無(wú)人機(jī)遙感在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展
1 無(wú)人機(jī)遙感的歷史和現(xiàn)狀
1.1 發(fā)展歷程
1916年9月12日, 一架由英國(guó)人研制的無(wú)線電操控的無(wú)人機(jī)首次試飛, 標(biāo)志著無(wú)人機(jī)發(fā)展的開始。到2016年為止, 無(wú)人機(jī)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了100年的歷史。總的來(lái)說, 無(wú)人機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)階段[7]：(1)靶機(jī)起步階段(1916—1963年)：這個(gè)階段無(wú)人機(jī)主要在軍事領(lǐng)域用于作靶機(jī)。(2)初步實(shí)用階段(1964—1990年)：無(wú)人機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到越南戰(zhàn)爭(zhēng)、海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等中, 大大減少了戰(zhàn)爭(zhēng)空軍傷亡率。與此同時(shí), 無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域也開始了應(yīng)用嘗試。(3)迅速崛起階段(1991—2009年)：這個(gè)階段無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域越來(lái)越多地運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)中。例如, 2008年我國(guó)將無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用于凍雨災(zāi)害和汶川地震, 為決策部門提供了重要的基礎(chǔ)資料。(4)全民應(yīng)用階段(2010年至今)：目前無(wú)人機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面, 成為促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。2015年我國(guó)遙感應(yīng)用專業(yè)級(jí)輕小型無(wú)人機(jī)已超過3000架, 估計(jì)未來(lái)5年的裝備需求總量超過30000架
1.2 系統(tǒng)組成
無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由地面系統(tǒng)、飛機(jī)系統(tǒng)和任務(wù)載荷三大系統(tǒng)組成, 其中最重要的飛機(jī)系統(tǒng)由飛控、導(dǎo)航、動(dòng)力、數(shù)據(jù)鏈和機(jī)體這幾大子系統(tǒng)組成。(1)飛控系統(tǒng)連接機(jī)身上大量的傳感器(包括角速率、姿態(tài)、位置、加速度、高度和空速等), 是無(wú)人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場(chǎng)回收等整個(gè)飛行過程的核心系統(tǒng)。(2)導(dǎo)航系統(tǒng)向無(wú)人機(jī)提供參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài), 引導(dǎo)無(wú)人機(jī)按照指定航線飛行。(3)動(dòng)力系統(tǒng)：不同用途的無(wú)人機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置的要求不同, 但都希望發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、重量輕、成本低、工作可靠。(4)數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對(duì)無(wú)人機(jī)遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和傳感器傳輸。
1.3 分類與選型
無(wú)人機(jī)按照其使用功能、氣動(dòng)布局、質(zhì)量、動(dòng)力等可以分為不同的類型。按使用功能劃分, 可以分為軍用、民用和消費(fèi)無(wú)人機(jī)。用于科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)、測(cè)繪等的多為民用無(wú)人機(jī), 而用于個(gè)人航拍、游戲等休閑用途的多為消費(fèi)無(wú)人機(jī)。目前市面上的無(wú)人機(jī)種類繁多, 常見的民用的無(wú)人機(jī)可以根據(jù)氣動(dòng)布局和動(dòng)力分為4種：油動(dòng)固定翼、電動(dòng)固定翼、油動(dòng)旋翼(單旋翼為主)、電動(dòng)旋翼(多旋翼為主)(圖 1)。當(dāng)然, 即便是同種類型無(wú)人機(jī), 性能參數(shù)差異也會(huì)非常大, 如機(jī)型(固定翼)、旋翼數(shù)量(旋翼)、飛控系統(tǒng)、載荷的體積和重量、續(xù)航時(shí)間、飛行速度、海拔高度、抗風(fēng)能力、起飛降落方式等。無(wú)人機(jī)的選型需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求而具體分析。幾張主要民用無(wú)人機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)分析見表 1。
