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传感生物多样性——遥感对生物个体的监测

已有 7164 次阅读 2014-10-21 16:35 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记|关键词:传感,生物多样性,遥感,有机体| 遥感, 生物多样性, 有机体, 传感

经常有人会问我,如何用遥感监测生物多样性变化?按照传统的认识,遥感主要在大尺度研究中见长,而对于生物个体(有机体)的观测是无能为力的,因为遥感只是一台安装高倍望远镜的大幅面相机,不是放大镜和显微相机。但目前这个认识要更新了,最近阅读的几篇文章挑战了我的传统认识,更惊讶的是遥感正考虑对地面生物个体的直接监测

生物多样性保护是一个公众关注的重大问题。人类健康与生物多样性之间的联系越来越强烈。科学证据表明,人类生存依赖于生物多样性的许多方面,特别是生态系统结构与功能及它们所提供的服务。生物多样性丧失是一个全球变化的问题,其后果可能会超过气候变化的影响。然而,在生物多样性关键问题方面有限的数据持续限制着这种保护努力。有效的生物多样性保护需要对生物多样性元素(如生态系统的条件或物种的数量与鉴定)以及快速了解它们随时间改变的情况。

遥感涉及在轨道卫星和飞机平台上广泛的工具和技术。它可直接观察大尺度的生态系统和大型生物,为生物多样性描绘更广泛的环境状况,跟踪气候和其他导致生物多样性变化的因素(通常用于生态模型),并使生物多样性监测具有一致的观测时间和空间。在过去的60年中,地球观测已经从空中摄影研究发展到高科技的机载三维成像技术,并进行以卫星为基础的全球监测。受地球的性质和过程变化所需的定量和丰富数据的驱动,这些技术已经得到了长足发展。在生物圈遥感领域,主要集中于土地覆盖与土地利用变化、包括火灾等生态干扰,以及植被光吸收等基本的生物物理特性。遥感专家可能不熟悉诸如“类群”、“无脊椎动物”或“保护缺失区分析”这样的术语,而生物多样性专家可能没有意识到许多现存的卫星传感器可用于基于遥感的生物多样性测绘活动。遥感学家也许不知道,栖息地的边界和土地覆盖类型并不总是或者很少相关的。生物多样性专家可能需要知道从遥感所提取的信息不仅仅是土地覆盖或植被指数。遥感专家需要了解,来自生物多样性保护领域的管理者和决策者所需的地图和信息产品是可供不熟悉自然科学的公共机构和公众了解的。生物多样性社区需要提供有关动植物栖息地边界条件的信息适合进行遥感分析。然而,近年来,这种兴趣在生物多样性监测中迅速蔓延开来。遥感科学可在许多方面帮助保护生物学与环境管理,这两个在历史上一致分属不同研究群体的人现在终于走到一起了,这种同步对改善用遥感数据来支持环境管理决策的潜力是非常重要的。

这无疑在生物多样性监测中提出了一个巨大挑战,我们可反思那些在全球范围内广泛使用的相关卫星数据。主要的遥感传感器,如NASA的MODIS和Landsat,一直是推动生物多样性监测的前沿。一些研究通过结合地球观测数据和明确的气候与地质信息,寻找栖息地监测的新方式。这些结果是非常强大的,因为它们揭示了控制生物多样性的基本非生物联系,从物种到生态系统,从分类组成到物种间的功能变化。

生物学家显然有对畜群分布、迁徙途径和其他大型哺乳动物的生境条件的需求,但是一般直接监测哺乳动物的研究很少。许多对遥感解译的研究主要集中分析其特征和评估哺乳动物栖息地的变化,而不是对动物个体或群体的直接观察。虽然这对具有明确栖息地偏好的哺乳动物及其他动物来说不失为一种有效的方法,但我们必须知道,一些物种会利用不只单一的植被类型,也不会与单一的栖息地直接相关。

因此,在生物多样性分析中可从遥感数据所获得的相关信息通常是间接的,特别是对动物的研究,即使最高分辨率的星载传感器也允许难于对目标动物进行直接观测。许多评估大型鸟类种群的研究利用的是机载数据,而不是卫星遥感数据。因此,这些研究通常只能获得描述某个物种栖息地的变量。每种动植物物种都有确定的栖息地范围,包括温度、降水量、海拔或地形的限制,资源可用性(土壤类型、食物、猎物),以及与其他物种(包括人类)的接近程度。如果用这些变量来定义栖息地边界,那么遥感技术就可以帮助我们提取出来而制图。

