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.     

基于无人机和决策树算法的榆树疏林草原植被类型划分和覆盖度生长季动态估计

植被覆盖度是评估生态环境质量与植被生长的重要指标,也是全球众多陆面过程模型和生态系统模型中表达植被动态的重要参数。卫星遥感和地面测量是估算植被覆盖度的常见方法。然而,如何精确估计榆树疏林草原上木本、草本不同类型植被的覆盖度仍然具有挑战性。无人机飞行系统有效的补充了区域尺度低空间分辨率的卫星遥感影像与样地尺度实地调查之间的缺口,为精确的监测、评估疏林草原的植被动态提供了新途径。利用无人机监测平台和决策树算法构建了一套快速、准确、自动获取景观尺度植被类型和估算植被覆盖度的自动化工具,以浑善达克沙地榆树疏林草原为对象,应用无人机监测平台对榆树疏林草原长期定位监测大样地2017年生长季植被状况进行7次监测。结果表明:1)无人机植被监测平台数据飞行高度100 m,获取的样地数字正射影像空间分辨率为2.67 cm/像元,远高于高分卫星影像,利用决策树算法基于数字正射影像可以实现自动划分榆树疏林草原木本和草本植被类型和估算植被覆盖度; 2)生长季内榆树疏林草原木本植被覆盖度为(19±2)%,草本植被覆盖度为(50±8)%,植被总覆盖度为(69±9)%,相对于木本植被,草本植被生长季内盖度变幅较大; 3)在整个生长季中,木本植被和草本植被对植被总覆盖度的平均贡献率分别为27%和73%,草本植被对植被总盖度的贡献远大于木本植被,榆树疏林草原植被的盖度主要受草本植被的影响。本研究证明无人机监测平台是一种高效、准确的植被监测工具,结合机器学习算法,实现了景观尺度植被类型的自动划分和不同类型植被覆盖度快速获取;在浑善达克沙地榆树疏林草原地区首次获取了木本植被和草本植被覆盖度的生长季动态。该平台未来可应用于各种类型生态系统植被类型划分、监测和评估。     

基于UAV低空遥感的荒漠林大沙鼠洞群覆盖率及分布特征研究——以新疆古尔班通古特沙漠南缘局部为例

草原鼠害是影响草原生态平衡的重要因素,草原鼠害监测是鼠害防治工作的重要环节。无人机低空遥感是一种新的鼠害监测方法,其具备高空间分辨率、高时效、低成本、低损耗等特点,在新疆鼠害监测防治方法中完成了示范工作。于2015年10月与2016年5月对新疆古尔班通古特沙漠南缘的荒漠林大沙鼠典型鼠害区进行两次无人机低空航拍,分别获取分辨率0.02m与0.024m的实验区超高分辨率影像,对两片实验区整幅影像进行目视解译,获得鼠洞分布情况;在鼠洞分布图基础上进行缓冲区分析并添加趋势线,获取鼠洞空间分布趋势,与研究区山体阴影图叠加分析鼠洞分布与地形间的相互关系。通过GIS格网与GIS叠加分析,获取鼠洞洞群覆盖率。得出如下结论:无人机低空遥感可以为大沙鼠鼠害调查提供准确度甚高的解译结果;古尔班通古特沙漠南缘局部研究区的荒漠林大沙鼠鼠害区洞群覆盖率分别为19.4%、18.8%,已为高密度发生区;研究区大沙鼠鼠洞表现出明显的聚集特征和带状分布特征;聚集特征说明鼠洞是以洞群的形式存在;研究区鼠洞带状分布特征与地形有着密不可分的关系;根据其空间分布特征可以科学规划鼠害治理方案;此研究表明无人机低空遥感在鼠害监测防治方面具有广阔的应用前景。     

