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。     

贵州梵净山国家级自然保护区鸟兽红外相机监测

红外相机监测是了解野生动物多样性现状、动态变化和面临威胁的重要手段。本研究采用网格抽样调查法, 在贵州梵净山国家级自然保护区内选取2个监测样区共40个监测位点布设红外相机, 对区内兽类和鸟类物种进行监测调查。2017年4月至2018年12月间, 红外相机累积监测14,808个相机工作日, 共收集有效照片14,119张, 独立有效物种照片3,199张。共鉴定野生动物9目22科61种, 其中兽类26种, 隶属于4目12科; 鸟类35种, 隶属于5目10科。记录到国家I级重点保护野生动物2种: 黔金丝猴(Rhinopithecus brelichi)和白颈长尾雉(Syrmaticus ellioti), 国家II级重点保护野生动物9种; 被IUCN红色名录评估为濒危(EN)的1种、易危(VU)的5种、近危(NT)的8种。物种的相对多度指数(relative abundance index, RAI)分析结果显示, 藏酋猴(Macaca thibetana, RAI = 28.23)、毛冠鹿(Elaphodus cephalophus, RAI = 15.46)、野猪(Sus scrofa, RAI = 11.82)、小麂(Muntiacus reevesi, RAI = 9.05)、黔金丝猴(RAI = 7.70)为相对多度最高的5种兽类; 紫啸鸫(Myophonus insularis, RAI = 10.33)、红腹角雉(Tragopan temminckii, RAI = 9.59)、红腹锦鸡(Chrysolophus pictus, RAI = 6.96)、白颈长尾雉(RAI = 3.71)、勺鸡(Pucrasia macrolopha, RAI = 1.55)为相对多度最高的5种鸟类。另外, 红外相机还监测到较多的家畜活动(RAI = 11.14)和人为活动(RAI = 12.90), 保护区管理部门仍需采取相应管理措施, 进一步提高周边居民的保护意识, 促进保护区与社区的协调发展。     

利用红外相机调查祁连山国家公园(青海片区)兽类和鸟类多样性

2017年5-9月,采用红外相机调查祁连山国家公园(青海片区)兽类和鸟类多样性。共布设154个相机位点,累计12 096个相机日,共获得9 675张有效独立照片,鉴定23种野生兽类和50种野生鸟类物种,分别隶属5目10科和9目19科,另记录到家畜5种。相对多度指数最高的前五种野生动物依次为岩羊(Pseudois rnayaur)(18.23)、喜马拉雅旱獭(Marmota himalayarea)(15.98)、灰尾兔(Lepus oiostolus)(5.06)、红嘴山鸦(Pyrrhocorax pyrrhocorax)(3.39)、高原鼠兔(Ochotona curzoniae)(2.49)。中国特有物种有荒漠猫(Felis bieti)、白唇鹿(Ceryus albirostris)、西藏马鹿(Cervus wallichii)、藏原羚(Procapra picticaudata)、红耳鼠兔(Ochotana erythrotis)、蓝马鸡(Crossoptilon auritum)和地山雀(Pseudopocdoces humilis)7种。国家Ⅰ级重点保护野生动物有4种,国家Ⅱ级重点保护野生动物有20种;被中国脊椎动物红色名录评估为极危、濒危、易危、近危的物种分别有1种、6种、3种、14种。红外相机调查结果反映出祁连山国家公园(青海片区)兽类和鸟类现状,为祁连山国家公园体制试点生物多样性保护和管理提供基础数据。     

泌桐高速公路生态护坡不同草灌混播10a后的植被群落特征

稳定的边坡群落是公路边坡生态防护的目标,为探究高速公路生态护坡工程10 a演替后群落特征,该研究以泌桐高速公路为依托,布设自然恢复、单一狗牙根播种和5个不同播种密度的草灌混播生态防护措施,分析不同恢复方式对边坡群落组成、生活型和物种多样性的影响。结果表明:(1)调查样方内共有52种植物,分属于17科49属。禾本科、菊科和豆科植物共26属29种,占种总数的55.77%,表明这三大科植物在边坡群落演替过程中起着重要作用。(2) 10 a演替后不同恢复方式下群落中多年生植物比例高于一年生草本植物。(3)在草灌混播样地中,群落物种多样性指数随着播种密度的增加呈先增加后降低的单峰变化趋势,在播种密度为每平方米500株时达到最大。(4)草灌混播的生态恢复效果优于纯草本种植和自然恢复方式。(5)播种密度对草灌混播群落类型,地上生物量和物种多样性指数没有显著影响。从植物的生长效果及成本方面考虑,初播密度每平方米为500~600株的草灌混播可构建较为稳定的边坡植物群落,实现最佳的边坡恢复效果,可应用于类似区域边坡生态恢复工程。     

