張曄, 裴男才, 何碧紅, 史欣, 孫冰, 于彬, 尹小陽(yáng), 王子研, 唐賽男, 金一博, 劉曉天, 唐藝家, 朱穎芳, 孫倩

無人機(jī)技術(shù)在廣州南沙區(qū)河涌景觀特征生態(tài)調(diào)查中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張曄1, 裴男才2,*, 何碧紅3, 史欣2, 孫冰2, 于彬2, 尹小陽(yáng)2, 王子研4, 唐賽男5, 金一博6, 劉曉天2, 唐藝家2, 朱穎芳7, 孫倩8

1. 中山大學(xué)新華學(xué)院資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃系, 廣州 510520 2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所, 廣州 510520 3. 廣東省沙頭角林場(chǎng), 深圳 518081 4. 國(guó)際竹藤中心, 北京 100102 5. 國(guó)家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 北京 100010 6. 中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司, 武漢 430000 7. 中南林業(yè)科技大學(xué)理學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410004 8. 澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)科學(xué)院地理空間科學(xué)系, 維多利亞州墨爾本市 VIC 3001

在城市化進(jìn)程逐步加快、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平趨于高階的時(shí)代, 城市生態(tài)系統(tǒng)是當(dāng)前開展交叉學(xué)科研究的重要對(duì)象, 融合了自然科學(xué)(如林學(xué)、生態(tài)學(xué)等)和社會(huì)科學(xué)(如管理學(xué)、人文地理學(xué)等)領(lǐng)域的思想體系和研究方法。作為一種新興技術(shù), 無人機(jī)遙感已在生物學(xué)、地理學(xué)、信息科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域廣泛使用。主要從監(jiān)測(cè)、研究、評(píng)估和保護(hù)等四個(gè)方面簡(jiǎn)要敘述了無人機(jī)技術(shù)在林業(yè)生態(tài)研究和管理中的應(yīng)用情況, 并以廣州南沙區(qū)河涌景觀為例簡(jiǎn)要分析了無人機(jī)技術(shù)在珠江三角洲地區(qū)城市森林景觀中的實(shí)際應(yīng)用。試圖為我國(guó)城市區(qū)域的森林生態(tài)、生物多樣性與人居環(huán)境研究和管理工作提供參考。

無人機(jī)遙感技術(shù); 粵港澳大灣區(qū); 森林城市群; 城市森林與綠地; 人居環(huán)境; 生態(tài)文明建設(shè)

0 前言

技術(shù)進(jìn)步往往與科學(xué)發(fā)展相輔相成, 特別是在林業(yè)科學(xué)以及相關(guān)的生態(tài)學(xué)、保護(hù)生物學(xué)、城市管理學(xué)在內(nèi)的諸多領(lǐng)域, 近幾年興起和快速發(fā)展的無人機(jī)技術(shù)(unmanned aerial vehicle, UAV)得到了充分體現(xiàn)。由無人機(jī)和遙感技術(shù)相結(jié)合的無人機(jī)遙感技術(shù)(UAV remote sensing)具有高時(shí)效、高時(shí)空分辨率、云下低空飛行、高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì), 能短時(shí)間內(nèi)靈活地、較低成本地獲取高分辨率數(shù)據(jù), 可彌補(bǔ)有人駕駛飛機(jī)的人員不足或者衛(wèi)星遙感獲取通用數(shù)據(jù)的空缺[1-3]。無人機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代林業(yè)研究和實(shí)踐等方面是否能成功實(shí)施, 主要依賴于無人機(jī)自身性能(如飛行規(guī)劃利用的靈活性、低成本、可靠性和自動(dòng)性等)和快捷獲取高分辨率數(shù)據(jù)的能力[4, 5]。國(guó)內(nèi)外研究表明, 限制無人機(jī)技術(shù)更廣泛應(yīng)用的因素主要有數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化、飛控政策成熟程度和硬件續(xù)航能力等方面, 而基于無人機(jī)研究的未來發(fā)展趨勢(shì)主要有機(jī)身小型化、平臺(tái)智能化、研究任務(wù)多樣化、服務(wù)目標(biāo)多功能化、研發(fā)技術(shù)交流瞬時(shí)化等方面[6-11]。