“生物多样性”这个术语涵盖从基因到整个生物群落的组成与功能变化的各种生命形式。首先,“有机体”水平方面的遥感工作开始增长对植物物种进行大尺度制图和分析曾经被认为是不可能的,但现在这些滚滚而来的方法和应用正将这变成现实。比如,光探测与测距激光雷达(LiDAR)和成像光谱技术(也称为高光谱遥感)对有机体的遥感工作。激光雷达可获取对植被的定量三维视图,揭示林冠高度、分枝、叶面分布及其他属性。新型激光雷达的研究显示出检测和绘制物种与群落的能力正在迅速扩张,而且通常具有较高的精度和准确性。

激光雷达展示出通过冠层结构分析生物多样性的可能,而成像光谱技术则另辟蹊径,可通过详细的反射特性或“光谱特征”来分析植物。所有植物冠层的光谱特征,都是由多种因素决定的,包括叶片的总量、叶片的角度分布和叶片的化学成分。还有一些研究将激光雷达和成像光谱技术结合起来突破对有机体遥感的限制,以获得高精确度的物种制图(图1)。这样的组合区分不同的物种和生态系统类型与条件是强大的工具。雷达微波可以穿透云层,而通常在生物多样性丰富的潮湿热带地区则是多云的。在沿海地区,光谱仪和水深激光雷达,合并透水绿色激光,可直接监测海草、珊瑚礁和其他浅层底栖栖息地的特征。这些机载光谱仪—激光雷达/雷达组合,可以作为生物多样性轨道卫星的先驱提供生态系统组成、结构和功能的详细视图。这种制图为曾经被认为是遥不可及的应用打开了大门,如植物群落组成的详细地理分析,β-和γ-多样性,特定物种的生物量和模式。

图1 巴拿马雨林的三维光谱图像,通过融合激光雷达波形和来自卡耐基机载天文台的高保真成像光谱仪测量。形象地揭示了热带雨林详细的生物、功能和结构的多样性,不同颜色表示在共存的树木和藤蔓叶中生长和防御物质的变化。


一些生物多样性研究和保护的工作充分利用了全球卫星数据,这些数据的空间分辨率大多是1公里及以上(通常用于气候研究)。大多数的这些工作包括了对生物多样性的间接遥感。在这些方法中,气候参数如温度、植被指数等综合植被测量,或植被三维结构的观测都可输入到模型中。不管是用于生态位模型中的物种数据,还是机制模型中有机体的生理和/或种群统计学信息,遥感数据都可用于评估物种的分布和丰度。例如,Pearson等使用模拟的气候变量和遥感的土地覆盖和地表数据,在生态位-种群统计耦合模型中采用空间和种群统计变量估算了气候变化的灭绝风险。在物种分布建模中如何合理使用遥感数据是具有挑战性的,因为这需要联合地理学家和生态学家开发的工具。这样做需要关注样本大小和遥感与生态数据的特性,匹配观测尺度和调查中的现象,确定一些物种的缺失信息是否需要,并明确建模的目的是什么。

上周(2014-10-17)Science上发表了一篇文章“Sensing biodiversity”(传感生物多样性),则从另外一个角度讨论了遥感监测生物多样性的问题:将卫星遥感和航空遥感与原位传感器联网,使生物多样性许多元素的变化随时间被跟踪记录下来,最大限度地发挥其保护潜力(图2)。如果能充分利用公民科学, 将一些监测众包给各位爱好者,那最终的效果将更为吸引人。


图2 传感器的威力。将卫星遥感和航空遥感与原位传感器联网,将使生物多样性许多元素的变化将随时间被被跟踪记录下来。


遥感越来越需要原位传感器的帮助,如放置在静止物体上的摄像头或小型无人机、录音机、手机、电子标签,以及直接从环境中获得的遗传物质的片段(fragments of genetic material)。来自气候研究卫星的数据其尺度通常太粗了,不能直接用于观察生物多样性的重要元素。然而,机载设备和一系列私营卫星的快速增长,用于在线地图的数据,可直接感知和识别生物,包括巨大的树冠上甚至大的哺乳动物和鸟类。这些仪器的像素大小通常50厘米到数米。比如,有研究者使用了从三个这样的卫星获得的图像来估计帝企鹅的全球种群。他们发现了四个新的集群并确认三个位置是以前曾有疑问的站点,一般通过调查确定全球某个区域繁殖群体的总数时是非常困难的。关注物种的全球种群进行估计是保护措施中的一个关键问题。对这个问题来说,分离企鹅、雪、阴影和鸟粪是独特的,需要类似的工作,但这项研究表明,正有越来越多工作在使用遥感来区分有机体与其周围环境。