苦苣苔科镜像花的多样性及演化

泛热带分布的苦苣苔科(Gesneriaceae)在我国南方具有极高的物种丰富度与特有率,花部特征变化丰富,是研究物种形成与适应演化的代表类群。镜像花(mirror-image flowers)是极为特化的传粉系统,在苦苣苔科中出现了较多的不同类型,可能与苦苣苔科物种多样性形成与维持有关。该研究总结与分析了苦苣苔科镜像花的类型多样性以及系统分布与适应演化等,讨论了镜像花对苦苣苔科物种形成与维持的积极意义。结果表明:镜像花仅分布在亚洲和非洲的苦苣苔亚科(Didymocarpoideae)的7个属,在历史上就至少发生了5次独立起源。长冠苣苔属(Rhabdothamnopsis)、南洋苣苔属(Henckelia)及长蒴苣苔属(Didymocarpus)镜像花的花柱与可育雄蕊分别向左、右两侧偏转,形成互补镜像花;蛛毛苣苔属(Paraboea)、喜鹊苣苔属(Ornithoboea)、非洲堇属(Saintpaulia)镜像花缺乏与花柱对应侧偏的可育雄蕊(非互补镜像花);而海角苣苔属(Streptocarpus)直立堇兰亚属(subg.Streptocarpella Engler)则同时出现了互补、非互补镜像花。不同于其他被子植物(离瓣花、缺乏花冠筒),苦苣苔科中的镜像花大多伴随着明显的花冠筒、内藏的雄蕊、合生的花药,以非互补镜像花为主;传粉者以小型的无垫蜂(Amegilla spp.)和熊蜂(Bombus spp.)为主。这些特殊的花部综合征与特化的传粉机制,提高了传粉精确性,可能促进了传粉隔离与物种适应辐射。今后的一个研究重点应通过分子系统发育方法,进一步揭示苦苣苔亚科互补与非互补镜像花的进化顺序及其在物种分化与长距离扩散过程中的可能作用。     

黔西北地区不同演替阶段植物群落结构与物种多样性特征

该文采用"空间代替时间"的方法,研究了贵州省威宁县喀斯特地区植被演替过程中的群落结构、物种组成、生活型谱和物种多样性的变化规律。结果表明:(1)该调查共记录到种子植物174种,隶属于52科117属,物种分布较多的有菊科、蔷薇科、禾本科、杜鹃花科、小檗科、唇形科、蓼科。(2)随着植被的正向演替,物种丰富度逐渐增加,群落结构趋于复杂,高位芽植物所占比例逐渐增大。(3)随着植被的恢复,群落层次分化逐渐明显,大径级植株所占比例呈现增加趋势。(4)随着植被的恢复,群落各层次的ShannonWiener多样性指数(H)、Simpson多样性指数(DS)、均匀度指数(J)和Margalef丰富度指数(DM)逐渐增加;不同演替阶段植物群落之间的Srensen相似系数呈现先上升后下降的趋势,Cody指数则表现为逐渐增加的趋势。黔西北地区不同演替阶段植物群落结构和物种多样性不同,建群种和关键种发生了明显变化,不同演替阶段植物群落结构和物种多样性的研究对喀斯特地区植被演替规律的认识和生态恢复具有重要意义。     

