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一、植物多樣性的重要性與挑戰(zhàn)

植物多樣性，包括物種多樣性、遺傳多樣性、生態(tài)環(huán)境多樣性、生命周期多樣性等。植物的物種多樣性對(duì)群落穩(wěn)定和生產(chǎn)力具有極為重要的作用。對(duì)于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)而言，植物物種的多樣性保證了消費(fèi)者的食物供應(yīng)、多樣的棲息地環(huán)境以及對(duì)植物物候和水循環(huán)的調(diào)節(jié)能力。同時(shí)在生態(tài)服務(wù)，如碳儲(chǔ)存、水源涵養(yǎng)、土壤保護(hù)中尤為重要。人類活動(dòng)、極端氣候、物種入侵等事件導(dǎo)致植物的生物多樣性喪失加劇，生物多樣性保護(hù)迫切需要快 速準(zhǔn)確地收集陸地植物多樣性信息。

二、傳統(tǒng)植物多樣性調(diào)查的方法及難點(diǎn)

現(xiàn)有的植物多樣性調(diào)查主要源于野外調(diào)查，也是確定植物多樣性的基礎(chǔ)，一般需要在固定樣方大小內(nèi)甄別植物的物種數(shù)量以及各物種的占比。它主要包括兩個(gè)步驟：一是野外收集植被樣本，二是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行鑒定和分類。整個(gè)過(guò)程需要專業(yè)的植物學(xué)家全程參與。地面調(diào)查雖然可以提供非常精確的調(diào)查結(jié)果，但是要想實(shí)現(xiàn)大尺度的研究卻不可能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍的植物多樣性評(píng)價(jià)。

三、高光譜遙感技術(shù)在植物多樣性調(diào)查上的方法

高光譜遙感的出現(xiàn)，為大空間尺度上的植物多樣性研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)， 為生物多樣性相關(guān)理論的驗(yàn)證提供了契機(jī)。

相較于傳統(tǒng)地面觀測(cè)，遙感技術(shù)在不破壞植物的前提下能夠精準(zhǔn)提取波段信息技術(shù)。光譜數(shù)據(jù)基于光學(xué)頻譜生成，其中高光譜分辨率通常在10 nm以下，有幾十甚至數(shù)百條窄光譜帶。大量的研究表明：高光譜傳感器具有精細(xì)光譜分光和圖譜合一的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，光譜分辨率的提高加強(qiáng)了對(duì)植物物種、功能和基因水平細(xì)微差異的探測(cè)和識(shí)別。

隨著遙感技術(shù)的不斷成熟，更高分辨率的數(shù)據(jù)產(chǎn)品逐漸普及,海量遙感數(shù)據(jù)為不同尺度的生物多樣性監(jiān)測(cè)和評(píng)估提供了良好支撐。高光譜遙感手段大大減少了人力、物力的消耗，保證了多樣性監(jiān)測(cè)的時(shí)效性，滿足了對(duì)大尺度植物群落多樣性格局動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。

根據(jù)多樣性度量要求的不同，高光譜遙感對(duì)多樣性的反演方法可以分為基于光譜變異假說(shuō)的植物多樣性直接估測(cè) 和 基于定量反演的植物多樣性間接估測(cè)。

3.1.基于光譜變異假說(shuō)的植物多樣性直接估測(cè)

高光譜特征直接應(yīng)用于物種多樣性反演的理論基礎(chǔ)是光譜變異假說(shuō)SVH，這一假說(shuō)認(rèn)為生物多樣性與光譜反射率差異間存在一定的聯(lián)系。冠層生化性狀的差異主要源于群落內(nèi)多樣的物種，不同植物的化學(xué)、解剖、形態(tài)、分類特征的差異共同影響著光譜特征，因此，光譜特征的差異可以在一定程度上直接表征植物多樣性的高低。

光譜變異假說(shuō)將植物多樣性轉(zhuǎn)化為光譜特征的異質(zhì)性問(wèn)題，即通過(guò)度量不同植物群落的光譜異質(zhì)性程度來(lái)比較多樣性高低。提出了不同的方法來(lái)量化光譜異質(zhì)性（表），如應(yīng)用全譜段信息評(píng)估光譜多樣性的變異系數(shù)法，光譜角法和信息離散度法等。 

圖3. 基于光譜特征的多樣性提取原理（引自：張藝偉,等.高光譜遙感在植物多樣性研究中的應(yīng)用進(jìn)展與趨勢(shì)[J].遙感學(xué)報(bào), 2023, 27(11).）

表1 常用的描述光譜多樣性的指標(biāo)

3.2.基于定量反演的植物多樣性間接估測(cè)

高光譜技術(shù)具備了極寬的光譜范圍和較高的光譜分辨率，植被遙感監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了從定性到定量的突破。高光譜定量反演植物多樣性的間接估測(cè)重要是兩個(gè)方向：1.基于性狀反演的功能多樣性間接估測(cè)；2.基于光譜指數(shù)的多樣性間接估測(cè)。