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。     

基于无人机影像的草方格生态恢复区植被空间格局演化研究

理解植物群落组成结构的演化对于阐明荒漠化的过程与驱动机制、制定有效的干旱区生态系统恢复措施具有重要价值。研究干旱区植物群落的空间格局的演化过程有助于深入理解荒漠化和生态恢复的过程与机理。目前大量研究关注于植被退化过程中的群落组成结构变化,而对于生态恢复过程中的植物群落空间格局演化的研究尚不多见。干旱区生态系统中植物通常较为稀疏且个体较小,准确提取植物的分布往往需要分辨率极高的遥感数据。近年来,低空无人机遥感技术的快速发展为精细尺度上植被空间格局的研究提供重要技术支持。利用2 cm空间分辨率的低空无人机遥感数据结合地面群落调查,在精细尺度上研究了宁夏沙坡头草方格生态恢复区内植物群落的空间格局变化。研究结果表明,沙坡头地区草方格生态恢复工程实验区域,相对于未实施生态恢复工程的裸露沙丘区域,植物物种多样性和植被盖度显著提高。恢复工程实施4年后,平均植被盖度增加3倍,物种丰富度增加1倍。在植被恢复过程中,随着植被盖度的增加,植被斑块表现出规模上升、破碎化程度下降、形状复杂化、空间自相关减弱等格局特征变化。这些空间格局特征的变化表明大型植被斑块趋于恢复,整体微环境的改善有利于单独生长的植物个体存活,整体上生态系统退化为裸地的风险降低。利用低空无人机遥感手段,对草方格生态恢复工程的植被恢复过程进行了详细、高分辨率的空间格局调查及分析,结合地面群落调查,从多个方面证明了草方格生态恢复措施的有效性。基于无人机的系统格局连续长期监测有助于深入理解干旱区生态恢复机理,对于科学开展荒漠化生态恢复措施也具有重要价值。     

边坡植被重建效果评价：研究进展与展望

边坡植被重建是开展生态修复的重要工作,对边坡植被重建效果进行评价具有重要意义。本文从评价指标体系构建、评价指标数据获取和相关标准规范等方面总结边坡植被重建效果评价的研究进展;重点对防护性能、土壤状况、植被状况、景观效果、综合效益五个方面的评价指标进行了梳理,将边坡植被调查方式总结为人工实地调查、卫星遥感解译、无人机航拍三个发展阶段。针对目前边坡植被重建效果评价中存在的缺少定量评价数据、缺少信息技术支撑、缺少持续追踪监测、缺少工程实践互馈等问题,提出未来相关工作与研究应朝着数据定量化、技术现代化、监测长效化、工程应用化的方向发展。     

遥感反演植被含氮量研究进展

植被含氮量表征植被氮素状态。它作为植被生长状况的重要指标,在生态系统健康状况检测、生态系统生产估测、精准农业、生态系统干扰评估等方面均有重要意义。遥感监测植被含氮量主要基于高光谱和多光谱数据,采用的算法包括经验方法(波谱指数与回归分析)及物理方法(辐射传输模型法)。但受数据源和研究方法的局限,目前植被氮含量遥感监测局限于区域范围较小且内部植被类型与环境条件(气候、地形等)基本一致的情形,而对复杂生态系统的监测能力不足。未来的研究需针对氮沉降和人类活动的生态系统响应这一重大研究需求,发展和改进现有植被含氮量遥感反演方法。可考虑开展对不同环境条件下、不同类型植被光谱曲线进行标准化的研究,以形成普适的植被含氮量反演方法。并考虑综合运用多种数据(如微波遥感、无人机遥感),形成多尺度同步监测,以提高遥感对区域乃至全球范围内植被氮含量常规监测的能力。     

