胡健波, 張 健

1 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所, 天津 300456 2 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 上海 200241

無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)(Unmanned Aerial System,UAS),簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)(drone)。2002年美國(guó)聯(lián)合出版社出版的《國(guó)防部詞典》中對(duì)無(wú)人機(jī)的定義是“不搭載操作人員的一種有動(dòng)力飛行器,它借助空氣動(dòng)力提供所需升力,能自主飛行或者遠(yuǎn)程引導(dǎo)”[1]。無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)的結(jié)合,即無(wú)人機(jī)遙感,是以無(wú)人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)作為載體,通過(guò)搭載相機(jī)、光譜成像儀、激光雷達(dá)掃描儀等各種遙感傳感器,獲取高分辨率光學(xué)影像、視頻、激光雷達(dá)點(diǎn)云等數(shù)據(jù)[2]。與傳統(tǒng)的以衛(wèi)星為平臺(tái)的航天遙感相比,無(wú)人機(jī)遙感具有可在云下低空飛行的能力,彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。同時(shí),它的高時(shí)效、高時(shí)空分辨率特點(diǎn),也是有固定重訪周期且離地幾百公里的傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感所無(wú)法比擬的[3]。與傳統(tǒng)的以有人機(jī)為平臺(tái)的航空遙感相比,小型無(wú)人機(jī)不需要機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)飛行員,而且體型小、便攜、機(jī)動(dòng)靈活。無(wú)人機(jī)遙感是衛(wèi)星遙感和有人機(jī)航空遙感的有益補(bǔ)充,成為多尺度遙感家族中的重要成員,特別適合小區(qū)域范圍的應(yīng)急或高頻次遙感調(diào)查。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從早期的軍事應(yīng)用擴(kuò)展到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、大地測(cè)量、海洋監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、森林資源調(diào)查、植物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源監(jiān)察等領(lǐng)域。

在生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)研究中,由于衛(wèi)星遙感提供數(shù)據(jù)的空間尺度與地面調(diào)查數(shù)據(jù)的空間尺度很難匹配,生態(tài)學(xué)家、保護(hù)生物學(xué)家對(duì)遙感方法一直持懷疑的態(tài)度[4-5]。無(wú)人機(jī)遙感為遙感技術(shù)在生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)中的應(yīng)用提供了一個(gè)高效和低成本的解決途徑,近幾年來(lái)開(kāi)始被生態(tài)學(xué)家和保護(hù)生物學(xué)家所關(guān)注[3,6]。本文首先對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及其研究方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單地總結(jié),然后對(duì)輕小型無(wú)人機(jī)在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹,最后通過(guò)比較國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展對(duì)無(wú)人機(jī)在動(dòng)植物監(jiān)測(cè)和生物多樣性保護(hù)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景進(jìn)行了介紹和展望。

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(kāi)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?？偟膩?lái)說(shuō),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(kāi)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[8],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(guò)3000架,估計(jì)未來(lái)5年的裝備需求總量超過(guò)30000架[7]。

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(guò)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[7]。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(jiàn)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(jiàn)表1。

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(jiàn)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。

圖1 4種主要民用無(wú)人機(jī)類型Fig.1 Four main types of civilian drones

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

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[3,9]。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(guò)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[10-11]。

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) Fig.2 The drone related papers based on the ISI Web of Science during January 2005 and November 2016 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)

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?；贗SI 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[12-14]。

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[6]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(kāi)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[3]在美國(guó)生態(tài)學(xué)會(huì)刊物《FrontiersinEcologyandtheEnvironment》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[9]和Whitehead等[10]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[15]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(kāi)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(chóng)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(shuō)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[16-18]、生產(chǎn)力[19-20]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[21-23]。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[24]。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(guò)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)[25]。