河岸帶生態(tài)系統(tǒng)是陸地和水域兩個(gè)系統(tǒng)的生態(tài)過渡區(qū)[12]。城市河涌這一特殊人工河岸帶生態(tài)系統(tǒng), 在全球化和快速城市化的大趨勢(shì)下其植被特征、景觀風(fēng)貌及其影響因素正受到更多關(guān)注[13]。廣州南沙河涌由上個(gè)世界70年代集中建設(shè)形成, 在近海區(qū)域人們通過圈圍進(jìn)行漁業(yè)養(yǎng)殖, 隨著南沙陸域斑塊的延伸, 人們不斷地將基圍填土形成陸域, 之前用作交通的水道被預(yù)留下來, 進(jìn)而形成了河涌。受珠江徑流和海水的共同作用, 廣州市南沙區(qū)形成了交錯(cuò)復(fù)雜的河涌水網(wǎng), 具有典型的珠三角地域特色, 其沿岸植被對(duì)河涌植物生態(tài)系統(tǒng)維持和景觀風(fēng)貌塑造具有重要意義[14]。同時(shí), 在珠三角地區(qū)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的背景下, 人為活動(dòng)(如沿岸居民對(duì)河涌沿岸土地的利用方式和具體工程建設(shè)等)在很大程度上影響著河涌沿岸植物生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和城市河涌生態(tài)健康[15]。無人機(jī)技術(shù)與地面調(diào)查相結(jié)合, 較好地滿足了河岸帶特殊生境類型景觀要素監(jiān)測(cè)的需要。本文簡(jiǎn)要綜述了無人機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代林業(yè)中的應(yīng)用情況, 主要從監(jiān)測(cè)、研究、評(píng)估和保護(hù)等四方面展開敘述, 并以珠江三角洲地區(qū)代表城市(廣州市)為案例展示無人機(jī)技術(shù)在解析南沙區(qū)河涌景觀構(gòu)建要素和組合方式中的應(yīng)用, 以期為在城市化背景下開展林業(yè)生態(tài)研究和管理工作提供參考。

1 監(jiān)測(cè): 無人機(jī)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、體等多個(gè)層面的遙感監(jiān)測(cè)

1.1 城市森林資源與生物多樣性監(jiān)測(cè)

源自無人機(jī)系統(tǒng)高分辨率影像分類數(shù)據(jù)相當(dāng)精確, 可很好地用于城市森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查與資源監(jiān)測(cè)[16-19]; 通過多時(shí)相無人機(jī)激光雷達(dá)和攝影測(cè)量相結(jié)合, 可以監(jiān)測(cè)人工修枝、擇伐、火災(zāi)、病蟲害等引起的森林結(jié)構(gòu)變化以及枝葉生長(zhǎng)、落葉等物候變化; 對(duì)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行繪圖時(shí), 使用無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)超過航空影像[20]。此外, 還可監(jiān)測(cè)和預(yù)警局域尺度上的入侵植物(如薇甘菊)擴(kuò)散狀態(tài), 進(jìn)而為入侵植物機(jī)制研究和精準(zhǔn)防治等提供有力支撐[21]。

基于無人機(jī)平臺(tái)的高精度遙感信息, 能較好地反映生物多樣性變化并揭示其驅(qū)動(dòng)機(jī)制, 但也存在一些限制, 如軟硬件結(jié)合匹配程度不夠、與傳統(tǒng)生物多樣性監(jiān)測(cè)手段結(jié)合較弱等問題[22]。利用無人機(jī)技術(shù)可以對(duì)動(dòng)物發(fā)聲、遷徙等行為進(jìn)行監(jiān)測(cè), 如對(duì)回巢過程中蝙蝠的回聲定位功能和不同個(gè)體間時(shí)間頻率成形的變化監(jiān)測(cè), 發(fā)現(xiàn)蝙蝠在復(fù)雜群組中進(jìn)行感知時(shí)可能使用不同的發(fā)聲設(shè)計(jì), 首次在蝙蝠自然生境中成功記錄到動(dòng)物聲音, 體現(xiàn)出無人機(jī)是生物聲景監(jiān)測(cè)的有效工具[23]。這種監(jiān)測(cè)技術(shù)甚至還能在高空記錄鳥類等飛行動(dòng)物的聲音和視頻[24]。與比地面計(jì)數(shù)方法相比, 使用無人機(jī)技術(shù)的精確更高, 如在族群鳥類計(jì)數(shù)其精確度甚至能高出一個(gè)數(shù)量級(jí)[25]。盡管存在一些技術(shù)問題或不足, 但作為一個(gè)新的有用工具, 無人機(jī)技術(shù)正在促進(jìn)生物多樣性監(jiān)測(cè)工作。

1.2 城市生態(tài)景觀與突發(fā)環(huán)境事件動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

