遙感技術(shù)在生物多樣性保護(hù)中的作用與實(shí)踐

　　◆郭慶華

　　在全球環(huán)境面臨多重壓力的背景下，生物多樣性保護(hù)也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2020年世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）的評(píng)估結(jié)果顯示，全球有41%的兩棲類、26%的哺乳動(dòng)物和14%的鳥類處于受威脅狀態(tài)，全球生物多樣性普遍受到威脅的形勢還在持續(xù)惡化。要做好生物多樣性保護(hù)工作，依賴于對(duì)生物多樣性變化的準(zhǔn)確監(jiān)測和有效評(píng)估。只有采用科學(xué)、先進(jìn)的觀察和量化方法，才能有效制定和實(shí)施保護(hù)策略，從而應(yīng)對(duì)當(dāng)前的環(huán)境挑戰(zhàn)。在這個(gè)過程中，現(xiàn)代化遙感技術(shù)發(fā)揮著重要作用。

　　近地面遙感技術(shù)助力生物多樣性監(jiān)測

　　在全球生物多樣性保護(hù)領(lǐng)域，地球觀測組織生物多樣性觀測網(wǎng)絡(luò)提出了一套核心監(jiān)測指標(biāo)（Essential Biodiversity Variables, EBVs），旨在為生物多樣性保護(hù)和管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠通過大面積、長時(shí)間序列的監(jiān)測，提供關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的信息基礎(chǔ)，對(duì)理解全球生物多樣性的變化趨勢至關(guān)重要。然而，衛(wèi)星遙感時(shí)空分辨率較低，難以細(xì)致刻畫生態(tài)系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)信息，限制了在更加精細(xì)層面上對(duì)生物多樣性的理解，尤其是在較小尺度的生態(tài)研究中。

　　近地面遙感的出現(xiàn)彌補(bǔ)了上述不足，主要通過低空平臺(tái)，如無人機(jī)、飛艇，以及地面設(shè)備，如觀測塔、三腳架、車輛或人員攜帶儀器來收集高精度遙感數(shù)據(jù)。遙感平臺(tái)常用的傳感器包括三類：光學(xué)傳感器、微波雷達(dá)傳感器以及激光雷達(dá)傳感器。受限于近地面平臺(tái)的載荷能力，與傳統(tǒng)的星載與機(jī)載平臺(tái)相比，近地面平臺(tái)可搭載的傳感器類型較少，其中近地面平臺(tái)的微波遙感傳感器目前商用化程度較低，在生物多樣性監(jiān)測領(lǐng)域鮮有應(yīng)用。

　　光學(xué)傳感器主要包括高分相機(jī)、多光譜成像儀以及高光譜成像儀。其中，高分相機(jī)能夠通過影像和視頻進(jìn)行陸地動(dòng)物分布、遷徙模式的調(diào)查，也能夠?qū)�淺海海域海洋動(dòng)物的捕食及運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行監(jiān)測。多光譜與高光譜傳感器作為最常用的遙感傳感器，能夠獲取可見光、近紅外和短波紅外波段在內(nèi)的數(shù)據(jù)，捕獲植被不同譜段的反射特性，從而能夠反演植被的生化組分。高光譜能夠提供納米級(jí)的光譜分辨率，擁有極其豐富的光譜信息，能夠通過表征植物冠層性狀反映其植被分類/系統(tǒng)發(fā)育多樣性，也能夠評(píng)估水生生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)與棲息地狀況，還能夠識(shí)別并監(jiān)測水生植物和藻類的分布和多樣性，為陸生、水生植被多樣性保護(hù)提供重要數(shù)據(jù)支持。

　　激光雷達(dá)傳感器通過發(fā)射激光脈沖繪制高分辨率的三維模型，能夠更有效、更精準(zhǔn)地描繪目標(biāo)環(huán)境的結(jié)構(gòu)，使其成為生物多樣性監(jiān)測中更為常用的主動(dòng)遙感手段。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，激光雷達(dá)能夠精確測量樹木的高度、冠層結(jié)構(gòu)和生物量，從而為森林健康狀況和生物多樣性的評(píng)估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。通過分析森林激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，研究人員可以區(qū)分不同的植物群落，有助于識(shí)別不同的植被類型和物種多樣性。激光雷達(dá)與其他遙感技術(shù)的集成進(jìn)一步增強(qiáng)了監(jiān)測能力。激光雷達(dá)與多光譜相結(jié)合能夠更加精準(zhǔn)地評(píng)估植被的生物量和碳儲(chǔ)量，而激光雷達(dá)與高光譜的結(jié)合能夠顯著提高植被多樣性的分類精度與棲息地評(píng)估的準(zhǔn)確性。

