不知大家是否在樹(shù)林中看見(jiàn)過(guò)這樣的場(chǎng)景：幾個(gè)人，圍著樹(shù)木，拿著皮尺，在測(cè)量樹(shù)木的高度和胸徑，還不時(shí)用一些儀表測(cè)量氣溫、濕度、風(fēng)速等參數(shù)?他們?yōu)槭裁匆獪y(cè)量這些數(shù)據(jù)?測(cè)得的這些數(shù)據(jù)又有哪些用途呢?
　　事實(shí)上，這些測(cè)得的數(shù)據(jù)，一般也被稱為生態(tài)參數(shù)，在科研和管理中有著非常重要的作用。
　　
　　為什么要測(cè)量生態(tài)參數(shù)
　　
　　自然界中，影響植物乃至其他生物生長(zhǎng)的主要因素有溫度、濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向和人類活動(dòng)等。它們共同作用導(dǎo)致的結(jié)果就是，不同地區(qū)的生物種類及豐富程度不一，特別是植物的生長(zhǎng)密度、高度、粗細(xì)、葉子形狀大小、茂密程度等不盡相同。比如，亞馬遜地區(qū)的森林同中國(guó)北方的森林就有很大差別：亞馬遜地區(qū)有許多高大的熱帶雨林；在我國(guó)北方，最常見(jiàn)的則是針葉林(如松柏)或落葉闊葉林(如楓樹(shù))。這是為什么呢?因?yàn)樵跓釒У貐^(qū)，常年光照和水分充足，植物通過(guò)光合作用能積累較多養(yǎng)分，故而長(zhǎng)得高大，而且有足夠的能量進(jìn)行快速新陳代謝，一年到頭均能保持旺盛的生長(zhǎng)；我國(guó)北方地區(qū)，寒冷干燥，樹(shù)木生長(zhǎng)季短，積累養(yǎng)分的過(guò)程慢，長(zhǎng)新葉需要耗費(fèi)許多能量，因此，一般不落葉的針葉植物比較有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)針葉植物的葉面小，孔隙少，葉片水分流失速率低。這一地區(qū)的闊葉植物，在寒冷的季節(jié)里葉片會(huì)先變色，然后全部凋落。由此可見(jiàn)，自然界的各異形態(tài)，就取決于這些生態(tài)參數(shù)。
　　人們?yōu)榱烁行У毓芾砗鸵?guī)劃自然資源，需要將復(fù)雜的生物類型劃分為一個(gè)個(gè)小單元。每個(gè)小單元都有自己的“個(gè)性”和“特征”，通過(guò)這些特征，能很好地將其與它的鄰居單元們區(qū)分開(kāi)來(lái)。比如，同樣都是大學(xué)，各有不同的名字，像師范大學(xué)、傳媒大學(xué)、體育大學(xué)，通過(guò)這些名稱我們就能輕松辨識(shí)出每個(gè)學(xué)校的特色。那么，在自然界中，我們要怎樣才能抓住區(qū)分各類生物的特征呢?例如，森林管理中會(huì)把大面積森林劃分為林分，這就需要了解各地區(qū)森林的樹(shù)種、樹(shù)齡、茂密程度等相應(yīng)參數(shù)。
　　
　　在科學(xué)研究中，生態(tài)參數(shù)至關(guān)重要?，F(xiàn)在炙手可熱的全球變化科學(xué)，就需要利用足夠準(zhǔn)確的生態(tài)參數(shù)，來(lái)模擬生物圈的各類活動(dòng)，進(jìn)而構(gòu)建出氣候變化模式。這些模式可以用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)天氣氣候變化……有了這些預(yù)測(cè)，國(guó)家和政府就好采取相應(yīng)措施，盡量減少損失。
　　
　　生態(tài)測(cè)量學(xué)如何產(chǎn)生
　　
　　為精確測(cè)量生態(tài)參數(shù)，科學(xué)上逐步發(fā)展出一個(gè)專門的學(xué)科，我們稱之為生態(tài)測(cè)量學(xué)。
　　以森林資源調(diào)查為例，過(guò)去森林制圖主要依賴野外調(diào)查和航空拍攝的相片判讀。野外調(diào)查需要深入待調(diào)查的地方，利用皮尺、羅盤等工具實(shí)地測(cè)量樹(shù)木的高度、胸徑；用眼睛判別樹(shù)的種類和樹(shù)冠的寬度；利用便攜式百葉箱氣象臺(tái)站測(cè)量溫度、濕度、風(fēng)速……這樣的調(diào)查費(fèi)時(shí)費(fèi)力，每個(gè)調(diào)查點(diǎn)都需要各類專業(yè)人士分工配合，一天下來(lái)能查清的區(qū)域非常有限。
　　為提高工作效率，聰明的人類逐漸發(fā)展出一些更高效的方法。
　　19世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了航空攝影——也就是飛離地面一定高度給地球表面拍照。當(dāng)時(shí)只有探空氣球，1909年懷特兄弟發(fā)明了飛機(jī)，并第一次從飛機(jī)上對(duì)地面進(jìn)行拍攝。之后，在飛機(jī)或其他航空飛行器上利用攝影機(jī)攝取地面景物的技術(shù)日益成熟。這就是航空攝影，又稱航拍，所得的影像稱為航片。
　　雖然相比野外調(diào)查，利用航片更省時(shí)省力，但它展示的只是一個(gè)平面的世界，對(duì)樹(shù)木的高度等三維幾何信息，無(wú)法直接測(cè)算。
　　用什么方法才能從3D的角度去丈量世界呢?
