無人機遙感在生態領域的應用進展

在生態學和保護生物學領域，無人機遙感相關的研究工作剛剛起步。在2001—2016年10月之間在生態學、生物多樣性保護、環境科學和林學等領域內共發表95篇相關SCI論文，其中70篇(74%)是在2013年以後發表的。

Koh 和 Wich對低成本無人機技術在生物多樣性保護中的應用進行了綜述和展望，並指出「無人機生態學的時代開始了」(dawn of drone ecology)。這篇文章的第一作者Lian-Pin Koh博士在2013年的TED演講視頻「A drone"s-eye view of conservation」進一步使得無人機生態學的概念在生態學家、保護生物學家和公眾中流行起來，該視頻到2016年10月為止在TED網站上已經被觀看超58萬次。

Anderson 和Gaston在美國生態學會刊物《Frontiers in Ecology and the Environment》上對輕小型無人機在生態學中的應用前景進行了更詳細地介紹，並預測無人機遙感將帶來空間生態學的革命( 「revolutionize spatial ecology」)。

隨後，Whitehead和Hugenholtz和Whitehead等對小型無人機在環境相關領域的研究進展和存在的挑戰進行了系統地綜述。Paneque Gálvez等對無人機技術在森林管理中的應用進行了深入介紹。一些以輕小型無人機為平台的研究工作也陸續開展起來，研究內容涉及森林冠層監測、動物行為和數量調查、生境監測、野生動植物保護、自然保護區管理等。

壹

植物監測

傳統地基於地面的植物組成與結構調查由於所獲得的數據精度差、人力成本高、覆蓋範圍小等限制，很難應用到較大的取樣面積。無人機遙感技術可以部分上彌補這些限制，目前應該被嘗試著在植物資源調查、物候監測、植物病蟲害監測等方面。我們選取了植被垂直結構調查和物候監測兩個方面的案例來加以說明。

(1)植被垂直結構調查：植被的垂直結構對森林的生物量分配和碳儲量、生產力有著非常重要的影響。同時，複雜的冠層結構所形成的垂直分層和生態位分化為各種生物提供了重要的生境條件和食物資源，對許多植物和動物群落的多度和分布格局有顯著的影響。然而，我們對森林冠層的了解大多隻限於定性的分析，而很少定量的分析。一個主要的原因是缺乏有效的收集數據和分析數據的方法。輕小型無人機的發展為更有效地測量植被的垂直結構提供了可能。以最近在廣東鼎湖山20hm2(400m×500m)的常綠闊葉林大樣地的無人機調查為例，於2014年採用工業級四旋翼無人機收集了該樣地範圍內所採集的高解析度(5cm)的無人機遙感影像，並結合地面調查所獲得的樣地高程數據，計算出樣地林冠層的多個變數(如林冠層高度、森林鬱閉度、林冠層高度的變異程度等)。然後，通過與地面調查的植物多樣性數據、地形數據、土壤數據等相結合，對影響植物多樣性分布的相關因子的重要性進行了數量上的評價。

常綠闊葉林樣地的無人機調查

(2)植物物候監測：植物物候是環境條件季節和年級變化最直觀、最敏感的綜合指示器，是地球與大氣科學應用中研究植物生命周期及其與氣候關係的一個重要參量。開展植物物候研究對於深入研究全球變化及與陸地生態系統的關係等方面具有十分重要的意義。

傳統的植物物候數據採集是通過人工定點目視觀測，這種方法因覆蓋範圍小、時間序列短等不足，難以進行較大尺度的物候時空分析。近年來，隨著遙感技術的發展，基於衛星遙感數據的大面積植物監測已經獲得較為廣泛地運用。

然而，基於衛星遙感的植物物候研究還面臨著數據解析度低、雜訊干擾因素較多、物候期識別方法普適性低、物候研究結果驗證不充分等問題。基於輕小型無人機的植物物候監測可以極大地解決地面監測和衛星遙感監測存在的困難，但這方面的工作還鮮有報道。

Dandois和Ellis報道了他們在美國馬里蘭的一個50m×50m的樣地範圍內，用小型無人機對2010年10月至2012年6月之間的植物物候進行了監測，通過計算 RGB 3個顏色通道的變化來檢測植物物候期的變化。

Berra等用固定翼無人機對英國一個針闊混交林內的植物物候進行了近4個月的詳細監測，基於RGB 3個顏色通道的信息計算了單株個體等級的綠色色度指數，結果發現這些個體之間的展葉時間存在著較大變異(最大差異為18d)。

另外，以輕小型無人機為研究平台，Inoue等在日本東部的落葉闊葉林內用小型無人機對倒木進行了詳細調查，通過與地面調查比較，無人機調查準確地記錄了80%—90%的胸徑大於30cm的倒木。