基于性狀反演的功能多樣性間接估測(cè)包括植物功能性狀定量反演和功能多樣性度量。植物功能性狀是植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)策略的綜合表達(dá)，特定環(huán)境條件下群落內(nèi)各物種功能性狀的趨向性體現(xiàn)了群落對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)。通過(guò)高光譜遙感技術(shù)反演可大尺度獲得植物群落的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)、葉片含水量指標(biāo)、干物質(zhì)含量、葉綠素a,含量等關(guān)鍵參數(shù)而確定植物多樣性。功能多樣性度量的測(cè)定和表示方式眾多，主要有：反應(yīng)功能性狀豐富程度的FD指數(shù)、功能豐富度指數(shù)Fric、和TOP指數(shù)，反應(yīng)功能性狀均勻程度的功能均勻度FEve，反應(yīng)功能性狀分化差異的功能分散度FDiv，功能離散度Fdis。

表2基于高光譜遙感可探測(cè)的植物功能性狀

基于光譜指數(shù)的多樣性間接估測(cè)：大量研究表明，借助光譜指數(shù)可以與植物遺傳、功能和物種水平多樣性參數(shù)強(qiáng)相關(guān)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)多樣性的間接估測(cè)。高光譜數(shù)據(jù)的光譜特征參量和光譜指數(shù)是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统Ｓ玫墓庾V信息指標(biāo)。常用的植被指數(shù)有歸一化植被指數(shù)（NDVI）、增強(qiáng)植被指數(shù)EVI，土壤調(diào)整植被指數(shù)OSAVI、增強(qiáng)型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)MSAVI、調(diào)節(jié)型葉綠素吸收比率指數(shù)MCARI2、利用全波段光譜信息的全譜段植被指數(shù)法VIUPD等。

四.不同尺度高光譜遙感的產(chǎn)品介紹

隨著高光譜的技術(shù)發(fā)展，各種空間尺度的平臺(tái)越來(lái)越豐富，如：衛(wèi)星平臺(tái)、航空/無(wú)人機(jī)平臺(tái)、近地面平臺(tái)，為植物多樣性評(píng)估研究帶來(lái)了更多的數(shù)據(jù)源，以此達(dá)到不同應(yīng)用要求。

圖4. 遙感高光譜生物多樣性提取的應(yīng)用（引自：張藝偉,等.高光譜遙感在植物多樣性研究中的應(yīng)用進(jìn)展與趨勢(shì)[J].遙感學(xué)報(bào), 2023, 27(11).）

4.1.星載高光譜通常搭載在衛(wèi)星平臺(tái)上，如NASA 的Hyperion 和中國(guó)的高分五號(hào)等。星載高光譜的優(yōu)勢(shì)在于其能覆蓋大范圍的地理區(qū)域，獲取大規(guī)模的連續(xù)光譜信息，可為繪制大空間尺度的植物多樣性分布圖提供數(shù)據(jù)源。但星載高光譜的空間分辨率和光譜分辨率較低，同時(shí)受天氣影響較大，數(shù)據(jù)應(yīng)用挑戰(zhàn)較大。

圖5 星載高光譜成像示意圖

表3 全球部分高光譜衛(wèi)星參數(shù)

4.2.無(wú)人機(jī)高光譜搭載平臺(tái)主要有多旋翼和固定翼，固定翼中又分為手拋/滑軌固定翼和垂直起降固定翼。固定翼因其操作難度和起降場(chǎng)地的限制，應(yīng)用較少。目前無(wú)人機(jī)高光譜的搭載平臺(tái)為多旋翼無(wú)人機(jī)，尤其以大疆行業(yè)機(jī)M600 Pro、M300、M350居多。無(wú)人機(jī)高光譜的優(yōu)勢(shì)在于其能在區(qū)域空間尺度上獲取高空間分辨率(厘米級(jí))和高光譜分辨率（＜10nm）光譜信息，同時(shí)無(wú)人機(jī)平臺(tái)操作靈活，操作難度低，使用成本相對(duì)較低，便于靈活獲得植物群落的高光譜數(shù)據(jù)。