　　
　　從3D角度丈量世界
　　
　　研究人員后來(lái)逐步發(fā)展出根據(jù)攝影測(cè)量學(xué)的原理對(duì)植物三維形態(tài)進(jìn)行直接測(cè)量的技術(shù)，這就是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。它是對(duì)多角度攝影圖像進(jìn)行自動(dòng)化三維量測(cè)與制圖的技術(shù)。
　　其中，最普遍的技術(shù)是立體像對(duì)，3D版的《阿凡達(dá)》就是一個(gè)例子。大家進(jìn)電影院看《阿凡達(dá)》時(shí)都會(huì)領(lǐng)取一個(gè)眼鏡，只有戴上這個(gè)眼鏡，才能看到立體的效果，如果不戴眼鏡，看到的就是普通的平面電影，加上模糊的畫面重疊。很多博物館中也有這類展示。兩張同一地區(qū)的照片，如果是從不同角度進(jìn)行拍攝的，總會(huì)有一定的重疊區(qū)域，使用立體眼鏡就可以看到重疊區(qū)域的立體影像。有了立體影像，我們不就可以獲得地物或地形的立體模型，并進(jìn)行測(cè)量了嗎?
　　一般來(lái)說(shuō)，拍攝角度越多，就越有利于三維模型的構(gòu)建。
　　
　　遙感生態(tài)測(cè)量時(shí)代
　　
　　生態(tài)測(cè)量發(fā)展到航空攝影測(cè)量階段，就步入了遙感生態(tài)測(cè)量時(shí)代。
　　遙感，顧名思義，就是遙遠(yuǎn)的感知，是現(xiàn)代人對(duì)傳說(shuō)中的“千里眼”的一種實(shí)現(xiàn)。遙感技術(shù)可以讓人們更快、更大范圍地精確獲取生態(tài)參數(shù)。
　　根據(jù)不同的需求，遙感技術(shù)可選用不同波段的傳感器來(lái)獲取信息，例如，可見(jiàn)光反映的是人眼看到的世界，可以用來(lái)探測(cè)現(xiàn)實(shí)目標(biāo)；熱紅外對(duì)溫度敏感，可用來(lái)獲取地表溫度；微波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，穿透力強(qiáng)，可以獲取地形信息……通過(guò)一系列數(shù)學(xué)物理公式的推導(dǎo)，人們就能從遙感影像中獲得地物類型、地表溫度、地形特征等各式各樣的數(shù)據(jù)。
　　用于生態(tài)測(cè)量的部分遙感方法和數(shù)據(jù)各式各樣(圖1給出的示例是利用飛機(jī)搭載的激光雷達(dá)獲取森林信息的工作示意圖)。
　　
　　無(wú)線傳感器
　　
　　傳感器是遙感科學(xué)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，拍照的任務(wù)都是通過(guò)傳感器完成的。
　　遙感傳感器的定義廣泛，搭載在飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星等飛行物上的傳感器都在其范疇之內(nèi)。最近蓬勃發(fā)展起來(lái)一個(gè)新的交叉領(lǐng)域——無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更是將傳感器循天遁地的能力發(fā)揮到極致，極大地拓展了遙感技術(shù)的應(yīng)用范疇。
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是指將傳感器、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸、儲(chǔ)存、處理與分析技術(shù)集成的現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)。它的傳感器一般與小型計(jì)算機(jī)和無(wú)線發(fā)送裝置綁定在一起，人們稱其為節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可放置于觀測(cè)對(duì)象附近，或直接接觸觀測(cè)對(duì)象，甚至直接植入其內(nèi)。節(jié)點(diǎn)可以幫人們獲得觀測(cè)對(duì)象的物理、化學(xué)、生物學(xué)特性等相關(guān)數(shù)據(jù)。
　　從技術(shù)層面看無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)遙感有很多相似之處。它能夠使用更多的傳感器、有更靈活的搭載平臺(tái)(人、動(dòng)物、植物、建筑、車輛、地面或空中)、數(shù)據(jù)處理也更為簡(jiǎn)單。
　　現(xiàn)在，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遙感領(lǐng)域已經(jīng)受到了很大關(guān)注，并得到成功的應(yīng)用。