　　近地面遙感技術(shù)通過獲取高時(shí)空分辨率的遙感數(shù)據(jù)，能夠更加精準(zhǔn)地進(jìn)行樣地—景觀尺度的生物多樣性監(jiān)測與評(píng)估。同時(shí)，其觀測尺度能夠在地面觀測、衛(wèi)星遙感之間建立有效鏈接。

　　融合多平臺(tái)激光雷達(dá)技術(shù)尋找亞洲最高樹

　　北京大學(xué)的課題組構(gòu)建了一套集成多平臺(tái)激光雷達(dá)技術(shù)的巨樹尋找與測量框架，該框架利用星載、近地面（無人機(jī)與背包）激光雷達(dá)技術(shù)精準(zhǔn)定位巨樹并詳細(xì)提取其結(jié)構(gòu)參數(shù)。團(tuán)隊(duì)通過自主開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)插值方法，結(jié)合GEDI、ICESat-2 ATLAS和Sentinel-2等星載激光雷達(dá)與光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，生成中國30米分辨率森林冠層高度分布圖，顯示藏東南區(qū)域冠層高度較為突出，是最有可能出現(xiàn)最高樹的區(qū)域。

　　在國家林草局及林芝市林草局的支持下，北京大學(xué)郭慶華團(tuán)隊(duì)與呂植團(tuán)隊(duì)、西子江生態(tài)保育中心、山水自然保護(hù)中心以及北京數(shù)字綠土科技股份有限公司共同組成了聯(lián)合調(diào)查隊(duì)，利用無人機(jī)和背包激光雷達(dá)對(duì)潛在巨樹分布區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集與分析，獲取完整的三維點(diǎn)云模型，對(duì)巨樹所在森林進(jìn)行林分尺度與個(gè)體尺度的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息（樹高、胸徑、冠幅等）快速準(zhǔn)確獲取。

　　聯(lián)合調(diào)查隊(duì)在墨脫、察隅、波密發(fā)現(xiàn)了多個(gè)巨樹群落。其中，在波密縣發(fā)現(xiàn)了一片覆蓋面積超過22.4公頃的巨樹聚生區(qū)域，包含108棵高于70米的巨樹，其中34棵高于85米。與此同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一棵102.3米的西藏柏木，其高度刷新了按樹種排名的世界最高樹列表，成為了僅次于美國海岸紅杉的世界第二高樹種，同時(shí)也成為目前已知的亞洲第一高樹。這些巨樹的發(fā)現(xiàn)也使雅魯藏布大峽谷成為了新的世界巨樹分布熱點(diǎn)區(qū)域。

　　巨樹具有數(shù)百甚至數(shù)千年的樹齡，具有極高的生態(tài)和保護(hù)價(jià)值。同時(shí)它們?yōu)楦缴�植物、昆蟲和小型哺乳動(dòng)物提供了豐富的生境，對(duì)維護(hù)生物多樣性至關(guān)重要。此次調(diào)查的西藏柏木被列為我國一級(jí)保護(hù)植物，應(yīng)用多平臺(tái)激光雷達(dá)技術(shù)，能夠精確探測西藏柏木的分布位置、種群數(shù)量及其林分和個(gè)體的具體形態(tài)和生長狀況，這對(duì)于制定有效的保護(hù)措施至關(guān)重要。

　　讓創(chuàng)新成果更好服務(wù)生物多樣性保護(hù)

　　目前，遙感技術(shù)已成為生物多樣性保護(hù)中必不可少的工具之一。然而，現(xiàn)有的遙感手段在面對(duì)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與生物多樣性評(píng)估時(shí)，仍然需要提升時(shí)空分辨率，增強(qiáng)數(shù)據(jù)收集與分析能力，發(fā)展并應(yīng)用新的傳感技術(shù)。目前生物多樣性領(lǐng)域所需的軟硬件設(shè)備還大量依靠國外產(chǎn)品，但已有部分國內(nèi)的創(chuàng)新型企業(yè)研發(fā)出擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硬件設(shè)備與算法軟件。

　　因此，要鼓勵(lì)民間資本、國內(nèi)創(chuàng)新企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，堅(jiān)持自主化原則，利用學(xué)術(shù)專長促進(jìn)技術(shù)開發(fā)和商業(yè)規(guī)模化，推動(dòng)研究創(chuàng)新加速轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步提升我國科技的硬實(shí)力和軟實(shí)力。同時(shí)，要關(guān)注人工智能與大模型在生物多樣性領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步提高生物多樣性監(jiān)測數(shù)據(jù)信息提取的效率與精度，讓創(chuàng)新成果能夠更好地服務(wù)于生物多樣性保護(hù)工作。

　　作者系北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院遙感與地理信息系統(tǒng)研究所所長、教授