江蘇雙利合譜科技有限公司自主研發(fā)的GaiaSky-Mini3-VN機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)是針對(duì)大疆M350旋翼無(wú)人機(jī)開發(fā)的高性價(jià)比機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)。采用懸停內(nèi)置掃描系統(tǒng)和增穩(wěn)系統(tǒng)，成功克服了小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)搭載推掃式高光譜相機(jī)時(shí)，由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的震動(dòng)和姿態(tài)軌跡造成的成像質(zhì)量差的問(wèn)題。植被遙感作為機(jī)載高光譜成像技術(shù)重要的應(yīng)用場(chǎng)景，懸停內(nèi)置推掃帶來(lái)的無(wú)畸變的高光譜圖像可幫助用戶準(zhǔn)確獲得植被的形態(tài)信息，先進(jìn)的透射式分光帶來(lái)的真實(shí)、高精度的光譜數(shù)據(jù)，幫助用戶準(zhǔn)確評(píng)估植被：生長(zhǎng)信息：覆蓋度、地上部干物重、葉面積等；生理信息：葉綠素含量、特異性色素含量、N元素含量及不同植被的生育期、產(chǎn)量評(píng)估等信息。

如圖，使用GaiaSky-Mini3-VN設(shè)備獲?。斗N林冠層樹種高光譜影像，基于深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠完成對(duì)溫帶天然林林冠樹種的準(zhǔn)確高效分類，在樹種多樣性監(jiān)測(cè)和林業(yè)資源調(diào)查應(yīng)用中具有較大潛力。

圖6 GaiaSky-Mini3-VN機(jī)載高光譜成像系統(tǒng) 

4.3.地面/室內(nèi)高光譜平臺(tái)主要以便攜式高光譜相機(jī)和地物光譜儀為主，可準(zhǔn)確獲得單株植物或單葉尺度高光譜信息，建立準(zhǔn)確的植物樣本光譜庫(kù)，為無(wú)人機(jī)載和星載高光譜大面積調(diào)查植物多樣性帶來(lái)建模數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫(kù)。高光譜相機(jī)相比地物光譜儀具備了“圖譜合一”的特性，帶來(lái)更多維度的信息，也更適用于植物多樣性評(píng)估研究。

江蘇雙利合譜科技有限公司自主研發(fā)的GaiaField系列產(chǎn)品具有內(nèi)置推掃、自動(dòng)調(diào)焦和自動(dòng)曝光技術(shù)，極大降低了用戶現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高光譜相機(jī)的操作難度，同時(shí)波段范圍廣：400-1000nm、900-1700nm和1000-2500nm，光譜分辨率高。同時(shí)Gaia Field可搭載我司室內(nèi)暗箱測(cè)試系統(tǒng)Gaia Sorter系類，在穩(wěn)定、單一的環(huán)境下獲得準(zhǔn)確的光譜特征。

如圖采用Gaia Sorter高光譜設(shè)備對(duì)不同類型的植物葉片進(jìn)行了近紅外光譜數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行分析，不同植物葉片的因色素含量、葉綠素含量、干旱脅迫不同，近紅外光譜有所差異，利用近紅外高光譜成像的譜圖合一的功能有望對(duì)植物進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè)，從而及時(shí)掌握植物的生長(zhǎng)情況。

圖6 GaiaField地面三腳架戶外測(cè)試（上圖）及GaiaSorter室內(nèi)暗箱系統(tǒng)（下圖）

圖7 不同植物葉片高光譜（400-2500nm）

五、高光譜遙感技術(shù)在植物多樣性應(yīng)用的展望

盡管高光譜遙感優(yōu)勢(shì)能帶來(lái)巨大的吸引力，但目前高光譜在植物多樣性的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域仍有著許多局限性。

1.滿足了不同空間尺度研究的要求，但是在調(diào)查郁閉度較高的森林和灌叢群落時(shí)，只能獲取冠層上部光譜信息，無(wú)法獲取下層植被光譜信息。

2.此外，由于大空間尺度冠層高光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率相對(duì)粗糙，像元尺寸難以滿足個(gè)體識(shí)別的要求，因此需要將機(jī)載和地面高光譜成像設(shè)備結(jié)合使用。但葉片尺度和冠層尺度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也是目前植物多樣性反演面臨的一大挑戰(zhàn)。

3.高光譜遙感技術(shù)的特點(diǎn)源自其信息的豐度，利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行植被探測(cè)尤其是對(duì)特定性狀進(jìn)行模擬估算時(shí)，需要在保證有效信息盡量保留的同時(shí)減少信息冗余。如何針對(duì)研究目標(biāo)和植被類型，選取有效波段建立起光譜—性狀的聯(lián)系是后續(xù)數(shù)據(jù)處理中值得考慮的問(wèn)題。

4.傳感器靈敏度、暗電流以及雜散光會(huì)導(dǎo)致相干噪聲或隨機(jī)噪聲的產(chǎn)生，且高光譜數(shù)據(jù)的信噪比是否足以支持重要光譜特征的識(shí)別仍存在不確定性。當(dāng)進(jìn)行大尺度植物性狀制圖時(shí)，需要整合不同遙感平臺(tái)的高光譜數(shù)據(jù)，如何校準(zhǔn)和統(tǒng)一具有不同中心波段、不同光線條件下的成像數(shù)據(jù)也是今后數(shù)據(jù)處理工作中需要改進(jìn)的方向之一。