無人機(jī)遙感技術(shù)可在局域(中小)尺度對(duì)城市景觀-環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感的空間分辨率低、重訪周期長(zhǎng)、云霧影響等方面的不足, 在城市植被制圖、城市森林地形繪圖等景觀空間生態(tài)學(xué)研究中受到越來越多的關(guān)注[26-29]。隨著城市化快速發(fā)展, 城市中心和近郊的原生生境破碎化程度較為嚴(yán)重。比如基建工程林區(qū)通公路后不久, 原有較穩(wěn)定的森林結(jié)構(gòu)被破壞而變?yōu)殚_闊地帶, 較多陽(yáng)性物種逐漸出現(xiàn)(如山烏桕), 特別是路旁有外來植物開始入侵且覆蓋范圍有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)(如薇甘菊)。因此, 在施工過程中需要引起高度注意, 盡量恢復(fù)和保護(hù)原生生境, 特別是防止入侵植物對(duì)本土植被結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。在城市高度均質(zhì)化的行道林帶和市政景觀公園, 森林病蟲害也時(shí)有發(fā)生。通過無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 掌握并劃分城市各區(qū)域發(fā)生病蟲害危害的等級(jí), 評(píng)價(jià)城市森林健康狀況[30]。

使用遠(yuǎn)程有人遙控飛機(jī)和無人機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合的方法, 有望全天候進(jìn)行有害物質(zhì)的監(jiān)測(cè)和管理、環(huán)境污染、黑臭水體篩查和監(jiān)管[31-33]。由于全球氣候變化等不可抗外力和人為劇烈活動(dòng)等因素, 火災(zāi)、地震和泥石流等突發(fā)事件在城市區(qū)域也時(shí)有發(fā)生, 基于無人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和有效森林火災(zāi)探測(cè)比固定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反映更大的區(qū)域, 進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和評(píng)估[34,35]。日常管理過程中通過無人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 了解重點(diǎn)區(qū)域入侵植物和森林病蟲害的分布范圍, 掌握特殊生境發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件的潛在動(dòng)向, 為制定合理的防治方案提供重要依據(jù)。

2 研究: 無人機(jī)技術(shù)可協(xié)助格局、過程、成因等重要環(huán)節(jié)的實(shí)證研究

2.1 分布格局與特征研究

無人機(jī)技術(shù)將革新空間生態(tài)學(xué)研究, 特別是隨著無人機(jī)導(dǎo)航性能提升、測(cè)量技術(shù)小型化之后, 將大幅提高對(duì)生態(tài)格局的探測(cè)和對(duì)動(dòng)態(tài)特征的推演能力。裝備了強(qiáng)大傳感器的無人機(jī)可根據(jù)終端使用者定義實(shí)時(shí)傳送高空間分辨率數(shù)據(jù)[36]。在生物多樣性其中一個(gè)重要方面——林冠空隙研究, 無人機(jī)遙感潛在地提供針對(duì)森林生物多樣性監(jiān)測(cè)變量(通常采集于森林清查樣地)的協(xié)變表面, 通過整合兩類數(shù)據(jù), 這些變量可被繪制于小的森林區(qū)域, 比僅僅基于野外森林清查更具有足夠精確水平、具有更高空間分辨率[37]。在精準(zhǔn)林業(yè)清查方面, 源自無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)字航空攝影點(diǎn)云的信息可產(chǎn)生空間上和時(shí)間上準(zhǔn)確清查資料(樹高、蓄積量增加值等), 且潛在告知許多可持續(xù)林業(yè)管理活動(dòng)[38, 39]。使用源自無人機(jī)系統(tǒng)影像的三維變量, 結(jié)合地面參考數(shù)據(jù)(如平均樹高、立木數(shù)量、胸高斷面積、樹干材積)優(yōu)化線性模型, 無人機(jī)系統(tǒng)影像的使用在局部尺度上能提供相對(duì)準(zhǔn)確和及時(shí)的森林清查信息[17]。在精準(zhǔn)農(nóng)林業(yè)研究領(lǐng)域, 無人機(jī)遙感可用于干旱脅迫、雜草與病害探測(cè)、營(yíng)養(yǎng)狀況與生長(zhǎng)活力評(píng)價(jià)、以及生物量預(yù)測(cè)[40]。

2.2 多樣性維持機(jī)制研究

無人機(jī)技術(shù)主要在空間尺度上豐富了人們對(duì)生物多樣性維持機(jī)制的認(rèn)知, 引導(dǎo)研究人員從地面和林下層級(jí)逐步轉(zhuǎn)到林冠和近地遙感空間層級(jí)。無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)能適用于物種、種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)等尺度的研究和維持機(jī)制探討, 也能從物種形態(tài)和光譜特征庫(kù)的建立、物種自動(dòng)識(shí)別、光譜數(shù)據(jù)與植物生理生態(tài)過程之間關(guān)系等維度挖掘森林生態(tài)系統(tǒng)不同要素的構(gòu)建機(jī)制, 并與三維立體、多來源多尺度遙感數(shù)據(jù)融合進(jìn)行綜合分析[41]。在野生動(dòng)物研究中, 無人機(jī)作為一種轉(zhuǎn)型變革技術(shù)在當(dāng)前和未來得以應(yīng)用, 能完整、詳細(xì)地記錄野生動(dòng)物多度、行為和生境等信息, 進(jìn)而探討動(dòng)物類群的多樣性維持機(jī)制[42]?？傊? 探討現(xiàn)存生物多樣性的維持機(jī)制, 依然是該領(lǐng)域?qū)W者的研究重要議題。無人機(jī)等技術(shù)的興起和廣泛應(yīng)用, 在一定尺度上提供了更多的技術(shù)支撐, 也很大程度上拓展了生物多樣性研究?jī)?nèi)涵和外延, 呈現(xiàn)出更加立體的研究思維和概念框架。