圖1 4種主要民用無(wú)人機(jī)類型
4種主要民用無(wú)人機(jī)類型的優(yōu)劣勢(shì)分析
| 表 1 4種主要民用無(wú)人機(jī)類型的優(yōu)劣勢(shì)分析 | ||
| Table 1 Advantages and disadvantages of four main types of civilian drones | ||
| 無(wú)人機(jī)類型 Types | 優(yōu)點(diǎn) Advantages | 缺點(diǎn) Disadvantages |
| 油動(dòng)固定翼 Fuel fixed-wing | 體型大, 續(xù)航能力強(qiáng)(超過2 h), 抗風(fēng)強(qiáng)(一般6級(jí)風(fēng))。飛行速度快, 適合大范圍區(qū)域的遙感調(diào)查, 一般大于10 km2 | 安全隱患大, 不適合在人口密集的區(qū)域飛行, 起降場(chǎng)地要求非常空曠, 一般需要彈射架, 甚至跑道 |
| 電動(dòng)固定翼 Electric fixed-wing | 飛行速度較快, 適合中小范圍區(qū)域的遙感調(diào)查, 一般大于1 km2, 小于10 km2。相比油動(dòng)固定翼更便攜 | 體型小, 載重小, 抗風(fēng)弱(一般3—5級(jí)風(fēng))。續(xù)航能力相比油動(dòng)的弱, 一般能飛0.5—1 h左右 |
| 油動(dòng)旋翼 Fuel rotor | 可定點(diǎn)懸停, 適合定點(diǎn)拍攝或者錄制視頻, 垂直起降對(duì)起降場(chǎng)地要求低。相比電動(dòng)多旋翼, 載重大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng) | 飛行速度慢。體型較大, 機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 對(duì)操控和維護(hù)要求較高, 安全性上不如電動(dòng)多旋翼 |
| 電動(dòng)旋翼 Electric rotor | 可定點(diǎn)懸停, 垂直起降對(duì)起降場(chǎng)地要求低。安全程度較高, 便于攜帶 | 飛行速度慢, 載重小, 續(xù)航能力差, 一般能飛10—30 min |
1.4 無(wú)人機(jī)遙感傳感器
為了充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì), 常用的無(wú)人機(jī)往往十分輕小, 這一特性決定了無(wú)人機(jī)搭載的遙感傳感器同樣要求重量輕、體積小。最常見的高分相機(jī)是普通的家用數(shù)碼相機(jī)。例如：總重2.5 kg的美國(guó)Trimble UX5無(wú)人機(jī)搭載的是索尼微單數(shù)碼相機(jī), 而總重630 g的瑞士SenseFly eBee無(wú)人機(jī)搭載的是佳能卡片機(jī)。多光譜相機(jī)種類較少, 如：Tetracam公司的減重版六波段Mini-MCA(630 g)和Micro-MCA(530 g)、FLIR公司的VUE型熱紅外成像儀(100 g)、RIEGL公司的無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)VUX(4.5 kg)。無(wú)人機(jī)遙感傳感器與無(wú)人機(jī)共同推動(dòng)了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展。
2 輕小型無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)及其研究方法
2.1 輕小型無(wú)人機(jī)遙感的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
近幾年來(lái), 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的快速發(fā)展使得獲取實(shí)時(shí)的高精度遙感影像數(shù)據(jù)成為可能。與傳統(tǒng)的遙感技術(shù)和平臺(tái)相比, 輕小型無(wú)人機(jī)遙感具有以下優(yōu)勢(shì)：
(1) 高分辨率：無(wú)人機(jī)能夠從地面幾米高處獲取足夠高分辨率地面影像的能力(可達(dá)到厘米級(jí)), 彌補(bǔ)了衛(wèi)星因天氣原因無(wú)法獲取或者圖像分辨率低的不足。
(2) 高時(shí)效性：無(wú)人機(jī)能第一時(shí)間獲取資源變化數(shù)據(jù), 如：可以及時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)雪災(zāi)害、森林火災(zāi)、采伐等自然和人類干擾后森林的更新和演替情況。無(wú)人機(jī)也可以實(shí)時(shí)傳輸影像到地面終端或在較短時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的調(diào)查, 將影像導(dǎo)入電腦后用專業(yè)處理軟件可以快速處理, 整個(gè)過程可以在幾天內(nèi)完成。
(3) 云層下成像：無(wú)人機(jī)具有可在云下低空飛行能力, 彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。
(4) 移動(dòng)性能高：無(wú)人機(jī)平臺(tái)體積小, 較為輕便, 移動(dòng)性能好, 在運(yùn)輸、保管環(huán)節(jié)上與有人飛機(jī)遙感平臺(tái)相比可以節(jié)省不少的費(fèi)用。
