remote sensing imagery related to vegetation mapping were introduced, analyzed and compared. The advantages and limitations of using remote sensing imagery for vegetation cover mapping were provided to iterate the importance of thorough understanding of the related concepts and careful design of the technical procedures, which can be utilized to study vegetation cover from remote sensed images.     

Macrophenology: insights into the broad-scale patterns,drivers, and consequences of phenology

Plant phenology research has surged in recent decades, in part due to interest in phenological sensitivity to climate change and the vital role phenology plays in ecology. Many local-scale studies have generated important findings regarding the physiology, responses, and risks associated with shifts in plant phenology. By comparison, our understanding of regional- and global-scale phenology has been largely limited to remote sensing of green-up without the ability to differentiate among plant species. However, a new generation of analytical tools and data sources—including enhanced remote sensing products, digitized herbarium specimen data, and public participation in science—now permits investigating patterns and drivers of phenology across extensive taxonomic, temporal, and spatial scales, in an emerging field that we call macrophenology. Recent studies have highlighted how phenology affects dynamics at broad scales, including species interactions and ranges, carbon fluxes, and climate. At the cusp of this developing field of study, we review the theoretical and practical advances in four primary areas of plant macrophenology: (1) global patterns and shifts in plant phenology, (2) within-species changes in phenology as they mediate species' range limits and invasions at the regional scale, (3) broad-scale variation in phenology among species leading to ecological mismatches, and (4) interactions between phenology and global ecosystem processes. To stimulate future research, we describe opportunities for macrophenology to address grand challenges in each of these research areas, as well as recently available data sources that enhance and enable macrophenology research.     

施氮时期对高产夏玉米氮代谢关键酶活性及抗氧化特性的影响

选用玉米品种登海661和郑单958为材料,研究了高产条件下施氮时期对夏玉米产量、氮素利用率、氮代谢相关酶及抗氧化酶活性的影响.结果表明： 拔节期一次性施氮不利于夏玉米产量提高和氮素积累,分次施氮且增施花粒肥显著提高了植株和籽粒的吸氮量,并提高了籽粒产量.拔节期、10叶期、花后10 d按2∶4∶4施氮,登海661产量最高可达14123.0 kg·hm^-2;基肥、拔节期、10叶期、花后10 d按1∶2∶5∶2施氮,郑单958产量最高可达14517.1 kg·hm^-2,这2种施氮方式较拔节期一次性施氮分别增产14.5%和17.5%.花前分次施氮可以显著提高开花期硝酸还原酶活性;登海661和郑单958在花后0~42 d中,施氮处理的谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、谷氨酸脱氢酶活性分别平均提高了32.6%、47.1%、50.4%和145%、61.8%、25.6%,减缓了其下降趋势;超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性提高了22.0%、36.6%和13.4%、62.0%,丙二醛含量显著降低.在高产条件下,分次施氮且适当增加花粒肥施入比例可以提高氮代谢相关酶活性,延缓植株衰老,促进氮素吸收利用,进而提高籽粒产量.