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。     

激光雷达技术在动物生态学领域的研究进展

激光雷达(light detection and ranging, LiDAR)作为一门新兴的主动遥感技术, 近年来由于在提取和反演森林参数水平上不断提高, 被越来越多地应用于动物生态学研究中。本文通过整理和搜集国内外文献, 对激光雷达的技术特点及其在森林参数提取和动物生境上的研究进展进行综述, 指出当前基于LiDAR的森林参数反演算法主要服务于森林资源调查或林学研究, 缺少对动物生态或生理意义相关的参数量化信息。目前该技术在国内的动物生态学方面的应用较少, 尚未见文章发表。通过总结国外学者的研究, 分别从动物生境选择与三维森林结构的关系、栖息地立体生境制图、生物多样性评估和物种分布模型预测三个方面综述了LiDAR在动物生态学研究中的应用现状。相比传统方法, LiDAR技术提供的高精度三维结构信息, 能够显著提高动物生境质量的评估、生物多样性的监测水平和物种分布模型的评价精度, 有利于从机理上加深对物种生境选择和集群过程的理解。但目前LiDAR技术的应用主要集中在对已知的生态关系研究, 尤其是冠层结构与动物分布的关系, 缺少对林下层生活的动物生境质量和生物多样性的监测和评估, 同时很多有关动物生存和繁衍与立体生境的关系研究有待从LiDAR数据中进一步挖掘分析。未来应加强对森林林下层三维信息的提取, 提高林下层动物生境质量和生物多样性的监测水平, 同时建立适用于动物生态和生理意义相关的参数, 为动物生境质量和生物多样性的评估提供标准的量化指标。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

鱼类多样性监测的理论方法及中国内陆 水体鱼类多样性监测

近年来, 生物多样性监测网络的建设得到广泛重视, 全球、地区或国家生物多样性观测网不断组建。生物多样性观测的理论框架得到发展, 提出了生物多样性核心监测指标(Essential Biodiversity Variables, EBV)。鱼类多样性监测的理论框架包含于生物多样性核心监测指标之内, 在遗传、物种、生态系统等多层次进行。基于鱼类监测提出的生物完整性指数(index of biotic integrity, IBI)强调不同物种的生态功能, 可以综合反映群落结构和功能的变化, 得到广泛应用。鱼类多样性的监测方法是传统网具和现代水声学等方法的结合。监测结果的分析可以进行简单的指数比较, 也可以进行长期的趋势分析, 寻找关键节点, 探讨宏观生态格局的变化。中国内陆水体鱼类多样性监测网隶属于中国生物多样性监测与研究网络, 拟选取长江、黄河、黑龙江、珠江、澜沧江、怒江、塔里木河及青海湖8大流域, 对25个重要区域和24个重点物种(类群)进行监测, 从重要区域鱼类群落结构、重点物种(类群)种群动态和个体生物学特征、遗传多样性、早期资源等不同层次, 全面监测我国内陆水体鱼类生物多样性状况。     

中国森林生物多样性监测网络: 二十年群落构建机制探索的回顾与展望

中国森林生物多样性监测网络(CForBio)目前已经沿纬度梯度从寒温带到热带布设23个大型森林动态样地, 监测1,893种木本植物, 代表我国木本植物种类的近1/6。CForBio的主要目标之一是研究森林群落的构建机制。本文综述了近20年来CForBio在群落构建机制探索方面取得的进展, 包括生物多样性时空格局、生境过滤、生物相互作用、局域扩散和区域因素以及利用新技术取得的新认知等。CForBio研究发现: (1)生境过滤和扩散限制共同决定种-面积关系及β多样性等多样性格局, 但二者的相对作用在不同样地及不同尺度存在差异; (2)生境过滤对局域群落构建的作用广泛存在, 但很难量化其对群落构建的重要性; (3)同种负密度制约在不同气候带样地普遍存在, 负密度制约的强度主要由植物菌根类型介导, 并随植物生活史类型、功能性状及环境变化而变化; (4)扩散限制在局域群落构建中发挥关键作用, 而区域因素如区域地质历史、区域物种库大小等塑造不同生物地理区群落之间的生物多样性差异; (5)宏观和微观两个方面的新技术促进群落构建机制的研究。在宏观方面, 遥感技术以低成本使大范围、多尺度的连续群落生物多样性监测和时空比较研究成为可能; 另一方面, 叶绿体基因技术和代谢组学等微观技术能促进推导群落构建的分子机制。同时, 本文还总结了以往研究的不足, 并展望了基于森林动态样地开展群落构建机制研究的未来发展, 特别强调了: (1)关注群落构建研究中的尺度问题; (2)深入开展多维度(物种、功能和系统发育)、多营养级生物互作相关的研究; (3)拓展全球变化对群落构建影响的研究; (4)融合观测-实验-模型多种手段开展群落构建机制的研究; (5)连结“群落构建理论研究”和“森林管理实践”。总之, 中国森林生物多样性监测网络的长期监测和联网研究是森林群落构建机制研究的重要基础, 也是推动群落构建理论、解决森林管理难题的重要平台。     

A review and a framework for the integration of biodiversity monitoring at the habitat level