這些優(yōu)點(diǎn)使得無(wú)人機(jī)正逐步成為衛(wèi)星遙感、有人機(jī)遙感和地面遙感的有效補(bǔ)充, 在大地測(cè)量、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域獲得迅速發(fā)展。基于ISI Web of Science文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù), 我們對(duì)無(wú)人機(jī)遙感相關(guān)論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖 2), 在2000—2016年11月7日之間在所有研究領(lǐng)域共發(fā)表416篇相關(guān)論文, 其中370篇(90%)是在2011年以后發(fā)表的, 198篇(48%)是在2015年和2016年發(fā)表的, 表明無(wú)人機(jī)技術(shù)正在最近幾年以井噴的速度迅速地應(yīng)用到科學(xué)研究中。Nature和Science等雜志也分別報(bào)道了無(wú)人機(jī)在科學(xué)研究中的潛力。
圖 2 基于ISI Web of Science的無(wú)人機(jī)遙感相關(guān)論文數(shù)量統(tǒng)計(jì)
灰色區(qū)域代表每年發(fā)表的無(wú)人機(jī)遙感相關(guān)的總的文章數(shù)量, 紅色區(qū)域代表了每年發(fā)表的論文中屬于以下幾個(gè)研究領(lǐng)域的論文：環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物科學(xué)、生物多樣性保護(hù)、動(dòng)物學(xué)和林學(xué)
2.2 輕小型無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的主要工作流程
基于輕小型無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)工作主要由3個(gè)部分組成, 分別是前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)獲取和后期數(shù)據(jù)處理與分析。在前期準(zhǔn)備階段, 主要包括飛行空域申請(qǐng), 根據(jù)氣象預(yù)報(bào)或?qū)嶋H天氣情況判定飛行條件, 根據(jù)地形、障礙物選擇起降場(chǎng)地, 根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍、重疊度、分辨率等要求設(shè)定飛行航線。在數(shù)據(jù)獲取階段, 執(zhí)行飛行并實(shí)時(shí)監(jiān)控與飛行安全密切相關(guān)的參數(shù)。后期數(shù)據(jù)處理與分析階段包括圖像拼接、幾何校正、信息提取與分析等, 具體的內(nèi)容取決于無(wú)人機(jī)搭載的遙感設(shè)備的要求。
3 無(wú)人機(jī)遙感在生態(tài)學(xué)中的發(fā)展現(xiàn)狀
在生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)領(lǐng)域, 無(wú)人機(jī)遙感相關(guān)的研究工作剛剛起步。在2001—2016年10月之間在生態(tài)學(xué)、生物多樣性保護(hù)、環(huán)境科學(xué)和林學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)共發(fā)表 95篇相關(guān)SCI論文, 其中70篇(74%)是在2013年以后發(fā)表的。Koh和Wich 對(duì)低成本無(wú)人機(jī)技術(shù)在生物多樣性保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述和展望, 并指出“無(wú)人機(jī)生態(tài)學(xué)的時(shí)代開始了”(dawn of drone ecology)。這篇文章的第一作者Lian-Pin Koh博士在2013年的TED演講視頻“A drone′s-eye view of conservation”(http://www.ted.com/talks/lian_pin_koh_a_drone_s_eye_view_of_conservation)進(jìn)一步使得無(wú)人機(jī)生態(tài)學(xué)的概念在生態(tài)學(xué)家、保護(hù)生物學(xué)家和公眾中流行起來(lái), 該視頻到2016年10月為止在TED網(wǎng)站上已經(jīng)被觀看超58萬(wàn)次。Anderson和Gaston 在美國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)刊物《Frontiers in Ecology and the Environment》上對(duì)輕小型無(wú)人機(jī)在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了更詳細(xì)地介紹, 并預(yù)測(cè)無(wú)人機(jī)遙感將帶來(lái)空間生態(tài)學(xué)的革命(“revolutionize spatial ecology”)。隨后, Whitehead和Hugenholtz和Whitehead等對(duì)小型無(wú)人機(jī)在環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展和存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行了系統(tǒng)地綜述。Paneque-Gálvez等對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)在森林管理中的應(yīng)用進(jìn)行了深入介紹。一些以輕小型無(wú)人機(jī)為平臺(tái)的研究工作也陸續(xù)開展起來(lái), 研究?jī)?nèi)容涉及森林冠層監(jiān)測(cè)、動(dòng)物行為和數(shù)量調(diào)查、生境監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)植物保護(hù)、自然保護(hù)區(qū)管理等。