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(引自：Zhang等[25])Fig.3 Drone survey in a 20 ha stem mapping plot in an evergreen broad-leaved forest[25](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[26],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(kāi)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[27]。傳統(tǒng)的植物物候數(shù)據(jù)采集是通過(guò)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[26]。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(wèn)題[28]?；谳p小型無(wú)人機(jī)的植物物候監(jiān)測(cè)可以極大地解決地面監(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[29]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(guò)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[31]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(guò)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[32]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(huà)出其形狀和計(jì)算其面積。Messinger等[33]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(kāi)始引起了動(dòng)物生態(tài)學(xué)家的關(guān)注。Chabot和Bird[34]及Christie等[35]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(niǎo)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[36]在非洲西部用無(wú)人機(jī)對(duì)非洲象(Loxodontaafricana)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[37]用無(wú)人機(jī)裝載熱紅外相機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)狍子(Capreoluscapreolus)的活動(dòng)。Watts等[38]用無(wú)人機(jī)影像來(lái)估計(jì)美國(guó)短吻鱷(Alligatormississippiensis)的種群數(shù)量。Christiansen等[39]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(Megapteranovaeangliae)的體型大小的變異。Michez等[40]用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)查野豬(Susscrofa)活動(dòng)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響。

(2) 鳥(niǎo)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(niǎo)類活動(dòng)還剛剛起步。Weissensteiner等[41]用無(wú)人機(jī)來(lái)評(píng)估鳥(niǎo)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[42]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(niǎo)類種群數(shù)量和行為的優(yōu)勢(shì)(圖4)。Rodríguez等[43]通過(guò)聯(lián)合一個(gè)小型鳥(niǎo)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(niǎo)類物種分布規(guī)律。Liu等[44]將無(wú)人機(jī)用于瀕危鳥(niǎo)類物種黑臉琵鷺(Plataleaminor)的調(diào)查中。

圖4 無(wú)人機(jī)用于動(dòng)物監(jiān)測(cè)中的例子Fig.4 The use of drones for animal monitoring(a)在非洲西部獲取大象種群影像圖(Vermeulen等[36])；(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(niǎo)種群的影像圖(Hodgson等[42])；(d)和(e)是圖c的局部放大圖

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?？瘉?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?？盁o(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?？盁o(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(kāi)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(kāi),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(kāi)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(kāi)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(kāi)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[29]。

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(kāi)始受到關(guān)注[11]。如：臧克等[8]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[45]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[46]在南京某林場(chǎng)用小型無(wú)人機(jī)調(diào)查了松材線蟲(chóng)感染的病死木的空間分布。馮家莉等[47]用小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行了紅樹(shù)林資源調(diào)查,提取了高精度的空間分布信息。Zhang等[25]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[48]把小型多旋翼無(wú)人機(jī)用于高山兀鷲(Gypshimalayensis)的繁殖生態(tài)學(xué)研究,拍攝了高山兀鷲巢穴、親鳥(niǎo)、幼鳥(niǎo)及其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)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(guò)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(http://www.forestry.gov.cn/Zhuanti/content_stwm/899354.html)。

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(kāi)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(guò)3000架,估計(jì)未來(lái)5年的裝備需求總量超過(guò)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。

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 Fig.5 The use of drones in the population of Tibetan antelope (Pantholops hodgsonii) in Chang Tang Nature Reserve in Tibet(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)

5 存在的問(wèn)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[3],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(shù)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(kāi)源的無(wú)人機(jī)影像分析軟件或方法(如：[29])或通過(guò)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(guò)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(如：[25]),例如植物樹(shù)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(kāi)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(jiàn),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)[49-51]。

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)境條件變異極大的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(kāi)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(guò)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(méi)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[6]。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(wèn)題提供重要支持[25]。

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[7]。目前,美國(guó)、歐洲等已經(jīng)開(kāi)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(shuō),充滿誘惑和吸引力。正如Anderson和Gaston[3]在他們的文章所說(shuō),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[53]。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(wèn)題,在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)必將被一一克服。

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