基于无人机航拍和生态位模型的草原毛虫宜生区研究

受观测手段限制,目前对区域尺度草原毛虫(Gynaephora alpherakii)空间分异特征和宜生区分布尚不清楚,本研究基于无人机航拍分析系统获取祁连山国家公园青海片区高寒草原毛虫空间分异特征,结合BIOMOD生态位模型和观测样地所对应草地植被、土壤、气候和地形等环境因子,获取祁连山国家公园青海片区历年草原毛虫生态位,划分草原虫害宜生区。结果表明:所有野外观测样点中,草原毛虫空间分布异质性较大,其出现的观测样点占所有观测的5.77%,不同监测点总数为1~2 046头,同一监测点内为0~136头。所有生态位模型中,RF模型对草原毛虫生态位模拟精度最高,Kappa系数、TSS和AUC分别为0.6、0.75和0.93。草原毛虫一级到三级宜生区面积较小(占总面积的14.68%),主要分布于研究区中东部,四级和五级宜生区面积较大(占总面积的85.32%),主要分布在研究区西部。无人机航拍技术高效地提供了草原毛虫空间分布研究的基础数据,可为进一步定量认识草原毛虫的生态学地位及虫害预警、防控措施的制定提供理论和实践基础。

互花米草防治和麋鹿保护的系统耦合作用——基于自然的解决方案

互花米草(Spartina alterniflora)是典型的外来入侵物种,因其繁殖力和适应力强难以防治,直接威胁我国滨海滩涂湿地生物多样性,改变了该生态系统的结构和功能;麋鹿(Elaphurus davidianus)是我国I级保护动物,是野生动物迁地保护和回归自然的典范,但仍面临野生种群稳定性低、与保护区环境承载力矛盾尖锐的问题。麋鹿喜食互花米草,其牧食行为可有效调控互花米草的时空分布格局,提升滨海滩涂湿地生态系统功能和稳定性,并为其自身野化回归提供良好的环境。目前针对互花米草防治和麋鹿保护的研究较多,但少有二者耦合作用的探讨。尝试借助草地农业系统理论阐释互花米草防治和麋鹿保护(互花米草&麋鹿)耦合发展的范式和潜在机制,即寻求基于自然的克服系统相悖的解决方案。以期打破珍稀物种保护和入侵物种防控各自为战的范式,探索二者耦合发展思路和陆海农业实践。同时,探讨了利用无人机等技术搭建滨海滩涂湿地互花米草&麋鹿耦合系统的空-天-地一体化监测、分析和管理体系。

MODIS NDVI饱和性对高寒草甸草地生物量遥感估测的影响——以青藏高原东缘为例

自20世纪70年代开始,归一化植被指数(NDVI)在天然草地地上生物量估测研究中得到了广泛应用。然而,NDVI对高密度植被生物量遥感估测存在饱和现象,使草地生物量遥感估测有较大的不确定性。以青藏高原东缘高寒草甸为例,基于比值植被指数(RVI)探讨了NDVI的饱和性,并评估了NDVI饱和性对高寒草甸地上生物量时空动态变化分析的影响。结果表明:(1)虽然基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)NDVI构建的草地地上生物量估测模型精度较基于RVI构建的估测模型高,但模型对高寒草地地上生物量(生物量大于2314.627 kg/hm^(2))灵敏度较RVI估测模型低,即NDVI阈值大于0.73时,估测模型呈现饱和现象(低估了草地地上生物量);(2)结合RVI和NDVI的相关关系,对饱和部分NDVI遥感植被指数进行校正,校正后最优地上生物量遥感估测模型为线性模型(y=5908.5x-2198.9,R=0.6190,RMSE=902.41 kg/hm^(2)),较调整前RMSE降低了11.72 kg/hm^(2);(3)就NDVI饱和性空间分布而言,从全年6月—9月初(全年第161—257天)饱和性呈现先自东南向西北延伸,后自西北向东南消退的变化趋势,平均低估值介于158.45—293.92 kg/hm^(2)之间,最大低估值出现在8月初(全年第225天),超过600 kg/hm^(2);(4)此外,NDVI饱和性对草地地上生物量年际动态变化趋势分析具有较大的影响,去除饱和性影响后草地地上生物量基本不变的区域减小了21.44%,而年际变化小于-10 kg/hm^(2)和大于30 kg/hm^(2)的区域分别增加了8.48%和16.19%。研究探讨了NDVI饱和性对草地地上生物量遥感估测的影响,以期为精确评估高寒草地地上生物量提供理论依据,同时也为高寒草地资源可持续发展提供科学依据。