3.1 植物監(jiān)測(cè)
傳統(tǒng)地基于地面的植物組成與結(jié)構(gòu)調(diào)查由于所獲得的數(shù)據(jù)精度差、人力成本高、覆蓋范圍小等限制, 很難應(yīng)用到較大的取樣面積。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以部分上彌補(bǔ)這些限制, 目前應(yīng)該被嘗試著在植物資源調(diào)查、物候監(jiān)測(cè)、植物病蟲害監(jiān)測(cè)等方面。我們選取了植被垂直結(jié)構(gòu)調(diào)查和物候監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面的案例來(lái)加以說明。
(1) 植被垂直結(jié)構(gòu)調(diào)查：植被的垂直結(jié)構(gòu)對(duì)森林的生物量分配和碳儲(chǔ)量、生產(chǎn)力有著非常重要的影響。同時(shí), 復(fù)雜的冠層結(jié)構(gòu)所形成的垂直分層和生態(tài)位分化為各種生物提供了重要的生境條件和食物資源, 對(duì)許多植物和動(dòng)物群落的多度和分布格局有顯著的影響。然而, 我們對(duì)森林冠層的了解大多只限于定性的分析, 而很少定量的分析。一個(gè)主要的原因是缺乏有效的收集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的方法。輕小型無(wú)人機(jī)的發(fā)展為更有效地測(cè)量植被的垂直結(jié)構(gòu)提供了可能。以我們最近在廣東鼎湖山20 hm2(400 m × 500 m)的常綠闊葉林大樣地的無(wú)人機(jī)調(diào)查為例(圖 3), 我們于2014年采用工業(yè)級(jí)四旋翼無(wú)人機(jī)(型號(hào)：MD4-1000)收集了該樣地范圍內(nèi)所采集的高分辨率(~5 cm)的無(wú)人機(jī)遙感影像, 并結(jié)合地面調(diào)查所獲得的樣地高程數(shù)據(jù), 計(jì)算出樣地林冠層的多個(gè)變量(如：林冠層高度、森林郁閉度、林冠層高度的變異程度等)(圖 3)。然后, 我們通過與地面調(diào)查的植物多樣性數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等相結(jié)合, 對(duì)影響植物多樣性分布的相關(guān)因子的重要性進(jìn)行了數(shù)量上的評(píng)價(jià)。
圖 3 基于一個(gè)20公頃常綠闊葉林樣地的無(wú)人機(jī)調(diào)查
(a)無(wú)人機(jī)起飛場(chǎng)地；(b)由無(wú)人機(jī)獲得的樣地森林冠層的三維點(diǎn)云圖；(c)樣地森林冠層表面模型(CSM)；(d-f)三個(gè)無(wú)人機(jī)收集的高分辨率圖像
(2) 植物物候監(jiān)測(cè)：植物物候是環(huán)境條件季節(jié)和年級(jí)變化最直觀、最敏感的綜合指示器, 是地球與大氣科學(xué)應(yīng)用中研究植物生命周期及其與氣候關(guān)系的一個(gè)重要參量。開展植物物候研究對(duì)于深入研究全球變化及與陸地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系等方面具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的植物物候數(shù)據(jù)采集是通過人工定點(diǎn)目視觀測(cè), 這種方法因覆蓋范圍小、時(shí)間序列短等不足, 難以進(jìn)行較大尺度的物候時(shí)空分析。近年來(lái), 隨著遙感技術(shù)的發(fā)展, 基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的大面積植物監(jiān)測(cè)已經(jīng)獲得較為廣泛地運(yùn)用。然而, 基于衛(wèi)星遙感的植物物候研究還面臨著數(shù)據(jù)分辨率低、噪聲干擾因素較多、物候期識(shí)別方法普適性低、物候研究結(jié)果驗(yàn)證不充分等問題。基于輕小型無(wú)人機(jī)的植物物候監(jiān)測(cè)可以解決地面監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)存在的困難, 但這方面的工作還鮮有報(bào)道。Dandois和Ellis 報(bào)道了他們?cè)诿绹?guó)馬里蘭的一個(gè)50 m×50 m的樣地范圍內(nèi), 用小型無(wú)人機(jī)對(duì)2010年10月至2012年6月之間的植物物候進(jìn)行了監(jiān)測(cè), 通過計(jì)算RGB(紅綠藍(lán))3個(gè)顏色通道的變化來(lái)檢測(cè)植物物候期的變化。Berra等[30]用固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)英國(guó)一個(gè)針闊混交林內(nèi)的植物物候進(jìn)行了近4個(gè)月的詳細(xì)監(jiān)測(cè), 基于RGB3個(gè)顏色通道的信息計(jì)算了單株個(gè)體等級(jí)的綠色色度指數(shù)(Green Chromatic Coordinate colour index), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些個(gè)體之間的展葉時(shí)間存在著較大變異(最大差異為18 d)。
