高光譜近地遙感與無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于草原監(jiān)測(cè)

草地生態(tài)系統(tǒng)作為一種重要的生態(tài)系統(tǒng)，為草地碳循環(huán)、水循環(huán)及生物多樣性提供基礎(chǔ)保障。在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)，受過(guò)度放牧濫墾濫伐行為影響，導(dǎo)致草地沙化、荒漠化、黑土灘化、生物入侵日益嚴(yán)重。尤其是生態(tài)脆弱的高海拔地區(qū)，草地破壞后自我修復(fù)能力極弱，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，制約生態(tài)文明建設(shè)。
 

易科泰生態(tài)技術(shù)公司致力于“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-健康”國(guó)際先進(jìn)儀器技術(shù)引進(jìn)推廣、技術(shù)研發(fā)集成、科研合作與技術(shù)服務(wù)，為草地生態(tài)環(huán)境修復(fù)、草地退化監(jiān)測(cè)防治、生物多樣性保護(hù)、生態(tài)環(huán)境實(shí)驗(yàn)研究與監(jiān)測(cè)、光生物學(xué)研究、地球科學(xué)研究與觀測(cè)等提供全面技術(shù)方案。
 

基于高通量、多維度、多時(shí)相的機(jī)載高光譜成像技術(shù)，可快速、高效地監(jiān)測(cè)草地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀、監(jiān)控草地碳水循環(huán)、識(shí)別入侵生物、了解生態(tài)退化動(dòng)態(tài)過(guò)程及研究生物多樣性，對(duì)分析預(yù)防草地生態(tài)退化、評(píng)估草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止土壤退化，研究瀕危物種生境具有重要意義。
 

案例1、高光譜無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于草原生物多樣性監(jiān)測(cè)
 

內(nèi)布拉斯加大學(xué)在美國(guó)內(nèi)布拉斯加州伍德河的大面積草原恢復(fù)實(shí)驗(yàn)中研究了光譜多樣性（以變異系數(shù)表示)與α多樣性(以物種豐富度和Shannon指數(shù)表示）之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用AISAKESTREL10機(jī)載高光譜成像技術(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)定獲取，并采用兩個(gè)飛行高度和兩個(gè)飛行方向，比較了恢復(fù)草地的光譜多樣性與物種豐富度和Shannon指數(shù)之間的關(guān)系，獲得了較好的結(jié)果。研究表明，機(jī)載光譜多樣性可以為草原α多樣性提供一個(gè)很好的替代，為機(jī)載遙感在生物多樣性評(píng)估方面的應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐。
 

圖1-1. (a)內(nèi)布拉斯加州中部伍德河以南中央普拉特河生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)研究區(qū)的真彩色組合；

(b)顯示采樣設(shè)計(jì)的單個(gè)地塊的示意圖。
 

圖1-2. 機(jī)載光譜多樣性與場(chǎng)采樣α多樣性(物種豐富度和Shannon指數(shù))的關(guān)系：

a) 光譜多樣性與物種豐富度的關(guān)系(1m); b) 光譜多樣性與Shannon指數(shù)的關(guān)系（1m）;

c) 光譜多樣性與物種豐富度的關(guān)系(0.5m); d) 光譜多樣性與Shannon指數(shù)的關(guān)系（0.5m）

案例2、高光譜無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
 

草原火災(zāi)既會(huì)對(duì)生態(tài)造成嚴(yán)重的破壞，也對(duì)動(dòng)植物生命安全及經(jīng)濟(jì)造成不可挽回的損失。準(zhǔn)確對(duì)草地進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和社會(huì)穩(wěn)定都有著重要的作用。意大利IASMA研究和創(chuàng)新中心利用Aisa機(jī)載高光譜成像儀，選擇草原植被的三個(gè)參數(shù)預(yù)測(cè)草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并繪制了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖，有效論證了高光譜成像技術(shù)在草地火災(zāi)預(yù)警方面的可行性。
 

圖2-1. 草地面積與實(shí)驗(yàn)地塊   圖2-2. 不同植被特征相關(guān)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

案例3、高光譜近地遙感技術(shù)應(yīng)用于草原生物多樣性作圖
 

由于人類活動(dòng)頻繁，草地生態(tài)系統(tǒng)受到了嚴(yán)重的影響，主要表現(xiàn)在草地結(jié)構(gòu)和功能的變化上，因此，對(duì)植被變化的準(zhǔn)確評(píng)估是了解當(dāng)前和未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵。
 

德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院地理和地理生態(tài)學(xué)研究所論證了無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)未來(lái)應(yīng)用于半自動(dòng)野外調(diào)查的可能性，對(duì)草地物種進(jìn)行了分類，并在多樣性不同水平梯度（物種和結(jié)構(gòu)多樣性）下估算其覆蓋范圍，得到了較好的結(jié)果，且發(fā)現(xiàn)處于下位層的植物也可被較準(zhǔn)確的估算出來(lái)。這為高光譜技術(shù)在草地物種多樣性及結(jié)構(gòu)多樣性方面的監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)支持。
 

圖3-1. 實(shí)驗(yàn)裝置。A：Aisa傳感器掃描樣地的外觀圖；B：樣地結(jié)構(gòu)；C：多樣性梯度假設(shè)；D：樣地地理位置。
 

圖3-1. 4個(gè)不同多樣性梯度草地估測(cè)圖。 RGB合成圖、分類結(jié)果和Shannon指數(shù)

案例4、高光譜航空遙感技術(shù)應(yīng)用于濕地草原瀕危植物棲息地評(píng)估

Watarase濕地是日本本州島現(xiàn)存最大的低地濕地(面積約3300公頃)，主要由已蘆葦和芒草為主的潮濕高草草原組成。該區(qū)域底層伴生著650多種維管植物，其中包括50多種列入國(guó)家紅色名錄的瀕危物種。
 

東京大學(xué)農(nóng)業(yè)和生命科學(xué)研究所Jun Ishii等人，使用Aisa機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)，采集分析了兩組高光譜遙感參數(shù)“蘆葦和芒草的枝密度”和“兩種植物的總枝密度和枝密度比值”的有效性，用以繪制六種瀕危植物的潛在生境。通過(guò)廣義線性模型(GLMs)分析表明，與蘆葦和芒草枝密度相關(guān)的參數(shù)對(duì)所有物種的豐度有顯著影響。就所有瀕危物種而言，adj. R2評(píng)估的精度值在兩個(gè)參數(shù)集的模型之間是相同的。兩種具有高發(fā)生率和豐度的物種——鈍葉拉拉藤和瓶爾小草，獲得了較高的精度(R2 > 0.7)。結(jié)果表明，利用潮濕高草草原的蘆葦和芒草枝密度高光譜遙感參數(shù)模擬當(dāng)?shù)卮罅康臑l危物種生境是有效的。
 

圖4-1. 以蘆葦和芒草為主的潮濕的高草草地外貌（a）、研究區(qū)的下層植物(b、c)

圖4-2. 研究區(qū)高光譜RGB合成圖（a）、鈍葉拉拉藤及瓶爾小草豐度等級(jí)預(yù)測(cè)圖（b、c）

易科泰生態(tài)技術(shù)公司致力于生態(tài)-農(nóng)業(yè)-健康研究發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用，為農(nóng)、林、草、生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)地球科學(xué)研究提供近地遙感與無(wú)人機(jī)遙感全面解決方案和技術(shù)服務(wù)。