气候变化和人类活动背景下高原鼠兔动态分布预估研究进展

高原鼠兔是青藏高原的特有种,也是高寒草地生态系统的关键种,但其在特定条件下的暴发也会对高寒草地产生不利影响,因而受到广泛的关注。自20世纪70年代末以来已经开展了大量的高原鼠兔生理、行为、生境及其对草地影响的工作,取得了重要的研究成果,且已经有不少综述工作。文章从生态位模拟以及基于过程的模拟角度出发,首先简要介绍了高原鼠兔的主要生活史,其次介绍了环境(气候、放牧、小生境、捕食)与高原鼠兔间的相互作用,再分别介绍了生态位模拟和基于过程模拟的现状以及模拟高原鼠兔种群变化需要着重关注的重点,最后指出了目前研究存在的不足以及未来重点研究的方向。

基于无人机采集样本预测黄河源区小花草玉梅的时空分布

小花草玉梅(Anemone rivularis)是多年生草本植物,在黄河源区分布较为广泛,其过量分布会限制当地草地畜牧业发展,并导致生态系统稳定性和服务功能下降。目前尚没有在区域尺度上开展小花草玉梅时空分布的研究,基础分布数据集和高效、高精度观测方法的缺失是主要限制因素之一。本研究利用自主开发的无人机路径规划和信息提取系统(FragMAP)在黄河源区布设404个样本采集点并获取小花草玉梅的基础分布数据,通过物种分布集成预测平台(BIOMOD)明晰关键的影响因素,模拟小花草玉梅的潜在分布,并预测未来不同气候情景下其在黄河源区的空间分布规律以及适宜生境的变化。结果表明:1)黄河源区小花草玉梅的空间分布主要受年均降水、土壤pH和年均温度等因素的影响。2)在当前气候情景下小花草玉梅主要分布于黄河源区东南部的红原县、阿坝县、玛曲县和若尔盖县等区域。3)在未来气候情景下,小花草玉梅的空间分布随着未来气温的升高呈扩大趋势。本研究首次在黄河源区刻画了小花草玉梅的分布特征并预测其在不同气候情境下的演变趋势,为高寒草地开展毒杂草的适时防控、合理管理和利用提供技术支持。

青海省河南蒙古族自治县高原鼠兔洞口空间分布格局及其成因研究

黄河源区位于我国青藏高原东北部,是重要的生态屏障和生物多样性宝库。高原鼠兔(Ochotona curzoniae)在黄河源区广泛分布,认识高原鼠兔时空分布特征对了解其在生态系统中的作用具有重要意义。采用无人机技术,通过自主研发的无人机航拍系统,于2016年8月、2017年8月、2017年12月、2018年5月多次在位于黄河源区的青海省黄南州河南县进行野外航拍工作,共布设了29个工作点(每个工作点单独设置航线,包含12~16个固定拍摄点),共计拍摄500余张定点航拍照片,每张照片覆盖地面35 m×26 m范围。同时,对工作点进行了相关地面调查。河南县高原鼠兔洞口分布异质性较大,分布极不均衡。鼠洞密度在2016-2017年间有增加趋势,由平均14.7个·亩^-1增加到20.1个·亩^-1。影响鼠洞分布的因素较为复杂,如气候、植被、放牧、土壤、招鹰架的布设及灭鼠等。就放牧强度与离水源地距离两点加以分析,结果表明在中等放牧强度下和与水源地有一定距离(50~200 m)的环境下鼠洞密度较高。