另外, 以輕小型無(wú)人機(jī)為研究平臺(tái), Inoue等在日本東部的落葉闊葉林內(nèi)用小型無(wú)人機(jī)對(duì)倒木進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查, 通過與地面調(diào)查比較, 無(wú)人機(jī)調(diào)查準(zhǔn)確地記錄了80%—90%的胸徑大于30 cm的倒木。Getzin等用無(wú)人機(jī)對(duì)德國(guó)的10個(gè)溫帶森林樣地內(nèi)的林窗進(jìn)行了空間定位, 并勾畫出其形狀和計(jì)算其面積。Messinger等在亞馬遜地區(qū)采集了516 hm2范圍內(nèi)低地森林的無(wú)人機(jī)影像, 并以此對(duì)該區(qū)域的地上生物量進(jìn)行了快速而準(zhǔn)確的估計(jì)。
3.2 動(dòng)物監(jiān)測(cè)
近幾年來(lái), 以輕小型無(wú)人機(jī)為平臺(tái)來(lái)監(jiān)測(cè)動(dòng)物活動(dòng)也開始引起了動(dòng)物生態(tài)學(xué)家的關(guān)注。Chabot和Bird及Christie等分別對(duì)這一研究領(lǐng)域進(jìn)行了非常詳細(xì)的介紹。以下我們從哺乳動(dòng)物和鳥類為例來(lái)加以簡(jiǎn)單的總結(jié)。
(1) 哺乳動(dòng)物：目前用無(wú)人機(jī)對(duì)哺乳動(dòng)物的調(diào)查主要集中在體型較大的動(dòng)物。例如, Vermeulen等在非洲西部用無(wú)人機(jī)對(duì)非洲象(Loxodonta africana)種群進(jìn)行了調(diào)查, 在4條樣帶上共調(diào)查到34頭大象(圖 4)。Israel用無(wú)人機(jī)裝載熱紅外相機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)狍子(Capreolus capreolus)的活動(dòng)。Watts等用無(wú)人機(jī)影像來(lái)估計(jì)美國(guó)短吻鱷(Alligator mississippiensis)的種群數(shù)量。Christiansen等在澳大利亞用無(wú)人機(jī)影像來(lái)測(cè)量繁殖期間200頭座頭鯨(Megaptera novaeangliae)的體型大小的變異。Michez等用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)查野豬(Sus scrofa)活動(dòng)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響。
圖 4 無(wú)人機(jī)用于動(dòng)物監(jiān)測(cè)中的例子
(a)在非洲西部獲取大象種群影像圖(Vermeulen等)；(b)是圖a中白色區(qū)域的放大圖；(c)在澳大利亞的島嶼上拍攝的繁殖期的海鳥種群的影像圖(Hodgson等)；(d)和(e)是圖c的局部放大圖
(2) 鳥類：與一些體型較大的哺乳動(dòng)物的研究工作相比, 用無(wú)人機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)鳥類活動(dòng)還剛剛起步。Weissensteiner等用無(wú)人機(jī)來(lái)評(píng)估鳥類的繁殖行為, 并與傳統(tǒng)的調(diào)查方法進(jìn)行了比較, 發(fā)現(xiàn)用無(wú)人機(jī)調(diào)查可以節(jié)省傳統(tǒng)方法的所需的近85%的時(shí)間消耗。Hodgson等以兩個(gè)熱帶島嶼和一個(gè)北極島嶼為例, 展示了無(wú)人機(jī)調(diào)查鳥類種群數(shù)量和行為的優(yōu)勢(shì)(圖 4)。Rodríguez等通過聯(lián)合一個(gè)小型鳥類的飛行數(shù)據(jù)記錄器和無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的生境數(shù)據(jù)來(lái)分析鳥類物種分布規(guī)律。Liu等將無(wú)人機(jī)用于瀕危鳥類物種黑臉琵鷺(Platalea minor)的調(diào)查中。
3.3 新出版物和信息平臺(tái)的出現(xiàn)
(1) 相關(guān)期刊：
隨著科學(xué)家對(duì)無(wú)人機(jī)在生態(tài)與環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注, 多個(gè)遙感領(lǐng)域的期刊都組織了專刊來(lái)展現(xiàn)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用前景。例如, 2015年《Remote Sensing》雜志組織的專刊“無(wú)人機(jī)遙感在植被和農(nóng)作物領(lǐng)域的應(yīng)用”共收錄了13篇論文(《Remote Sensing》第7卷第4期)；2016年《Sensors》雜志組織的專刊“無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用”包括了31篇研究論文(《Sensors》第16卷第5期)。2013年創(chuàng)刊的開源雜志《Journal of Unmanned Vehicle Systems》(http://www.nrcresearchpress.com/journal/juvs)成為該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。自2013年秋季發(fā)表第一期文章以來(lái), 至2016年11月初為止共出版了12期, 發(fā)表無(wú)人機(jī)相關(guān)文章60篇, 研究?jī)?nèi)容涉及從無(wú)人機(jī)的名詞用法、無(wú)人機(jī)操控的技術(shù)規(guī)范到無(wú)人機(jī)在商業(yè)、醫(yī)療、石油化工、資源管理、物種保護(hù)等方面的應(yīng)用, 其中直接與生態(tài)和環(huán)境科學(xué)相關(guān)的文章占近50%(29篇)。
