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高光譜近地遙感與無人機遙感技術應用于草原監(jiān)測
發(fā)布時間： 2020-06-23 點擊次數(shù)： 3202次地生態(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保障。在過去一段時間內(nèi)，受過度放牧濫墾濫伐行為影響，導致草地沙化、荒漠化、黑土灘化、生物入侵日益嚴重。尤其是生態(tài)脆弱的高海拔地區(qū)，草地破壞后自我修復能力極弱，嚴重影響當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，制約生態(tài)文明建設。
易科泰生態(tài)技術公司致力于“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-健康”上先進儀器技術引進推廣、技術研發(fā)集成、科研合作與技術服務，為草地生態(tài)環(huán)境修復、草地退化監(jiān)測防治、生物多樣性保護、生態(tài)環(huán)境實驗研究與監(jiān)測、光生物學研究、地球科學研究與觀測等提供全面技術方案。
基于高通量、多維度、多時相的機載高光譜成像技術，可快速、高效地監(jiān)測草地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀、監(jiān)控草地碳水循環(huán)、識別入侵生物、了解生態(tài)退化動態(tài)過程及研究生物多樣性，對分析預防草地生態(tài)退化、評估草原火災風險、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、高光譜無人機遙感技術應用于草原生物多樣性監(jiān)測
內(nèi)布拉斯加大學在美國內(nèi)布拉斯加州伍德河的大面積草原恢復實驗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）之間的關系。實驗數(shù)據(jù)采用AISAKESTREL10機載高光譜成像技術對其進行測定獲取，并采用兩個飛行高度和兩個飛行方向，比較了恢復草地的光譜多樣性與物種豐富度和Shannon指數(shù)之間的關系，獲得了較好的結果。研究表明，機載光譜多樣性可以為草原α多樣性提供一個很好的替代，為機載遙感在生物多樣性評估方面的應用提供了有力的技術支撐。
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)顯示采樣設計的單個地塊的示意圖。
圖1-2. 機載光譜多樣性與場采樣α多樣性(物種豐富度和Shannon指數(shù))的關系：
a) 光譜多樣性與物種豐富度的關系(1m); b) 光譜多樣性與Shannon指數(shù)的關系（1m）;
c) 光譜多樣性與物種豐富度的關系(0.5m); d) 光譜多樣性與Shannon指數(shù)的關系（0.5m）
案例2、高光譜無人機遙感技術應用于草原火災風險評估
草原火災既會對生態(tài)造成嚴重的破壞，也對動植物生命安全及經(jīng)濟造成不可挽回的損失。準確對草地進行火災預警對生態(tài)文明建設和社會穩(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機載高光譜成像儀，選擇草原植被的三個參數(shù)預測草原火災風險，并繪制了火災風險預測圖，有效論證了高光譜成像技術在草地火災預警方面的可行性。
圖2-1. 草地面積與實驗地塊 圖2-2. 不同植被特征相關的火災風險等級
案例3、高光譜近地遙感技術應用于草原生物多樣性作圖
由于人類活動頻繁，草地生態(tài)系統(tǒng)受到了嚴重的影響，主要表現(xiàn)在草地結構和功能的變化上，因此，對植被變化的準確評估是了解當前和未來生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)的關鍵。
德國卡爾斯魯厄理工學院地理和地理生態(tài)學研究所論證了無人機高光譜數(shù)據(jù)未來應用于半自動野外調(diào)查的可能性，對草地物種進行了分類，并在多樣性不同水平梯度（物種和結構多樣性）下估算其覆蓋范圍，得到了較好的結果，且發(fā)現(xiàn)處于下位層的植物也可被較準確的估算出來。這為高光譜技術在草地物種多樣性及結構多樣性方面的監(jiān)測提供了技術支持。
圖3-1. 實驗裝置。A：Aisa傳感器掃描樣地的外觀圖；B：樣地結構；C：多樣性梯度假設；D：樣地地理位置。
圖3-1. 4個不同多樣性梯度草地估測圖。 RGB合成圖、分類結果和Shannon指數(shù)
案例4、高光譜航空遙感技術應用于濕地草原瀕危植物棲息地評估
Watarase濕地是日本本州島現(xiàn)存大的低地濕地(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多種列入國家紅色名錄的瀕危物種。
東京大學農(nóng)業(yè)和生命科學研究所Jun Ishii等人，使用Aisa機載高光譜成像系統(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。通過廣義線性模型(GLMs)分析表明，與蘆葦和芒草枝密度相關的參數(shù)對所有物種的豐度有顯著影響。就所有瀕危物種而言，adj. R2評估的精度值在兩個參數(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?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預測圖（b、c）
易科泰生態(tài)技術公司致力于生態(tài)-農(nóng)業(yè)-健康研究發(fā)展與創(chuàng)新應用，為農(nóng)、林、草、生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)地球科學研究提供近地遙感與無人機遙感全面解決方案和技術服務。
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