　　我國(guó)遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)最大的淡水湖——鄱陽(yáng)湖的洲灘上，搭建了一套聲像傳感系統(tǒng)，主要由攝像機(jī)和錄音機(jī)，以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)組成。這套遠(yuǎn)程、可控、無(wú)干擾的濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)、野生動(dòng)物群落、家畜牧養(yǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為濕地環(huán)境生態(tài)管理與野生動(dòng)物保護(hù)、遙感數(shù)據(jù)地面實(shí)時(shí)驗(yàn)證與真實(shí)性檢驗(yàn)，及遙感天地一體化提供服務(wù)。
　　傳統(tǒng)遙感一般只從天上看地下，很少利用攝像機(jī)或錄音機(jī)傳感器，直接在地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在鄱陽(yáng)湖搭建的這套聲像一體化系統(tǒng)，就可以通過(guò)錄音機(jī)記錄下的鳥(niǎo)聲，分辨出鳥(niǎo)的種類。這是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?大家對(duì)人的發(fā)音很熟悉，每個(gè)人的聲音都很獨(dú)特，因?yàn)橛行詣e之分，語(yǔ)言之分，低沉或尖銳的音階之分，洪亮或微弱的音調(diào)之分，還有快慢的頻率之分……假如你對(duì)某個(gè)人很熟悉，即使“不見(jiàn)其人，只聞其聲”，你也能知道這個(gè)人是誰(shuí)。鳥(niǎo)聲也是一樣的道理。鳥(niǎo)聲識(shí)別就是通過(guò)記錄下鳥(niǎo)聲，分析其音階、音調(diào)、頻率等特征，“學(xué)習(xí)”鳥(niǎo)的語(yǔ)言，進(jìn)而識(shí)別出鳥(niǎo)的種類。
　　我們都知道，聲音在空氣中的傳播速度是340米／秒，同一地點(diǎn)發(fā)出的聲音到達(dá)不同遠(yuǎn)近的地方所需時(shí)間是不一樣的。在這一原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)在多個(gè)位置架設(shè)的錄音機(jī)，利用聲音信號(hào)到達(dá)各錄音機(jī)的時(shí)間差，就可以準(zhǔn)確估算出聲源的位置。同時(shí)通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)同步錄音，并且也不會(huì)干擾到鳥(niǎo)類的活動(dòng)。
　　地文臺(tái)——未來(lái)的夢(mèng)想
　　，如今，遙感生態(tài)測(cè)量學(xué)可以為野生生物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家、林學(xué)家和地理學(xué)家等提供重要的技術(shù)支撐，用于監(jiān)測(cè)地球表面生態(tài)過(guò)程的變化。
　　在科技高速發(fā)展的今天，人們對(duì)信息獲取的強(qiáng)度和精度要求越來(lái)越高。出行者希望知道天氣在下一個(gè)小時(shí)會(huì)有什么變化，空氣中污染物的濃度是高是低，以制定出行計(jì)劃；動(dòng)物愛(ài)好者希望知道他們所關(guān)心的動(dòng)物出現(xiàn)在什么地方，密度有多少；農(nóng)民希望知道大棚里的溫度、濕度、養(yǎng)分是否能滿足農(nóng)作物的需求；科學(xué)家希望知道全球尺度CO的循環(huán)，洋流、氣流的實(shí)時(shí)軌跡，地殼的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以應(yīng)對(duì)全球變化……
　　這些不是靠區(qū)區(qū)一兩顆衛(wèi)星或一兩種儀器就能實(shí)現(xiàn)。設(shè)想一下，在遙感生態(tài)測(cè)量這一學(xué)科蓬勃發(fā)展之后，將出現(xiàn)諸如地球觀測(cè)臺(tái)或地文臺(tái)(earth observatory)的生態(tài)觀測(cè)平臺(tái)。
　　圖2是地文臺(tái)的設(shè)想圖。地文臺(tái)的職責(zé)是鏈接所有給予權(quán)限實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，航天、航空和地面?zhèn)鞲衅鞫紝⒈患{入這一大型觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，所有數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)共享。從點(diǎn)到面、從天到地，從平面到立體地對(duì)地球?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、全天候、全方位的連續(xù)觀測(cè)。遙感生態(tài)測(cè)量學(xué)也將在地文臺(tái)中將其作用發(fā)揮到極致。
　　
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