3 評(píng)估: 無人機(jī)技術(shù)可用于歷史、現(xiàn)實(shí)、未來等情景模式的評(píng)價(jià)估算

3.1 生物多樣性與生態(tài)效益評(píng)估

符合成本效益的航片潛在適用于森林生物多樣性評(píng)價(jià), 而林冠目標(biāo)變量的關(guān)聯(lián)(如與植物或者動(dòng)物多樣性有關(guān)的林窗)卻未被通過那些航片得以描述?；诤狡偷孛婧瞬閿?shù)據(jù)顯示, 詳細(xì)的、空間隱含的林窗形狀矩陣信息充分揭示了干擾格局與植物多樣性的強(qiáng)烈依賴關(guān)系[43]。在一個(gè)150公頃的熱帶森林冠層收集航空影像數(shù)據(jù), 通過表面解譯圖片評(píng)估14公頃藤本植物侵?jǐn)_的程度; 結(jié)果顯示, 無人機(jī)獲得的評(píng)估與地面調(diào)查(個(gè)體和樣地水平)的結(jié)果強(qiáng)烈相關(guān)、在多個(gè)森林類型和空間分辨也同樣[44], 表明無人機(jī)為評(píng)估熱帶森林冠層藤本植物侵?jǐn)_提供了一個(gè)新工具。在使用源自無人機(jī)影像的三維數(shù)據(jù)估算熱帶森林生物量方面, 基于不同方法和參數(shù)設(shè)置自動(dòng)形成的數(shù)字地形模型所估算的生物量, 與107個(gè)樣地地面調(diào)查結(jié)果相比沒有顯著差異[45]。另外, 為了評(píng)估無人機(jī)應(yīng)用于長(zhǎng)期生態(tài)學(xué)研究中價(jià)值, 基于無人機(jī)的林冠層變量、詳細(xì)的地面樹干數(shù)據(jù)、地形和土壤變量, 在廣東鼎湖山20公頃的亞熱帶森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地, 評(píng)估了這些變量在解釋局域尺度林分和物種測(cè)量中變異的相對(duì)重要性。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 基于無人機(jī)的林冠層變量較好地解釋局域生物多樣性格局, 且更具體地支持構(gòu)建所觀察到森林生物多樣性的林窗動(dòng)態(tài)假說; 林分?jǐn)嗝娣e與林冠層封閉度正相關(guān), 顯示保護(hù)老齡林作為碳匯的重要性; 地形和土壤變量的重要性也得以證明, 支持構(gòu)建生物多樣性格局的生境差異性假說; 物種水平分析顯示, 喜光物種(與耐蔭物種相比)更強(qiáng)烈地與林冠層變量關(guān)聯(lián)[46]。

3.2 人居環(huán)境宜居性評(píng)價(jià)

基于社區(qū)的森林監(jiān)測(cè)小型無人機(jī), 在熱帶區(qū)域的性能和潛力評(píng)價(jià)表明, 小型無人機(jī)的應(yīng)用能促進(jìn)基于社區(qū)的森林監(jiān)測(cè); 如果能給社區(qū)提供外部協(xié)助和資金贊助, 這種監(jiān)測(cè)方法在熱帶地區(qū)許多地方是可行的[47]?；谶b感的無人機(jī)演化也能很好地解決當(dāng)前的城市問題、確保城市區(qū)域的可持續(xù)性和恢復(fù)性[48]。從無人機(jī)遙感影像估算農(nóng)林牧系統(tǒng)人造林的位置和高度方面, 在松樹上是可靠的, 但對(duì)于橡樹的可靠性則依賴于樹木的尺寸; 更小的樹格外地存在疑難, 因?yàn)檫@些樹傾向于擁有不規(guī)則的樹冠外形, 進(jìn)而導(dǎo)致更大的誤差[49]。目前, 政府主管部門和社會(huì)各界也意識(shí)到無人機(jī)使用過程中面臨的法律法規(guī)不完善、泄露個(gè)人隱私等問題[22]; 尤其在人口高度密集的城市化區(qū)域, 更應(yīng)加強(qiáng)無人機(jī)飛行管理、保護(hù)公共安全。

4 保護(hù): 無人機(jī)技術(shù)可支撐山水林田湖草生命共同體的綜合保護(hù)