(2) 相關(guān)會(huì)議和網(wǎng)站：
近兩年來(lái), 一些無(wú)人機(jī)技術(shù)和應(yīng)用相關(guān)的研討會(huì)也相繼召開, 為該領(lǐng)域的發(fā)展起到了非常積極的作用。例如, 2014年10月由美國(guó)攝影測(cè)量及遙感學(xué)會(huì)(American Society for Photogrammetry and Remote Sensing)召開的第一屆無(wú)人機(jī)研討會(huì)就吸引了530多名參會(huì)者, 隨后2015年和2016年也分布召開了第二屆和第三屆無(wú)人機(jī)研討會(huì), 并獲得了來(lái)自科研工作者、企業(yè)家等的諸多關(guān)注(https://uasreno.org).在環(huán)境研究領(lǐng)域, 2016年2月和6月在澳大利亞和英國(guó)分別舉行了為期兩天的會(huì)議來(lái)展示和討論無(wú)人機(jī)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用前景(http://www.worcester.ac.uk/discover/uav-conference.html), 都分別有100多人參加。
另外, 由Lian-Pin Koh和Serge Wich發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)ConservationDrones.org包括了很多生物多樣性保護(hù)相關(guān)的研究案例(https://conservationdrones.org/), 也包括了無(wú)人機(jī)生態(tài)學(xué)的一些相關(guān)研究論文。由生態(tài)學(xué)家Erle Ellis團(tuán)隊(duì)建立的平臺(tái)Ecosynth(http://ecosynth.org/)提供了一些無(wú)人機(jī)影像的開源軟件和方法, 也可以作為相關(guān)研究人員的一個(gè)有效工具。
4 無(wú)人機(jī)遙感在中國(guó)生態(tài)學(xué)中的發(fā)展現(xiàn)狀
在我國(guó), 無(wú)人機(jī)遙感也開始受到關(guān)注。如：臧克等研究了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在汶川地震中的應(yīng)用, 利用處理后的影像對(duì)于災(zāi)情調(diào)查、災(zāi)情分析和評(píng)價(jià), 對(duì)指導(dǎo)災(zāi)后應(yīng)急救援發(fā)揮巨大作用。在生態(tài)學(xué)、林學(xué)和保護(hù)生物學(xué)等領(lǐng)域, 李宇昊和張同偉用小型無(wú)人機(jī)對(duì)黑龍江伊春地區(qū)的針葉林資源進(jìn)行調(diào)查。李衛(wèi)正等在南京某林場(chǎng)用小型無(wú)人機(jī)調(diào)查了松材線蟲感染的病死木的空間分布。馮家莉等用小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行了紅樹林資源調(diào)查, 提取了高精度的空間分布信息。Zhang等把小型無(wú)人機(jī)與中國(guó)森林生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(http://www.cfbiodiv.org/)的鼎湖山樣地的地面調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合, 分析了由無(wú)人機(jī)調(diào)查獲得的森林冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)地面植物多樣性的影響(圖 3)。在動(dòng)物監(jiān)測(cè)方面, 馬鳴等把小型多旋翼無(wú)人機(jī)用于高山兀鷲(Gyps himalayensis)的繁殖生態(tài)學(xué)研究, 拍攝了高山兀鷲巢穴、親鳥、幼鳥及其生長(zhǎng)發(fā)育過程。近期由中央電視臺(tái)、西北瀕危動(dòng)物研究所等單位組織的“2016我們與藏羚羊”科考中, 科研人員使用固定翼無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)藏羚羊的遷徙過程, 獲取了該遷徙種群的密度、數(shù)量和年齡結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)(圖 5)。本次案例共飛行14個(gè)架次, 每個(gè)架次覆蓋約3 km2, 獲得覆蓋范圍高達(dá)40余km2、分辨率達(dá)5 cm的高清正射影像。
圖 5 西藏羌塘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)中的一個(gè)飛行架次的藏羚羊無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查案例