非常高空间分辨率的传感器通常要获得更高空间分辨率的数据,其对地表覆盖就要窄得多,这对组装成全球等大范围数据集颇具挑战性。此外,这些商用数据集的成本可能会增加保护预算。成像光谱仪或高光谱传感器提供非常高的光谱(对比空间)分辨率。本质上它们能生成从可见光到短波红外波段的连续光谱,大多政府或商用航拍飞机都是如此。数米至数十米分辨率的光谱反映了冠层植被和海洋浮游植物的独特化学性质。在最后的卫星产品中,科学家可以区分一些生态学特性,甚至地面和水里的属和物种,可对这些种类进行制图,还能描述相关生态系统的组成和功能。

随着机载和天基遥感的发展,原位传感的发展特别引人注目。陆生和水生动物的传输标签(Transmission tags)、相机陷阱(camera trap,作为野外调查的一种非损伤性技术手段,在传统调查方法难以实现的情况下表现出极大优势,被广泛应用于野生动物生态学和保护学研究中)、录音设备、遥控无人机,以及淡咸水域和土壤中环境DNA的收集可直接观察生物,甚至生物多样性的微生物组成。这些方法也提供有关动物行为的信息、丰富度和群落组织的信息。这些传感器的体积小,为地球陆地景观和海洋景观提供了潜在的近乎无所不包的传感设备。公民科学进一步增长细微尺度生物多样性的观测。这些原位数据提供了在基因、物种和一些生态系统水平的洞察力,这些尺度对遥感来说还是困难重重。原位传感因此带来了细微尺度的生物多样性信息,可用于更广泛的状况,并成为遥感所获得的环境驱动因子的测量。它还可以生成生物多样性观测所急需的时间序列,补充遥感时间系列的测量,例如跨越几十年的土地覆盖和海洋表面温度。

来自卫星、飞机和原位传感器的数据,覆盖广泛的空间尺度。协同使用这些遥感数据需要复杂的网络和地统计分析来填补精细尺度有机体或基因观察与生态系统尺度观测的差距。将生物多样性观测与变化有关的更广泛的环境驱动因子的数据联系起来,类似的网络是必须的。未来,尺度并非唯一的问题,大量的传感器类型用来测量生物多样性元素,甚至在同一空间尺度有更复杂的网络,也有来自模型的信息集成。这种类型第一个程序化的网络正在被创建。在美国全国生态观测站网络(NEON)建设中,提出将全国台站的原位采样与机载和卫星遥感链接起来,这仍需要设计一些卫星组件。国际地球观测组织(GEO)伙伴,特别是其旗下的全球生物多样性观测网络(GEO BON),是由国家政府第一次尝试共同协调卫星、航空、生物多样性元素跨基因、物种和生态系统的原位观测,这一努力对在生物多样性公约和政府间生物多样性和生态系统服务平台背景下实现政府义务来评估国家生物多样性是至关重要的。

展望未来,最深刻和最具社会重要性的生物多样性制图,将集中于人类活动的直接(即土地覆盖变化)和间接(即气候变化)影响如何改变我们的生物圈组成,以及物种组成的变化如何通过生态系统来调解给人类的服务。通过这样的认识,我们不仅能更深刻地体会到我们这个星球惊人的生物多样性,而且我们还能更清晰和定量地认识到生物多样性对人类的生存是多么重要。

 

参考文献

[1] Science 17 October 2014: Vol. 346 no. 6207 pp. 301-302, DOI: 10.1126/science.125

[2] Remote Sensing 2013, 5(1), 374-376; doi:10.3390/rs5010374

[3] Remote Sensing for Conservation: uses, prospects and challenges. http://remote-sensing-biodiversity.org/zsl-symposium

[4] Earth observation satellite sensors for biodiversity monitoring: potentials and bottlenecks, International Journal of Remote Sensing, 2014, Vol. 35, No. 18, 6599–6647, http://dx.doi.org/10.1080/01431161.2014.964349



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