4.1 保護(hù)生物多樣性資源與安全

無人機(jī)極大地提升了新形勢(shì)下生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)的技術(shù)支撐力度。無人機(jī)系統(tǒng)可用于記錄野生動(dòng)物豐富度、行為和生境, 獲取野外監(jiān)測(cè)區(qū)的照片、音視頻數(shù)據(jù); 此外, 無人機(jī)技術(shù)還在促進(jìn)生物多樣性保護(hù)等自然科學(xué)的發(fā)展[42, 50, 51]。專用于生物多樣性保護(hù)的低成本自動(dòng)航空飛機(jī), 其飛行距離可達(dá)25公里, 飛行時(shí)間可達(dá)50分鐘[52]。無人機(jī)能在異質(zhì)景觀中分辨和量化關(guān)鍵樹種, 掌握樹木健康狀況[53], 達(dá)到分辨高空中的物種, 促進(jìn)形成針對(duì)高空的保護(hù)生物學(xué)關(guān)鍵技術(shù)。無人機(jī)在植物保護(hù)還有更多真實(shí)的案例和經(jīng)驗(yàn), 如從秘魯?shù)母呱礁珊抵脖坏郊永毡鹊母珊瞪? 以及到南非和巴西亞馬孫的濕潤(rùn)森林, 4500多公里的野外飛行經(jīng)驗(yàn)展示無人機(jī)技術(shù)如何用于繪圖、量化和監(jiān)測(cè)植物物種[54]。

4.2 保護(hù)生態(tài)文明價(jià)值觀與綠色生活方式

落實(shí)生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策并維持長(zhǎng)效保護(hù)機(jī)制, 是保護(hù)好全方位生態(tài)空間與最普惠生態(tài)屏障的重要手段。保護(hù)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施需要綜合考慮數(shù)量與質(zhì)量?jī)煞矫? 主要有城市森林、綠地、生態(tài)廊道、垂直綠化、河涌濕地等類型, 呼吁人們培養(yǎng)不塌紅線、嚴(yán)守底線的保護(hù)意識(shí)[55]。公眾對(duì)無人機(jī)的普及應(yīng)用、以及如何更好地開展保護(hù)科學(xué)存在不同觀點(diǎn)或意見; 例如美國(guó)民眾對(duì)使用無人機(jī)開展生物多樣性保護(hù)表現(xiàn)出中等到強(qiáng)烈的支持力度, 但是對(duì)其他用途意見不一致, 特別強(qiáng)調(diào)主動(dòng)向公眾保證正當(dāng)使用無人機(jī)的重要性, 避免可能刺激下意識(shí)產(chǎn)生反對(duì)的對(duì)抗信息或者暗示[56]。無人機(jī)和遙感應(yīng)用于墨西哥城市湖泊取樣, 從不同空間和時(shí)間角度測(cè)量都會(huì)顯著影響水體中藍(lán)藻細(xì)菌監(jiān)測(cè)結(jié)果, 且光譜分析確認(rèn)銅綠微囊藻的存在和空間分布[57]; 通過最細(xì)微的藻類研究能真實(shí)地反映出當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量好與壞, 也一定程度上感知到民眾所具有的生態(tài)保護(hù)意識(shí)。當(dāng)下, 人與自然和諧共處, 城市與鄉(xiāng)村協(xié)同發(fā)展是社會(huì)公共希冀, 新興科技手段的應(yīng)用應(yīng)該有機(jī)融合進(jìn)來, 并發(fā)揮正面作用。

5 案例分析: 無人機(jī)技術(shù)助力南沙河涌景觀風(fēng)貌帶特征研究

5.1 研究背景

廣州市南沙區(qū)河涌形態(tài)筆直, 并排分布, 這種受海潮影響?yīng)毦咛厣暮恿餍螒B(tài)為20世紀(jì)70年代人工圈圍填海所留下的水道, 當(dāng)?shù)鼐用裱睾佑拷ㄔ旆课? 利用河涌開展水上交通, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng),進(jìn)而形成獨(dú)具地域特色的河涌景觀風(fēng)貌。河涌自北向南依照形成時(shí)間的先后順序依次分布, 按1涌—19涌依次命名。本案例野外工作開展于2016年7月, 自北向南依次選取第3、7、11、14以及18號(hào)共5條河涌為研究對(duì)象, 利用通用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行河涌景觀風(fēng)貌帶特征研究(圖1); 并采用“點(diǎn)、線、面、體”相結(jié)合的方法, 從植物、河流、建筑以及河岸帶整體景觀風(fēng)貌等方面對(duì)河涌景觀特征進(jìn)行了分析。景觀特征評(píng)估法將景觀視為一個(gè)整體, 以一定區(qū)域范圍為研究對(duì)象, 關(guān)注景觀的“特異性”而非“價(jià)值”, 能有效識(shí)別區(qū)域景觀典型特征要素, 把握景觀的發(fā)展演替規(guī)律, 是一種理解景觀內(nèi)涵、發(fā)現(xiàn)景觀問題、有效指導(dǎo)規(guī)劃建設(shè)實(shí)踐的有力工具。景觀特征評(píng)估法有固定的工作步驟, 可根據(jù)實(shí)際問題和研究目標(biāo)的不同靈活采用各種方法, 應(yīng)用到景觀管理實(shí)踐[58]。景觀特征評(píng)估的整個(gè)過程包括景觀的特征化與景觀的評(píng)估與決策兩個(gè)階段, 按照“劃定范圍—桌面研究—田間調(diào)查—特征分區(qū)與描述”的步驟依次進(jìn)行, 景觀的評(píng)估與決策階段按照“選定方法—評(píng)估—決策”步驟依次進(jìn)行。