The monitoring of biodiversity at the level of habitats is becoming widespread in Europe and elsewhere as countries establish national habitat monitoring systems and various organisations initiate regional and local schemes. Parallel to this growth, it is increasingly important to address biodiversity changes on large spatial (e.g. continental) and temporal (e.g. decade-long) scales, which requires the integration of currently ongoing monitoring efforts. Here we review habitat monitoring and develop a framework for integrating data or activities across habitat monitoring schemes. We first identify three basic properties of monitoring activities: spatial aspect (explicitly spatial vs. non-spatial), documentation of spatial variation (field mapping vs. remote sensing) and coverage of habitats (all habitats or specific habitats in an area), and six classes of monitoring schemes based on these properties. Then we explore tasks essential for integrating schemes both within and across the major classes. Finally, we evaluate the need and potential for integration of currently existing schemes by drawing on data collected on European habitat monitoring in the EuMon project. Our results suggest a dire need for integration if we are to measure biodiversity changes across large spatial and temporal scales regarding the 2010 target and beyond. We also make recommendations for an integrated pan-European habitat monitoring scheme. Such a scheme should be based on remote sensing to record changes in land cover and habitat types over large scales, with complementary field mapping using unified methodology to provide ground truthing and to monitor small-scale changes, at least in habitat types of conservation importance.     

Remote sensing of biodiversity: what to measure and monitor from space to species?

Global biodiversity monitoring systems through remote sensing can support consistent assessment, monitoring, modelling and reporting on biodiversity which are key activities intended for sustainable management. This work presents an overview of biodiversity monitoring components, i.e. biodiversity levels, essential biodiversity variables, biodiversity indicators, scale, biodiversity inventory, biodiversity models, habitat, ecosystem services, vegetation health and biogeochemical heterogeneity and discusses what remote sensing through Earth Observations has contributed to the study of biodiversity. The technological advancements in remote sensing have enabled information-rich data on biodiversity. Remote sensing data are making a strong contribution in providing unique information relevant to various biodiversity research and conservation applications. The extensive use of Earth observation data are not yet realized in biodiversity assessment, monitoring and conservation. The development of direct remote sensing approaches and the techniques for quantifying biodiversity at the community to species level is likely to be a great challenge for comprehensive earth observation-based monitoring strategy.

     

Priorities for biodiversity monitoring in Europe: A review of supranational policies and a novel scheme for integrative prioritization

Trends and status of species and habitats need to be measured to assess whether global biodiversity policy targets have been achieved. However, it is impossible to monitor all species and habitats with a justifiable effort. Therefore, it is critical to prioritize the monitoring of specific biodiversity components. Priorities must be linked to key nature conservation policies to ensure that monitoring efforts are relevant to policy needs, achieve maximum impact, and obtain governmental support. Here we discuss priority setting in biodiversity monitoring in view of monitoring obligations and priorities in supranational biodiversity legislation and policies in Europe and assess overlaps in priorities among policies. While most supranational biodiversity regulations require monitoring of biodiversity, obligations are legally enforceable only for the Nature Directives, the Water Framework Directive, and the Marine Strategy Framework Directive of the European Union. Of the assessed international conventions and other relevant policy instruments about 50% explicitly designate priority species and most focus on vertebrates. Lower emphasis is given to habitats and geographical priorities are even less pronounced. Also, an overarching system for monitoring prioritization is still missing. Our prioritization system is based on three main criteria: (1) legal requirement for reporting, (2) wording used to define priority or importance, and (3) inclusion in lists that indicate importance of monitoring due to e.g. threats or relevance of a region for a species. Our system contains five main priority levels, within which an additional division differentiates priorities according to national/European responsibility criteria. Based on this system, we provide recommendations for allocating species and habitats enlisted by the reviewed policy tools to explicit non-overlapping priority levels. Our approach will facilitate synergies between monitoring activities for different policy needs, and contribute to alleviate the notorious resource shortage for biodiversity monitoring.     

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。     

基于多源遥感的红树林监测

红树林是生长在热带以及亚热带海岸潮间带上的生态群落, 其生产力高, 固碳能力强, 对保持海岸带生物多样性具有十分重要的价值。本文介绍了利用多源遥感数据监测红树林的一些主要研究内容, 分为3个方面: (1)在时空模式研究方面, 利用高空间分辨率影像像素和对象结合的方法对红树林树种进行分类以及利用Landsat影像对红树林进行动态变化监测并分析其驱动因素; (2)在结构参数研究方面, 利用无人机多光谱数据及地面激光雷达数据对红树林叶面积指数进行反演; (3)在生理生化参数研究方面, 探讨了红树林叶绿素含量对淹没状况的响应、互花米草(Spartina alterniflora)入侵是否影响红树林光能利用率, 以及光化学反射指数(photochemical reflectance index, PRI)与光能利用率(light use efficiency, LUE)的关系。上述系列研究为提取红树林相关信息要素时如何选择合适的分析方法提供了有力的参考, 强调了遥感在研究红树林时空模式, 提取结构参数和生物生化参数监测的有效性, 从而更好地促进红树林生态系统的生物多样性保育工作。