高光譜近地遙感與無人機遙感技術應用于草原監測

地生態系統作為一種重要的生態系統，為草地碳循環、水循環及生物多樣性提供基礎保障。在過去一段時間內，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。尤其是生態脆弱的高海拔地區，草地破壞后自我修復能力極弱，嚴重影響當地生態環境，制約生態文明建設。

易科泰生態技術公司致力于“生態-農業-健康”上先進儀器技術引進推廣、技術研發集成、科研合作與技術服務，為草地生態環境修復、草地退化監測防治、生物多樣性保護、生態環境實驗研究與監測、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、高效地監測草地生態系統現狀、監控草地碳水循環、識別入侵生物、了解生態退化動態過程及研究生物多樣性，對分析預防草地生態退化、評估草原火災風險、提高生態系統穩定性，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測

內布拉斯加大學在美國內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（以變異系數表示)與α多樣性(以物種豐富度和Shannon指數表示）之間的關系。實驗數據采用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)內布拉斯加州中部伍德河以南中央普拉特河生態系統內研究區的真彩色組合；

(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)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造成嚴重的破壞，也對動植物生命安全及經濟造成不可挽回的損失。準確對草地進行火災預警對生態文明建設和社會穩定都有著重要的作用。意大利IASMA研究和創新中心利用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，草地生態系統受到了嚴重的影響，主要表現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系統動態的關鍵。

德國卡爾斯魯厄理工學院地理和地理生態學研究所論證了無人機高光譜數據未來應用于半自動野外調查的可能性，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，且發現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

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。

東京大學農業和生命科學研究所Jun Ishii等人，使用Aisa機載高光譜成像系統，采集分析了兩組高光譜遙感參數“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集的模型之間是相同的。兩種具有高發生率和豐度的物種——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模擬當地大量的瀕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）、研究區的下層植物(b、c)

圖4-2. 研究區高光譜RGB合成圖（a）、鈍葉拉拉藤及瓶爾小草豐度等級預測圖（b、c）

易科泰生態技術公司致力于生態-農業-健康研究發展與創新應用，為農、林、草、生態環境、地質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。