基于无人机的高寒草甸地表温度监测及影响因素研究

地表温度直接影响地表感热、潜热及辐射能量传输过程,是研究寒区植被生态水文过程的重要参数。以疏勒河源区高寒草甸为研究对象,利用无人机搭载普通及热红外相机获取6块样地植被盖度及地表温度数据,用以评估热红外相机在高寒草甸地表温度监测中的应用精度,分析高寒草甸地表温度变化特征,并结合气象因子及植被盖度数据,探究地表温度的影响因素。结果表明:热红外影像地表温度与地面实测值具有较高一致性(R2≈0.75),平均误差5℃以内;高寒草甸地表温度在9:00-18:00时段内表现为快速升温达到峰值继而波动下降的趋势,观测期内(7月4日-8月17日)未表现出显著日际变化趋势;气象因子中,太阳辐射和空气温度与地表温度呈显著正相关,起到增温作用,而空气湿度抑制地表增温,表现为显著负相关;连续降水降低裸土温度,植被覆盖度与地表温度呈现出正相关变化趋势。无人机热红外遥感技术可以快速、精准获取高分辨率地表温度数据,为高寒草甸干旱监测、土壤水分及蒸散发等反演提供数据支持。

无人机技术在草原研究和管理中的应用

无人机具有机动、灵活、作业范围大、用途多等优点,是草原管理越来越重要的工具。世界范围内,无人机技术的应用研究还处于起步阶段,因此,系统地梳理发展现状,分析无人机技术在草原管理的应用和发展前景,对于无人机技术的发展至关重要。为此,本文总结了近年来无人机技术在草原植被和土壤监测、放牧家畜和野生动物监测与管理、草原生物灾害和气象灾害的评估与管理等方面的进展;总结问题所在,展望应用无人机与传感器、遥感器、人工智能等结合的前景,以期为促进无人机技术在草原管理的作用提供参考。

利用无人机开展草原鼠害调查监测的研究

分析无人机调查的害鼠洞口数和人工调查的害鼠洞口数的数据得出:无人机调查的害鼠洞口数与人工调查的害鼠洞口数基本相同、相互吻合,因此,利用无人机进行草原鼠害野外调查监测可行。此方法,不仅可用于草原鼠害的调查监测,对于草原其他有害生物的调查监测也具有实际的借鉴意义,对提高青海省草原有害生物监测技术水平具有重要推动作用。

激光雷达飞行参数对低矮植被高度反演的影响——以大疆禅思L1为例

植被高度是动态监测植被生长状况的重要参数。机载激光雷达测量(LiDAR)因其良好的穿透力常用于森林高度反演,而鲜有应用LiDAR反演低矮植被高度的研究。本研究以皋兰生态与农业综合研究站为研究区,使用大疆禅思L1激光雷达在不同飞行高度、悬停时间、定位系统(基于网络进行差分计算的Nrtk定位系统与基于移动接收器进行差分计算的Drtk定位系统)下获取不同植被的点云数据,以探究飞行参数对于反演精度的影响。结果表明:Drtk与Nrtk定位系统精度相当,无网络时Drtk系统可替代Nrtk使用。悬停时间5 s与10 s的精度差异不大,10 s的精度略高。当植被高度低于60 cm时,飞行高度宜设为20 m;植被高度大于60 cm时,飞行高度可设为40 m以扩大采样范围。在反演精度方面,当植被高度低于30 cm时,反演误差在±30%内;而当植被高度大于40 cm时,则呈现出明显的低估现象。本研究对于应用大疆禅思L1激光雷达进行大范围低矮植被高度获取的相关研究具有重要的现实意义。