七姊妹山常绿落叶阔叶混交林物种多样性格局及其环境解释

依托七姊妹山自然保护区6 hm²森林动态监测样地研究平台,基于样地和物种基本信息数据,采用多元回归树和冗余分析研究方法,探讨地形因子对生境的塑造作用及物种分布特征,分析不同群丛类型下物种多样性的变化规律。结果表明：(1)依据“1 SE”规则,4次分割依次以海拔(1 453 m)、坡度(23.13°)、海拔(1 398 m)、凹凸度(4.094)为分界点可将150个样地分为5个群丛。(2)冗余分析表明地形因子对物种分布解释量为0.077 6,解释率为16.36%,各环境因子对物种分布的解释力度依次为：海拔>坡度>凹凸度;坡向与物种的分布无显著相关性。(3)5个群丛中立木密度与胸高截面积最高的均为群丛5(527.4株/400 m²;3.495 cm²/株),立木密度与平均胸高截面积最低为群丛4(225.4株/400 m²;3.057 cm²/株)。(4)5个群丛中Shannon Winener丰富度指数与Simpson优势度指数最高的均为群丛2,最低的为群丛5,物种多样性尺度效应明显;Pielou均匀度指数最高为群丛4,最低为群丛5。(5)两两群丛间Jaccard相似性系数最低为群丛1 群丛2(0.331),最高的为群丛4 群丛5(0.645),海拔对β多样性格局影响较大。研究认为,七姊妹山自然保护区6 hm²样地地形因子对该区域生境的塑造具有一定作用,海拔、坡度、凹凸度组成的“环境筛”影响了该区域的物种分布及多样性格局。     

林分因子对云顶山不同人工林林下植物多样性的影响

该研究采用典型抽样法,以成都云顶山5种人工林——柏木 枫杨林(BF)、银杏 楠木林(YN)、光皮梾木 香樟林(GZ)、枫杨 桤木林(FQ)、柏木林(CB)为研究对象,分析不同人工林的林下植物组成与多样性特征,并确定影响林下植物多样性的主导林分因子,为当地人工林经营管理提供理论依据。结果表明：(1)研究区共记录林下植物168种,隶属于62科130属;5种人工林灌木层与草本层的科属种数均以GZ最多。(2)5种不同人工林灌木层与草本层的优势种数分别为7、4、7、6、4种和5、4、9、9、10种,数量都较少。(3)5种人工林的Shannon Wiener多样性指数(H)、Simpson优势度指数(H′)、物种丰富度指数(D)、Pielou均匀度指数(J_sw) 均基本表现为草本层>灌木层,BF、GZ灌木层的D略高;灌木层的H、H′、D值均以GZ最大,但不同人工林的J_sw差异不显著;草本层的H、H′、D、J_sw均基本呈现CB>FQ>GZ>BF>YN趋势,GZ的D值略高于FQ。(4)6个林分因子对灌木层4个物种多样性指数的影响均无显著差异;林分平均树高、平均枝下高、平均胸径、平均冠幅和林分密度是影响草本层H、D的主要因子,但各林分因子对草本层H′、J_sw的影响差异不显著。研究认为,林分结构对林下草本层物种多样性的影响更大,平均树高、平均枝下高、平均胸径、平均冠幅、林分密度对草本层多样性有显著影响。     

西藏东南部柏木属群落类型及物种多样性

西藏东南部柏木属植物群落是青藏高原天然林资源的重要组分,在维持高原生物多样性与生态安全方面作用显著.为明确其群落类型及物种多样性,本研究通过在米林县、朗县和波密县设置典型样地和划分群落类型,分析了不同群落物种组成、物种多样性指数及建群种径级结构.结果表明: 柏木属植物群落可划分为4个群落类型:西藏柏木-柳叶忍冬+绒毛山梅花-凤尾蕨+紫马唐群落(群落Ⅰ)、巨柏-圆锥山蚂蝗+砂生槐-线形草沙蚕+芸香草+固沙草群落(群落Ⅱ)、巨柏-甘肃野丁香-杂配藜+固沙草群落(群落Ⅲ)、巨柏-小蓝雪花-藏沙蒿+固沙草+蒺藜群落(群落Ⅳ).各群落Margalef丰富度指数、Shannon多样性指数、Pielou均匀度指数及种间相遇机率指数均表现为:群落Ⅰ＞群落Ⅱ＞群落Ⅲ＞群落Ⅳ.4个群落的建群种幼龄级个体多而中老龄级少,植株由幼龄级向中龄级过渡阶段死亡率较高,柏木属植物种群呈衰退趋势.