5.2 研究策略與方法

根據(jù)廣州南沙區(qū)土地利用與覆蓋資料和衛(wèi)星遙感影像, 同時(shí)比對(duì)衛(wèi)星遙感資料和無人機(jī)照片, 考慮區(qū)域地內(nèi)地形地貌、植被密度、建筑分布格局、水體形式等信息, 將河涌景觀風(fēng)貌帶景觀分為聚落景觀、自然景觀、生產(chǎn)景觀、水體景觀等四種類型?；跓o人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)了廣州市南沙區(qū)典型河涌的景觀要素地理位置, 初步研究了各要素空間分布格局(圖2)。本案例參考英國(guó)景觀特征評(píng)估法, 采用桌面研究、實(shí)地調(diào)研與訪談相結(jié)合的方法對(duì)5條河涌進(jìn)行景觀特征評(píng)估, 采用桌面研究和實(shí)地調(diào)研相結(jié)合。第一步是劃定范圍: 基于影像衛(wèi)星影像、無人機(jī)照片、相關(guān)文獻(xiàn), 參照實(shí)地的調(diào)研情況, 劃定廣州南沙區(qū)河涌主體及兩岸一定的區(qū)域?yàn)檠芯糠秶? 確定河涌景觀風(fēng)貌帶范圍, 從河涌區(qū)域尺度出發(fā)進(jìn)行景觀特征評(píng)估。第二步是景觀特征分區(qū): 根據(jù)南沙河涌風(fēng)貌帶范圍內(nèi)的自然特征和人為特征信息, 將各信息地圖進(jìn)行疊加, 形成不同類別的景觀特征類型, 對(duì)河涌景觀風(fēng)貌帶進(jìn)行初步景觀特征分區(qū);在室內(nèi)分區(qū)基礎(chǔ)上, 在各特征區(qū)域內(nèi)均勻選取樣點(diǎn)進(jìn)行外業(yè)調(diào)查, 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)河涌景觀風(fēng)貌帶典型景觀要素判讀, 歸納景觀組合方式, 詳細(xì)記錄在室內(nèi)無法獲得感知等方面的信息, 進(jìn)行景觀特征分區(qū)細(xì)化, 形成最終的南沙河涌景觀風(fēng)貌帶特征區(qū)域地圖, 并分區(qū)域進(jìn)行景觀特征描述。第三步是景觀特征評(píng)估: 對(duì)各河涌景觀風(fēng)貌帶進(jìn)行景觀特征評(píng)估, 擬定景觀特征評(píng)估體系, 根據(jù)各特征區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研, 獲得各特征信息, 從水體、岸線、植被、鄉(xiāng)愁感知等方面出發(fā)進(jìn)行河涌景觀風(fēng)貌帶特征評(píng)估, 從各河涌風(fēng)貌帶特征和各特征區(qū)域兩方面進(jìn)行對(duì)比分析, 形成河涌景觀風(fēng)貌帶特征評(píng)估報(bào)告。第四步是提出景觀建設(shè)策略: 在對(duì)河涌景觀風(fēng)貌帶特征評(píng)估的基礎(chǔ)上, 對(duì)河涌沿線居民進(jìn)行深入訪談, 了解河涌的演變歷史, 同時(shí)結(jié)合居民對(duì)河涌景觀風(fēng)貌建設(shè)的評(píng)價(jià)和意見, 提出河涌景觀風(fēng)貌帶建設(shè)策略。

注: 左圖的陰影區(qū)域?yàn)槟仙硡^(qū)研究樣點(diǎn)范圍; 右圖的實(shí)線為5條河涌示意圖。

Figure 1 Location of the study area in Nansha District, Guangzhou City (adopted from Baidu Maps)