地表水热要素在青藏高原草地退化中的作用

在全球气候变暖和频繁的人类活动影响下,青藏高原草地生态系统发生了生产力下降、生物多样性减少及生态功能退化等一系列现象。与传统观测技术相比,遥感技术具有大范围、快速和连续监测等优点,因此被广泛用于区域尺度的草地植被长时间序列监测。以往对青藏高原草原植被影响因子的研究多集中在气温与降水,而相比较于气温和降水,地表温度和土壤湿度直接作用于植物的根部,对植物种子的萌芽和植株的生长也都有着重要影响,所以地表温度和土壤湿度与植被生长的关系更加紧密。基于遥感技术,利用青藏高原草地区域的MODIS和AVHRR数据,选择草地植被覆盖度作为草地退化的遥感监测指标,建立了青藏高原草地退化遥感监测和评价指标体系,并对青藏高原2001-2017年的草地退化状况进行了遥感监测和评价。同时,利用遥感数据获取青藏高原区域尺度的地表温度和温度植被干旱指数数据,用于指示地表水热状况,最后基于回归方法分析了地表水热要素在青藏高原草地退化中的作用。结果表明：从2001-2017年,青藏高原植被退化程度空间差异明显,柴达木盆地和青海湖附近退化较为严重,喜马拉雅山脉北部、昆仑山脉南部、冈底斯山脉北部交汇的地区退化也较严重。在2001-2017年间,青藏高原草地未退化面积从50.60%上升到59.00%,说明青藏高原草地整体上在朝着改善的方向发展。2001-2017年内,青藏高原草地整体上大部分时间处于轻度退化状态,但是2001年和2015年这两个年份青藏高原草地退化整体上达到中等退化水平。通过回归分析发现,土壤湿度主导的对青藏高原草地的影响面积达到14.04%。地表温度主导的影响面积达到草地总面积的约36.61%。但地表温度与植被之间相互影响,且主要呈现负相关关系。其中,在温性草甸地区,当植被覆盖度较低时,地表温度正向影响植被生长。     

1988-2013年基于BP神经网络的植被叶面积指数遥感定量反演

叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）高度综合了植被水平覆盖状况和垂直结构,以及枯枝落叶层厚薄和地下生物量多少,是植被影响土壤侵蚀的主要方面。区域尺度的时间序列叶面积指数揭示了区域土壤侵蚀的演化过程。因此,及时准确地掌握区域尺度上长时间序列的植被LAI,对研究土壤侵蚀动态变化与植被的关系至关重要。选择南京市1988-2013年10期遥感影像,基于反向传播（Back Propagation,BP）神经网络构建LAI反演模型,进行了长时间序列的叶面积指数反演。结合2009和2010年LAI实测值,验证与探讨了该模型的评价精度与适应性。结果表明：（1）该模型拟合度较高,2009和2010年平均相对误差、均方根误差、相关系数分别是0.2395和0.2174,0.2962和0.2581,0.7713和0.6844,各项精度评价指标均较好;（2）统计分析去除耕地后全市LAI变化,低植被覆盖（LAI<2）面积不断增加,高植被覆盖区（LAI>3）面积先减少后增加,耕地面积不断减少,符合南京市的发展变化规律;（3）主城区LAI年际变化与其他学者得到的南京市植被盖度变化趋势一致,反演结果的时序性较高。本文提出的基于反向传播神经网络模型反演长时间序列LAI是可行的,为区域尺度土壤侵蚀定量遥感监测提供新途径。     

黑河流域植被垂直分布对气候变化的响应

黑河流域作为我国典型的生态系统过渡带,深入分析该区域内植被垂直分布变化对气候变化的响应,对于开展区域尺度植被分布对气候变化的响应研究极具代表性。近30年来,黑河流域的植被分布随着平均生物温度和降水分布变化,在空间分布上,尤其是垂直分布上发生了系列变化。基于黑河流域植被类型的410个野外调研采样数据、1980s年代的植被数据、遥感影像、气候观测数据、DEM等多源数据,分别构建了黑河流域气候要素和植被类型垂直分布变化的空间分析模型,定量揭示了黑河流域绿洲农田荒漠带（≤1700 m）、荒漠草原植被带（1700-2100 m）、干性灌丛草原植被带（2100-2500 m）、山地森林草原植被带（2500-3300 m）、高山灌丛草甸植被带（3300-3800 m）和高山寒漠草甸植被带（≥3800 m）6个植被垂直带的植被变化及其对气候变化的响应差异。研究结果表明：在1980s-2010s期间,整个黑河流域植被空间分布的动态变化率为25.75%,发生变化的总面积为203.12万hm²;绿洲农田荒漠植被带的变化面积最大（72.24万hm²）,山地森林草原植被带的植被动态变化率最高（56.93%）;6个垂直带内的年平均生物温度和平均降水整体上均呈增加趋势,其中降水的增长率随海拔升高呈下降趋势,而平均生物温度的增长率则随海拔升高呈持续上升趋势;黑河流域中低海拔植被带内的植被动态变化与年平均生物温度和平均降水的相关性整体上高于其他植被带;荒漠草原植被带和干性灌丛草原植被带的植被动态变化对气候变化的敏感性高于其他植被带内植被变化对气候变化的敏感性。     

