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。     

The use of an unoccupied aerial vehicle to survey shark species over sand and rocky-reef habitats in a marine protected area

Cabo Pulmo National Park was established in 1995 and has since seen a large increase in fish biomass. An unoccupied aerial vehicle (UAV) was used to survey shallow coastal habitat in which lemon sharks (Negaprion brevirostris), bull sharks (Carcharhinus leucas) and Pacific nurse sharks (Ginglymostoma unami) were recorded. Sharks were more common in the afternoon, potentially using warmer shallow areas to behaviourally thermoregulate. This study highlights UAV surveying to be a viable tool for species identification, a limitation of previous terrestrial surveys conducted in the area.     

利用大面积无人机航拍影像研究松材线虫病病死树林间分布规律

本研究使用固定翼无人机拍摄4 200 ha林地,从中选取了广东省河源市和平县阳明镇、紫金县紫城镇、东源县义合镇共3个样地的3 500 ha林地的航拍影像进行分析,用以探究松材线虫Bursaphelenchus xylophilus病死树的空间分布情况,及不同立地因子对疫情的影响,为松材线虫病监测预报提供解决途径。通过Pix4Dmapper软件对航拍的图像进行拼接生成正射影像图(DOM)等成果,然后使用eCognition(易康)软件对影像成果进行分割、分类和信息提取,最后借助ArcGIS平台进行病死树数量统计并获取方位、坡向、坡度、海拔等立地因子信息。结果表明,松材线虫病死树分布均呈聚集分布。使用双对角线法、平行线法、“Z”字法、五点法等不同抽样方法调查发现,仅五点法所得平均数与总体平均数无明显差异(P<0.05)。松材线虫病死树在不同立地因子下均有差异：主要分布在西坡、南坡和东南坡,西坡最多为25.94%,其次是南坡23.57%;主要分布在半阳坡和阳坡,半阳坡占36.54%,阳坡占34.09%;主要分布在凸坡,但随着疫情的发展,凹坡病死树数量逐渐超过凸坡;主要分布海拔区间在30...     

小型植保无人机超低量喷雾防治稻水象甲

【目的】通过建立适宜新疆荒漠绿洲特殊生态环境的稻水象甲超低量喷雾技术,为稻水象甲的大面积统防统治提供新型施药技术。【方法】以小型遥控多旋翼植保无人机(UAV)为施药机械,以稻水象甲常规喷雾防效大于90%的药剂为首选药剂,开展了药剂、施药量、助剂以及施药机型的筛选试验。【结果】施药后3、7、14和21 d虫口密度高于防治指标的样地所占比例依次为35.71%、21.43%、35.71%和78.57%。30%氯虫·噻虫嗪187.5 mL·hm~(-2)防效最佳,14 d药效高达93.43%;药后21 d,球孢白僵菌3000 mL·hm~(-2)的防效最高,达84.65%。各药剂施药量与防效呈正相关。此外,UAV喷雾防治稻水象甲时,添加助剂的平均防效可提高22.29%~28.49%。【结论】在农业精准施药、绿色生产中,综合考虑供试药剂的施药量、持效期、防效和药后存活虫量,建议以30%氯虫·噻虫嗪SC和14%氯虫·高氯氟CS作为全程以UAV为施药机械防治稻水象甲的首选药剂,在稻水象甲种群发展前中期优先考虑低浓度施药量;同时,为避免UAV在实际作业中药液雾滴发生飘失和流失问题,可以考虑添加飞防助剂提升防效。     

Using unmanned aerial vehicle (UAV) surveys and image analysis in the study of large surface‐associated marine species: a case study on reef sharks Carcharhinus melanopterus shoaling behaviour

A novel image analysis‐based technique applied to unmanned aerial vehicle (UAV) survey data is described to detect and locate individual free‐ranging sharks within aggregations. The method allows rapid collection of data and quantification of fine‐scale swimming and collective patterns of sharks. We demonstrate the usefulness of this technique in a small‐scale case study exploring the shoaling tendencies of blacktip reef sharks Carcharhinus melanopterus in a large lagoon within Moorea, French Polynesia. Using our approach, we found that C. melanopterus displayed increased alignment with shoal companions when distributed over a sandflat where they are regularly fed for ecotourism purposes as compared with when they shoaled in a deeper adjacent channel. Our case study highlights the potential of a relatively low‐cost method that combines UAV survey data and image analysis to detect differences in shoaling patterns of free‐ranging sharks in shallow habitats. This approach offers an alternative to current techniques commonly used in controlled settings that require time‐consuming post‐processing effort.     

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。     

集成高分辨率UAV影像与激光雷达点云的亚热带森林林分特征反演

该研究集成高分辨率无人机(UAV)影像和激光雷达(LiDAR)点云数据估算亚热带天然次生林林分基本特征变量。首先, 基于LiDAR点云和反距离加权插值法构建林下高精度数字高程模型(DEM); 然后利用UAV影像对序列构建植被冠层上层三维点云, 并借助DEM进行高度信息归一化, 提取高度和冠层点云密度相关的特征变量; 最后, 构建预测模型并估算Lorey’s高、林分密度、胸高断面积、蓄积量。结果表明: 联合提取的特征变量与Lorey’s高的敏感性最高, 蓄积量次之, 林分密度和胸高断面积最低; 利用UAV灵活快速的手段获取森林冠层信息, 辅以高精度LiDAR数据获取的地形信息, 两者互补实现一种可重复的快速、廉价和灵活的林分特征的反演方式。     

基于无人机遥感的三江源国家公园藏野驴种群数量及生境时空变化研究

藏野驴（Asinus kiang）是青藏高原特有物种,我国一级野生保护动物。三江源国家公园黄河源园区是藏野驴的主要栖息地之一,而生物多样性保护也是国家公园的重要职能,准确了解藏野驴的种群数量及栖息地变化无论是从野生动物保护还是从国家公园建设指导来看均具有重要意义。以三江源国家公园黄河源园区为研究区,利用无人机遥感技术开展藏野驴种群数量调查工作,在此基础上利用选择指数与因子分析揭示藏野驴的生境选择偏好,识别其适宜栖息地范围。并深入探讨近20年藏野驴适宜栖息地的时空变化特征,探讨驱动因素。结果表明：（1）无人机可以有效识别藏野驴个体,在调查样带内共发现藏野驴252头,经过推算2017年春季三江源国家公园黄河源园区内共有藏野驴20989头。（2）藏野驴倾向于选择距居民点1 km以外,距道路1-3 km范围内,距水源1 km以内,且植被覆盖度介于0.4-0.8之间的坡度小于5°的平坦区域做为栖息地。（3）2000-2018年间,三江源国家公园黄河源园区内的藏野驴适宜生境面积增加了330.76 km²,达到4747.10 km²,面积占比增加1.73%,达到了24.85%。这主要是气候变化与人类活动协同作用下导致的水体扩张与植被覆盖度增加驱动的。此外,虽然道路的扩张仅限制了小面积的适宜栖息地增加,但可能造成栖息地连通性下降等更为严重的后果。本研究证明了无人机遥感技术在青藏高原等开阔区域进行野生动物调查及栖息地研究的可行性与优势,相关技术方法与研究成果可为三江源国家公园生物多样性保护工作提供参考与支撑。