(a)無(wú)人機(jī)拍攝的藏羚羊種群影像圖；(b)是圖a的紅色區(qū)域的放大圖；(c)是圖b中綠色區(qū)域的放大圖。圖中的綠色圓點(diǎn)是用于藏羚羊計(jì)數(shù)的個(gè)體標(biāo)識(shí)
盡管無(wú)人機(jī)技術(shù)已逐漸被我國(guó)的科學(xué)家所認(rèn)識(shí), 但在現(xiàn)階段相關(guān)應(yīng)用還處于尚未形成規(guī)模的初級(jí)階段。2014年11月18日, 在國(guó)家遙感中心與中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的共同努力下, 國(guó)家遙感中心輕小型無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用專家工作組成立。工作組將在加強(qiáng)載荷傳感器研發(fā)、推動(dòng)行業(yè)準(zhǔn)入制度建立、完善安全規(guī)范制定、推動(dòng)輕小型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)綜合驗(yàn)證場(chǎng)建設(shè)等方面開展工作, 這將為無(wú)人機(jī)生態(tài)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的有序發(fā)展發(fā)揮重要作用。根據(jù)2016年出版的《輕小型無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展報(bào)告》上的數(shù)據(jù), 2015年我國(guó)遙感應(yīng)用專業(yè)級(jí)輕小型無(wú)人機(jī)已超過3000架, 估計(jì)未來(lái)5年的裝備需求總量超過30000架[7]。如何有效地利用這些無(wú)人機(jī)研究平臺(tái)來(lái)真正地服務(wù)于生態(tài)學(xué)研究和生物多樣性保護(hù)工作中, 還需要我們進(jìn)一步地思考和探索。
5 存在的問題與展望
5.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的獲取與處理對(duì)多數(shù)生態(tài)學(xué)家還存在技術(shù)上的挑戰(zhàn)
盡管無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)被生態(tài)學(xué)家所關(guān)注, 然而無(wú)人機(jī)的操作技術(shù)、數(shù)據(jù)收集和處理等對(duì)傳統(tǒng)的以野外調(diào)查和控制實(shí)驗(yàn)為主要研究手段的生態(tài)學(xué)家都存在很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。目前很多無(wú)人機(jī)在生態(tài)學(xué)里面的應(yīng)用案例都是基于拍攝的照片來(lái)肉眼辨識(shí)圖像中的動(dòng)物或植物, 這樣一方面大大地影響了我們的工作效率, 另一方面也限制了我們挖掘無(wú)人機(jī)影像中的其他更豐富的數(shù)據(jù)(如：生境結(jié)構(gòu)、樹種組成、光譜信息等)。為解決這些障礙, 生態(tài)學(xué)家已經(jīng)在嘗試提供簡(jiǎn)單的開源的無(wú)人機(jī)影像分析軟件或方法(如：通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來(lái)提供更多詳細(xì)的案例(如：ConservationDrone.org)。基于實(shí)際研究案例的無(wú)人機(jī)技術(shù)培訓(xùn)將會(huì)是無(wú)人機(jī)在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的普及的重要手段。另外, 生態(tài)學(xué)家也在通過與無(wú)人機(jī)遙感專家的合作來(lái)挖掘高分辨率的無(wú)人機(jī)大數(shù)據(jù)中的諸多信息, 例如植物樹冠的自動(dòng)識(shí)別與勾勒、植被參數(shù)自動(dòng)反演、動(dòng)物個(gè)體自動(dòng)識(shí)別、計(jì)數(shù)甚至體型測(cè)量等。
5.2 無(wú)人機(jī)在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域還需要進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展
如上所述, 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用到動(dòng)植物監(jiān)測(cè)、生物多樣性保護(hù)等方面, 然而多數(shù)研究還集中在用無(wú)人機(jī)搭載RGB普通數(shù)碼相機(jī)為監(jiān)測(cè)平臺(tái)。激光雷達(dá)、多光譜與高光譜遙感技術(shù)、熱紅外成像儀等在無(wú)人機(jī)生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用案例還不多見, 主要原因在于這些先進(jìn)的遙感設(shè)備成本昂貴, 而且操作和數(shù)據(jù)處理專業(yè)化能力要求較高。另外, 受無(wú)人機(jī)載荷大小的限制, 這些遙感設(shè)備的傳統(tǒng)款式還難以廣泛應(yīng)用到無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)中。適合無(wú)人機(jī)平臺(tái)的輕量級(jí)的遙感設(shè)備也僅僅是近幾年才陸續(xù)有商業(yè)化的產(chǎn)品出現(xiàn)。