Getzin等用無人機對德國的10個溫帶森林樣地內的林窗進行了空間定位，並勾畫出其形狀和計算其面積。

Messinger等在亞馬遜地區採集了516hm2範圍內低地森林的無人機影像，並以此對該區域的地上生物量進行了快速而準確的估計。

貳

動物監測

近幾年來，以輕小型無人機為平台來監測動物活動也開始引起了動物生態學家的關注。以下我們從哺乳動物和鳥類為例來加以簡單的總結。

(1)哺乳動物：目前用無人機對哺乳動物的調查主要集中在體型較大的動物。

Vermeulen 等在非洲西部用無人機對非洲象種群進行了調查，在4條樣帶上共調查到34頭大象。

Israel用無人機裝載熱紅外相機來監測狍子的活動。

Watts等用無人機影像來估計美國短吻鱷的種群數量。

Christiansen等在澳大利亞用無人機影像來測量繁殖期間200頭座頭鯨的體型大小的變異。

Michez等用無人機監測數據來調查野豬活動對農作物生長的影響。

無人機用於動物監測中的案例

(2)鳥類:與一些體型較大的哺乳動物的研究工作相比，用無人機來監測鳥類活動還剛剛起步。

Weissensteiner等用無人機來評估鳥類的繁殖行為，並與傳統的調查方法進行了比較，發現用無人機調查可以節省傳統方法的所需的近85%的時間消耗。

Hodgson等以兩個熱帶島嶼和一個北極島嶼為例，展示了無人機調查鳥類種群數量和行為的優勢。

Rodríguez等通過聯合一個小型鳥類的飛行數據記錄器和無人機監測的生境數據來分析鳥類物種分布規律。

Liu 等將無人機用於瀕危鳥類物種黑臉琵鷺的調查中。

在我國，無人機遙感也開始受到關注。如無人機遙感技術在汶川地震中的應用，利用處理後的影像對於災情調查、災情分析和評價，對指導災後應急救援發揮巨大作用。在生態學、林學和保護生物學等領域，用小型無人機對黑龍江伊春地區的針葉林資源進行調查；利用小型無人機調查了松材線蟲感染的病死木的空間分布；用小型無人機進行了紅樹林資源調查，提取了高精度的空間分布信息；有研究把小型無人機與中國森林生物多樣性監測網路的鼎湖山樣地的地面調查數據相結合，分析了由無人機調查獲得的森林冠層結構參數對地面植物多樣性的影響。在動物監測方面，把小型多旋翼無人機用於高山兀鷲的繁殖生態學研究，拍攝了高山兀鷲巢穴、親鳥、幼鳥及其生長發育過程。近期由中央電視台、 西北瀕危動物研究所等單位組織的「2016 我們與藏羚羊」科考中，科研人員使用固定翼無人機監測藏羚羊的遷徙過程，獲取了該遷徙種群的密度、數量和年齡結構等數據。本次案例共飛行14個架次，每個架次覆蓋約3km2，獲得覆蓋範圍高達40餘km2、解析度達5cm 的高清正射影像。

西藏羌塘國家級自然保護區中的一個飛行架次的藏羚羊無人機遙感調查案例

儘管無人機技術已逐漸被我國的科學家所認識，但在現階段相關應用還處於尚未形成規模的初級階段。同時，我們也缺少與無人機數據相匹配的高精度的地面調查數據，包括詳細的物種分布數據和地形、土壤等的信息。這些都限制了無人機技術在森林生態學研究中的應用，尤其在生物多樣性高、冠層結構複雜和環境條件變異極大的亞熱帶和熱帶森林地區。以美國史密斯研究所熱帶森林研究中心和中國森林生物多樣性監測網路為代表的大型森林動態監測樣地網路是一個可以開展無人機生態學研究的理想平台。

另外，無人機在長期生態學研究中的例子還沒有報道，主要原因是無人機生態學的發展才僅僅有幾年的歷史。無人機監測的高時效性和高度的靈活性為長期監測各種生態系統的動態變化( 包括植物物候變化、 物種組成變化、自然和人類干擾等) 提供了可能。隨著無人機監測數據在時間和空間尺度上的積累，這些數據將為我們回答一些生態學中的重大科學問題提供重要支持。

2014年11月18日，在國家遙感中心與中國科學院地理科學與資源研究所的共同努力下，國家遙感中心輕小型無人機遙感應用專家工作組成立。工作組將在加強載荷感測器研發、推動行業准入制度建立、完善安全規範制定、推動輕小型無人機遙感系統綜合驗證場建設等方面開展工作，這將為無人機生態學等相關領域的有序發展發揮重要作用。根據2016年出版的《輕小型無人機遙感發展報告》上的數據，2015年我國遙感應用專業級輕小型無人機已超過3000架，估計未來5年的裝備需求總量超過30000架。如何有效地利用這些無人機研究平台來真正地服務於生態學研究和生物多樣性保護工作中，還需要我們進一步地思考和探索。

註：部分資料參考自文獻《無人機遙感在生態學中的應用進展》，胡健波等

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