5.3 主要結(jié)果

從3涌至18涌, 河岸帶風(fēng)貌自然度呈降低趨勢(shì)、景觀破碎度呈增加趨勢(shì), 這可能河涌形成時(shí)間有關(guān)。河涌形成時(shí)間越晚, 其景觀風(fēng)貌在形成過程中受城市化影響越大, 人們對(duì)景觀干擾程度更劇烈, 因此整體河岸帶景觀風(fēng)貌自然度降低, 景觀破碎度增加。本案例將河岸帶景觀作為一個(gè)整體, 發(fā)現(xiàn)其沿岸村莊呈帶狀型分布, 呈散點(diǎn)狀鑲嵌式發(fā)展。此外, 根據(jù)河涌沿岸植物景觀要素與建筑、水體等景觀要素的空間關(guān)系, 將其分為風(fēng)水林、庭院林、道路林、公共游憩林、水岸林, 并對(duì)各類植物景觀要素特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明, 水岸林是河岸帶植物景觀風(fēng)貌的優(yōu)勢(shì)主體, 且在河涌景觀發(fā)展過程中沒有發(fā)生變化。結(jié)合實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn), 竹林叢生、果樹成群的植物景觀風(fēng)貌是南沙區(qū)河岸帶植物景觀風(fēng)貌的典型特征, 但是隨著時(shí)間的推移, 人們對(duì)河岸帶植物景觀風(fēng)貌的影響在加強(qiáng), 這種景觀特征正在逐漸減弱, 植物景觀風(fēng)貌開始呈現(xiàn)出果樹化、自然生態(tài)化向觀賞化、城市化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。城市化對(duì)河岸帶植物景觀特征具有影響, 如何維持和建設(shè)功能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、地帶性風(fēng)貌特征突出的河涌植物生態(tài)系統(tǒng)已成為當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的重要訴求。基于上述分析結(jié)果, 對(duì)河涌植物景觀風(fēng)貌建設(shè)提出了相應(yīng)的建設(shè)策略: 建議在保留現(xiàn)有自然粗放的植物景觀風(fēng)貌的基礎(chǔ)上, 延續(xù)現(xiàn)有喬木果樹景觀風(fēng)貌, 適當(dāng)增加生態(tài)性較強(qiáng)的地方鄉(xiāng)土樹種以加強(qiáng)其生態(tài)防護(hù)功能; 同時(shí)考慮增加觀賞性灌木以滿足居民審美需求。

圖2 城市化影響下廣州南沙區(qū)河涌景觀要素組合方式

Figure 2 Landscape components and configurations of river channels in the context of urbanization in Nansha district, Guangzhou city

南沙河涌主要構(gòu)景要素為河涌水系(河涌、水塘)、竹林掩映的河岸帶、聯(lián)排河涌居民聚落、建筑外圍和水塘周圍的林果地以及水工構(gòu)筑物(橋、水閘、碼頭)等。當(dāng)?shù)鼐用褡≌?lián)排沿河涌分布, 河涌道路與跨河橋臺(tái)形成完整的交通系統(tǒng), 呈現(xiàn)出“鄰水而居”的聚落布局。河岸帶大片的叢生竹可綠化護(hù)坡, 也可作為房屋建筑、瓜果棚架用材; 龍眼、黃皮、楊桃、香蕉等植物除了在聚落道路、庭院等方面起綠化作用, 還可為當(dāng)?shù)孛癖娞峁┦澄镅a(bǔ)充; 黃皮、龍眼、羅漢松、香樟等具有風(fēng)水寓意的植物用于營(yíng)造風(fēng)水林; 九里香、雞蛋花等芳香植物栽種于房前屋后。這種多用途的植物綠化方案, 顯示出民眾對(duì)鄉(xiāng)土景觀文化的偏好與維持，可為嶺南地區(qū)高度城市化背景下河涌水系、林網(wǎng)綠化、鄉(xiāng)土景觀與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)策略制定和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