中国生态脆弱区联网协同观测及其在承载力研究中的应用

生态脆弱区约占中国国土面积的60%以上,全球变化和人类活动导致该区域生态系统退化加剧,资源环境承载力降低。准确量化生态脆弱区资源环境承载力对于应对全球变化风险挑战和加快生态文明建设进程具有重要意义。然而,现有的区域资源环境承载力评估方法很难体现生态系统结构、过程和功能变化在资源环境要素与承载力之间的传导作用。因此,构建网络化的野外观测体系以及获取资源环境要素-生态系统结构功能和过程-生态系统承载力变化的综合数据集,是发展资源环境承载力理论和评估方法的必要途径。本文介绍了通量以及无人机协同监测网络,包括思路、实践以及其在生态脆弱区生态系统结构、过程和功能研究中取得的初步成果。同时,基于目前已取得的成果和进展展望了联网协同观测在承载力评估方面的应用。

基于BIOMOD的黄河源区高原鼠兔潜在分布及其影响因子

高原鼠兔(Ochotona curzoniae)在黄河源区广泛分布,是高寒草地生态系统中的关键种。认识高原鼠兔的空间分布及其影响因子对了解草地退化的原因、"黑土滩"的形成和高原鼠兔对栖息地的选择以及在生态系统中的作用有重要意义。本研究使用无人机获取黄河源区的高原鼠兔存在/不存在数据,使用BIOMOD物种分布集成预测平台,用10种不同模型对该区域的高原鼠兔潜在分布进行预测。结果表明,应用BIOMOD能降低预测的不确定性和误差,提高预测的精度,随机森林(random forest, RF)能较好地预测该区域的高原鼠兔分布。本研究为预测高原鼠兔潜在分布提供了新的方法,研究结果可为当地高原鼠兔防治提供相应的科学依据。

基于无人机的草原毛虫监测初探

草原毛虫(Gynaephora alpherakii)是青藏高原高寒草地生态系统和畜牧业的主要害虫之一。草原毛虫幼虫监测是刻画其时空分布特征、评估致害等级及有效防控的基础。然而,受限于观测成本、效率和精度,传统监测方法无法满足大尺度、动态、定点开展草原毛虫幼虫监测的需求。本研究提出一种基于无人机的草原毛虫幼虫的高效、准确、定点、适宜大尺度开展的监测方法(Belt mode based on unmanned aerial vehicle,UAVBelt)并予以实地验证。研究结果表明,UAVBelt方法在监测效率、代表性、对草地破坏性(并克服取样障碍)及提高时效性、可预报性等方面均优于传统方法;基于具备地形跟随和变焦功能的无人机(Mavic 2 Zoom)的监测方法(Belt mode based on Mavic 2 with double optical zoom,UAVM2)在取样均一性、数据提取效率和准确性等方面更优。结合无人机自动航拍和分析系统(fragmentation monitoring and analysis with aerial photography,FragMAP),UAVM2监测方法在草原毛虫幼虫信息提取、灾害预警、高效防控等方面具有巨大的应用潜力,可为青藏高原畜牧业和生态系统可持续发展提供必要的理论和实践指导。