同時(shí), 我們也缺少與無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)相匹配的高精度的地面調(diào)查數(shù)據(jù), 包括詳細(xì)的物種分布數(shù)據(jù)和地形、土壤等的信息。這些都限制了無(wú)人機(jī)技術(shù)在森林生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用, 尤其在生物多樣性高、冠層結(jié)構(gòu)復(fù)雜和環(huán)境條件變異亞熱帶和熱帶森林地區(qū)。以美國(guó)史密斯(Smithsonian)研究所熱帶森林研究中心(http://www.forestgeo.si.edu/)和中國(guó)森林生物多樣性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(http://www.cfbiodiv.org/)為代表的大型森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)可以開展無(wú)人機(jī)生態(tài)學(xué)研究的理想平臺(tái)。這些樣地的面積大多為20 hm2以上, 并且對(duì)樣地內(nèi)所有胸徑≥1 cm的木本植物進(jìn)行定位、掛牌, 并測(cè)量記錄其胸徑和生長(zhǎng)狀態(tài)等, 同時(shí)也調(diào)查了非常詳細(xì)的關(guān)于地形、海拔、土壤等的相關(guān)信息[52]。通過這些詳實(shí)的地面數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)調(diào)查數(shù)據(jù)的結(jié)合, 將進(jìn)一步深化我們對(duì)生物多樣性維持機(jī)制的理解。
另外, 無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)期生態(tài)學(xué)研究中的例子還沒有報(bào)道, 主要原因是無(wú)人機(jī)生態(tài)學(xué)的發(fā)展才僅僅有幾年的歷史。無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的高時(shí)效性和高度的靈活性為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)各種生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化(包括植物物候變化、物種組成變化、自然和人類干擾等)提供了可能。隨著無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間尺度上的積累, 這些數(shù)據(jù)將為我們回答一些生態(tài)學(xué)中的重大科學(xué)問題提供重要支持。
5.3 無(wú)人機(jī)操控行業(yè)的管理規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善
由于無(wú)人機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)和使用的準(zhǔn)入門檻相對(duì)較低, 并且無(wú)人機(jī)行業(yè)還缺少有效的管理規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 形成了無(wú)人機(jī)“滿天飛”的局面。這一亂象也影響了無(wú)人機(jī)遙感領(lǐng)域的有序發(fā)展。目前, 美國(guó)、歐洲等已經(jīng)開始制定民用無(wú)人機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 但尚未形成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。2016年6月21日, 美國(guó)聯(lián)邦航空管理局發(fā)布了首部專門針對(duì)小型無(wú)人機(jī)的管理規(guī)則Part 107(https://www.faa.gov/uas/), 該規(guī)則對(duì)無(wú)人機(jī)操控人員、飛行時(shí)間、飛行區(qū)域、飛行高度等給出了詳細(xì)的要求, 這是無(wú)人機(jī)行業(yè)走向有序化發(fā)展的重要一步。在我國(guó), 有關(guān)輕小型無(wú)人機(jī)遙感的相關(guān)規(guī)定較少, 需盡快制定相關(guān)管理規(guī)定, 建立完善的無(wú)人機(jī)監(jiān)管措施。
綜上所述, 無(wú)人機(jī)遙感以其諸多難以替代的應(yīng)用優(yōu)勢(shì), 為生態(tài)學(xué)、保護(hù)生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展注入新的活力, 其應(yīng)用潛力巨大, 前景十分廣闊, 對(duì)于傳統(tǒng)野外調(diào)查工作量巨大且辛苦的生態(tài)學(xué)家來(lái)說, 充滿誘惑和吸引力。正如Anderson和Gaston 在他們的文章所說, 輕小型無(wú)人機(jī)遙感將革新空間生態(tài)學(xué)的研究, 正在成為生態(tài)學(xué)家的重要研究工具。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用還存在技術(shù)門檻較高和法律法規(guī)不完善等限制, 但這僅僅是時(shí)間問題, 在可預(yù)見的未來(lái)必將被一一克服。
來(lái)源：胡健波, 張健. 無(wú)人機(jī)遙感在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38(1): 20-30