草地植物物种多样性测度方法及发展趋势

植物物种多样性是维持陆地生态系统多功能性和稳定性的关键要素之一.本文梳理了传统草地植物物种多样性的测度方法,结合无人机技术介绍了目前应用于草地植物物种多样性测度的新理念和新方法.传统的草地植物物种多样性测度方法依赖地面观测,需要投入大量的人力、物力且耗时,仅适合小范围的观测;卫星遥感方法受制于分辨率,难以直接对群落结构...     

Classification of desert grassland species based on a local-global feature enhancement network and UAV hyperspectral remote sensing

Grassland ecosystems are an important part of terrestrial ecosystems and are important for building ecological barriers, promoting the pastoral economy, and maintaining social stability. In recent decades, grasslands in northern China have undergone extensive degradation due to the combined effects of global climate change and the anthropogenic overuse of grasslands. An understanding of the spatial distribution of grassland degradation species is helpful for evaluating the process of grassland degradation and formulating appropriate protective measures. This is important for grassland degradation monitoring. To address the limitations of traditional ground surveys and realize intelligent remote sensing grassland degradation monitoring tasks, we use unmanned aerial vehicle (UAV) hyperspectral remote sensing technology to collect data on vegetation species in desert grasslands. In this paper, we propose a local-global feature enhancement network (LGFEN) for the classification of desert grassland species. The method uses the local feature enhancement (LFE) module and global feature enhancement (GFE) module to extract local and spatial information from hyperspectral images (HSIs), respectively. In addition, the introduction of the convolutional block attention module (CBAM) refines the features of HSIs, improving the stability of the classification performance. The results show that the proposed method has superior classification performance compared with existing HSI classification methods. With only 10 training samples per class, the overall accuracy, average accuracy, and kappa coefficient of the proposed method were 98.61%, 97.61%, and 0.9815, respectively. The proposed method provides a new approach for high-precision and high-efficiency dynamic monitoring of grassland ecosystems.     

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。     

Comparison of leaf area index inversion for grassland vegetation through remotely sensed spectra by unmanned aerial vehicle and field-based spectroradiometer

Aims Remote sensing technology has been proved useful in mapping grassland vegetation properties. Spectral features of vegetation cover can be recorded by optical sensors on board of different platforms. With increasing popularity of applying unmanned aerial vehicle (UAV) to mapping plant cover, the study aims to investigate the possible applications and potential issues related to mapping leaf area index (LAI) through integration of remote sensing imagery collected by multiple sensors.     

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。     

无人机航测在风景园林中的应用研究

近年来随着民用无人机的普及,无人机开始越来越多地应用于风景园林领域中。但目前大多数应用还停留在基础的航拍层面,对于应用潜力更大的航测层面,在风景园林行业中的应用相对较少,也更鲜为人知,现有研究更多聚焦于具体案例的应用方面,未能对其进行系统的认知和介绍。简要介绍无人机航测与遥感系统的构成及常见传感器类型,通过文献综合、项目实践等方法,系统地整理了国内外无人机航测相关的研究与应用进展,进而总结出无人机航测在风景园林中的应用可分为传统航测、倾斜摄影、多种传感器遥感3个方面。最后指出传统航测发展最为成熟,短时间内推广应用的可能性最大;倾斜摄影效率最高;多种传感器遥感未来开发潜力最大。以期对今后无人机在风景园林中的应用与研究有所启发。