基于BIOMOD的黄河源区黄帚橐吾分布

黄河源区位于青藏高原东北部,属生态环境脆弱的高寒区。黄帚橐吾(Ligularia virgaurea)广泛分布于黄河源区,是限制该区域草地畜牧业发展、导致该区域系统稳定性和服务功能下降的最主要毒杂草之一。目前鲜有黄帚橐吾区域尺度时空分布的研究,而缺乏大尺度、高精度、高效率的监测手段是其主要限制因素。本研究利用团队自主开发的基于无人机的协同航拍和分析系统(Fragmentation Monitoring and Analysis with Aerial Photography,FragMAP)对黄河源区黄帚橐吾的分布进行基础调查,获取有效样本(航拍照片)5000余个并提取黄帚橐吾存在/不存在数据。基于生物多样性模拟(biodiversity modelling,BIOMOD)模型集成平台,采用10种不同模型模拟该区域的黄帚橐吾潜在分布格局及其对气候变化的响应。结果表明:1)BIOMOD能降低预测的不确定性和误差,提高预测精度;2)广义增强回归模型(generalised boosting model,GBM)预测黄河源区黄帚橐吾当前潜在分布效果最好,而随机森林(random forest model,RF)模型则能更好地预测其未来分布,决定黄帚橐吾空间分布的主要因素有小生境[归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)最大值、平均值和范围]、年平均辐射、最冷季辐射、最湿季辐射、最湿期降水等;3)气温升高会导致黄帚橐吾分布范围增加,尤其是源区中部偏东南区域。本研究模拟了黄河源区黄帚橐吾的时空分布特征,为进一步开展其致害等级评价、合理利用和适时防控等工作提供数据支撑,也为该区域草地生态系统和畜牧业的可持续发展提供科学依据。同时,本研究利用FragMAP系统获取大量标准统一、时间序列长、尺度大、精度高的航拍照片,可为BIOMOD模型提供充足、有效的数据基础,从而为草地生态系统生物多样性的研究和保护提供了新方法和新手段。

基于组合物种分布模型的黄河源区鹅绒委陵菜适宜生境及其对气候变化的响应

鹅绒委陵菜(Potentilla anserina)是多年生蔷薇科草本植物,在黄河源区分布较为广泛,是青藏高原主要的野生经济植物之一。目前鲜有在区域尺度上刻画鹅绒委陵菜空间分布格局的研究,没有适宜的大范围开展高精度观测方法是主要限制因素之一。本研究利用无人机路径规划和信息提取系统(FragMAP)于2018–2020年在黄河源区获取了>3000个观测样本(航拍照片)。基于高分辨率(0.55 mm)航拍照片,人工识别鹅绒委陵菜出现与否作为基础数据(即0,1型数据集),利用BIOMOD物种分布集成预测平台,结合气候、地形、土壤3类环境数据预测黄河源区鹅绒委陵菜的分布特征,并在气候变化背景下模拟2050年和2070年源区内鹅绒委陵菜的空间分布特征。结果表明:1)组合物种分布模型能降低预测的不确定性,较好地模拟黄河源区鹅绒委陵菜的空间分布特征。2)鹅绒委陵菜在黄河源区的潜在分布主要集中在中部和东南部,影响其空间分布的主要因子为年降水量和海拔高度。3)在未来气候情景下,黄河源区鹅绒委陵菜极适宜生境面积呈先增加后降低的趋势。本研究在区域尺度上刻画了鹅绒委陵菜分布特征,为高寒草地经济作物的合理管理与利用、特色农业经济发展以及黄河源区生态恢复和高寒地区的生态建设提供必要的理论和实践基础。

草地植物物种多样性测度方法及发展趋势

植物物种多样性是维持陆地生态系统多功能性和稳定性的关键要素之一。本文梳理了传统草地植物物种多样性的测度方法,结合无人机技术介绍了目前应用于草地植物物种多样性测度的新理念和新方法。传统的草地植物物种多样性测度方法依赖地面观测,需要投入大量的人力、物力且耗时,仅适合小范围的观测;卫星遥感方法受制于分辨率,难以直接对群落结构复杂、植株矮小的草地植物进行物种识别和测度,更多的是通过反演和生境模拟进行推导。无人机技术因时空分辨率高、机动灵活、成本低廉而被视为搭建传统地面调查和遥感方法的桥梁,可能成为高精度、大尺度开展草地植物物种多样性监测的突破口。未来需要将传统方法与无人机、目标自动识别等新型技术相结合,以固定站点和无人机动态监测点为基础,结合遥感信息构建"空-天-地"一体化的观测网络。