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新一代遥感技术助力生态系统生态学研究
植物生态学报
2020, 44 (4):
418-435.
DOI: 10.17521/cjpe.2019.0206
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。  View image in article
图2
近地面遥感平台在森林生态系统获取的数据示意图。激光雷达数据中颜色代表高程的高低, 蓝色代表低,红色代表高。
正文中引用本图/表的段落
生态系统生态学研究需要来自生物和非生物等多方面的观测数据, 不断更新和发展的遥感技术为全面、精细、长期地开展生态系统生态学研究提供了数据基础和技术储备。近地面遥感是近几年来兴起的遥感技术, 主要指利用低空飞行的无人机、飞艇以及地面上固定或移动的载具, 如塔台、脚架、汽车、人等, 来获取遥感数据(郭庆华等, 2016)。与传统的卫星遥感和航空遥感相比, 近地面遥感观测尺度更小, 可获取生态系统-景观尺度的高时空分辨率遥感信息(图2), 为地面观测、航空遥感和卫星遥感之间搭建起信息推绎的可靠桥梁(李德仁和李明, 2014), 为实现生态系统“天-空-地”的全面观测提供遥感平台的补充和支撑。无人机机动灵活, 受自然环境的约束小且成本低, 易操作, 在群落结构的空间分布格局及其动态监测(Jung et al., 2012; Palminteri et al., 2012), 物种识别(Vermeulen et al., 2013; Husson et al., 2014), 生境调查(Pimm et al., 2015; Hamylton, 2017), 生物多样性监测(Tews et al., 2004; Getzin et al., 2012; Zhang et al., 2016)和生态系统管理(Richardson et al., 2009a; Otero et al., 2018)等方面得到了广泛的应用。依托于样地监测的高塔, 通过搭载相机、激光雷达、叶绿素荧光等传感器能够对样地尺度的生态系统物候、垂直结构和生产力等实现高频次的监测(Hilker et al., 2011), 从新的视角揭示生态系统物候、结构和生产力年际间的动态变化, 更深刻地理解生态系统过程及其形成机制。地面固定或移动式遥感观测尺度与传统地面调查一致, 获取的遥感数据精度最高, 部分监测数据有望代替传统地面调查, 如背包和基地激光雷达获取的胸径和树高信息(Dassot et al., 2011; Srinivasan et al., 2015; Brede et al., 2017)。此外, 探地雷达、地基和背包激光雷达能够无损地获取一些通过破坏性采样才能得到的参数, 如粗根分布和生物量、树木精细枝干结构等。近地面遥感的各平台有机结合将实现全方位、多尺度、定量化的生态系统监测, 为更深刻地理解生态系统结构和过程提供数据支持。
本文的其它图/表
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