6 結(jié)論與啟示

國(guó)外內(nèi)許多研究都表明, 無人機(jī)技術(shù)已在各行各業(yè)有較好的實(shí)際應(yīng)用。在城市化發(fā)展水平逐漸提高的時(shí)代, 以無人機(jī)為代表的新興技術(shù)會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間, 也將促進(jìn)林業(yè)、生態(tài)、環(huán)保、城市管理等更好發(fā)展。在珠三角地區(qū), 快速城市化使得鄉(xiāng)土景觀風(fēng)貌發(fā)生巨大改變, 河涌作為當(dāng)?shù)匾环N特殊的生態(tài)系統(tǒng)類型, 其現(xiàn)實(shí)存在與未來也面臨新的挑戰(zhàn)。在全球化和城市化大背景下, 植物同質(zhì)化和生境破碎化現(xiàn)象越來越明顯[59]。廣州南沙河涌沿岸具有較高的植物豐富度(達(dá)70科143屬159種)和景觀類型, 但其地帶性風(fēng)貌特征和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能受到劇烈、頻繁的人為干擾, 未來該地區(qū)的河涌植物生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)注重保護(hù)與恢復(fù)重建鄉(xiāng)土景觀, 增加生態(tài)和景觀功能兼?zhèn)涞牡貛脏l(xiāng)土樹種, 如小葉榕、麻楝、蒲桃、假蘋婆、大葉相思、叢生竹等, 在保留現(xiàn)有自然粗放的植物景觀風(fēng)貌基礎(chǔ)之上, 增加其生態(tài)防護(hù)功能, 凸顯其獨(dú)特的水岸植物風(fēng)貌特征[15, 60]。已正式發(fā)布的《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》這個(gè)綱領(lǐng)性文件全面闡述了粵港澳大灣區(qū)的戰(zhàn)略定位、發(fā)展目標(biāo)、空間布局等重大事項(xiàng), 在推進(jìn)粵港澳大灣區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的具體工作中, 以無人機(jī)為代表的新興科技手段, 將極大助力美麗灣區(qū)建設(shè), 進(jìn)一步掌握并提升區(qū)域森林景觀與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 使大灣區(qū)早日實(shí)現(xiàn)天更藍(lán)、山更綠、水更清、環(huán)境更優(yōu)美的城市人居生態(tài)環(huán)境。

致謝: 部分內(nèi)容源自作者第二屆“無人機(jī)遙感在生態(tài)學(xué)地理學(xué)中的應(yīng)用研討會(huì)”上的報(bào)告發(fā)言。感謝唐洪輝團(tuán)隊(duì)在外業(yè)中提供的無人機(jī)技術(shù)支持, 楊龍和孫中宇博士在成稿過程提供的寶貴意見。

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Review on applications of unmanned aerial vehicles in landscape configurations of river channels in Nansha district, Guangzhou city

ZHANG Ye1, PEI Nancai2,*, HE Bihong3, SHI Xin2, SUN Bing2, YU Bin2, YING Xiaoyang2, WANG Ziyan4, TANG Sainan5, JIN Yibo6, LIU Xiaotian2, TANG Yija2, ZHU Yingfang7, SUN Qian8

1. Department of Resources and the Urban Planning, Xinhua College of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510520, China 2. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520, China 3. Guangdong Provincial Sha Tau Kok Forest Farm, Shenzhen 518081, China 4. International Center for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China 5. Planning and Design Institute of Forest Products Industry, National Forestry and Grassland Administration, Beijing 100010, China 6. The Third Construction Co., Ltd of China Construction Third Engineering Bureau, Wuhan 430000, China 7. School of Science, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, China 8. Geospatial Sciences, School of Science, GPO Box 2476, RMIT University, Melbourne VIC 3001, Australia

Urban ecosystem is developing towards a hit in the field of interdisciplinary science, incorporating theoretical frameworks and research approaches from natural sciences (e.g., forestry and ecology) and social sciences (e.g., management science and human geography), particularly in the era of rapid urbanization and advanced society. As an emerging technology, UAV remote sensing has been commonly used in many disciplines including biology, geography, information science, etc. The present paper briefly summarized the applications of UAV in forest research and management, mainly from the perspective of monitoring, research, evaluation and conservation. Furthermore, the paper analyzed landscape components and configurations of river flood in Nansha District, Guangzhou City, which was illustrated as a case study for practical use of UAV in China’s urban forestry. This paper tended to shed new light on the research and management on forest ecology, biodiversity and human habitat in urbanized regions.

drone remote sensing; Guangdong-HongKong-Macao Greater Bay Area; forest city agglomeration; urban forest and green spaces; human habitat; ecological civilization construction

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.029

S157.2

A

1008-8873(2020)03-231-10

2019-07-01;

2019-09-02

中國(guó)林科院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金青年人才項(xiàng)目(CAFYBB2017QB002), 中山大學(xué)新華學(xué)院博研計(jì)劃, 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助(CAFYBB2018GB001)。

張曄(1987.08—), 女, 江西人, 講師, 碩士, 主要從事園林景觀設(shè)計(jì)等方面的教學(xué)和研究工作, E-mail: zhangye87.86@163.com

裴男才(1984.09—), 男, 江西人, 副研究員, 博士, 碩士生導(dǎo)師, 主要從事森林生物學(xué)、城市林業(yè)等方面的研究工作, E-mail: nancai.pei@gmail.com

張曄, 裴男才, 何碧紅, 等. 無人機(jī)技術(shù)在廣州南沙區(qū)河涌景觀特征生態(tài)調(diào)查中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2020, 39(3): 231–240.

ZHANG Ye, PEI Nancai, HE Bihong, et al. Review on applications of unmanned aerial vehicles in landscape configurations of river channels in Nansha district, Guangzhou city[J]. Ecological Science, 2020, 39(3): 231–240.