北京大学郭庆华：遥感技术帮助寻找亚洲最高树
转自：中国环境网
在全球环境面临多重压力的背景下，生物多样性保护也面临严峻挑战。2020年世界自然保护联盟（IUCN）的评估结果显示，全球有41%的两栖类、26%的哺乳动物和14%的鸟类处于受威胁状态，全球生物多样性普遍受到威胁的形势还在持续恶化。要做好生物多样性保护工作，依赖于对生物多样性变化的准确监测和有效评估。只有采用科学、先进的观察和量化方法，才能有效制定和实施保护策略，从而应对当前的环境挑战。在这个过程中，现代化遥感技术发挥着重要作用。
近地面遥感技术助力生物多样性监测
在全球生物多样性保护领域，地球观测组织生物多样性观测网络提出了一套核心监测指标（EssentialBiodiversityVariables,EBVs），旨在为生物多样性保护和管理提供可靠的数据支持。卫星遥感技术能够通过大面积、长时间序列的监测，提供关于生态系统动态变化的信息基础，对理解全球生物多样性的变化趋势至关重要。然而，卫星遥感时空分辨率较低，难以细致刻画生态系统的微观结构和细节信息，限制了在更加精细层面上对生物多样性的理解，尤其是在较小尺度的生态研究中。
近地面遥感的出现弥补了上述不足，主要通过低空平台，如无人机、飞艇，以及地面设备，如观测塔、三脚架、车辆或人员携带仪器来收集高精度遥感数据。遥感平台常用的传感器包括三类：光学传感器、微波雷达传感器以及激光雷达传感器。受限于近地面平台的载荷能力，与传统的星载与机载平台相比，近地面平台可搭载的传感器类型较少，其中近地面平台的微波遥感传感器目前商用化程度较低，在生物多样性监测领域鲜有应用。
光学传感器主要包括高分相机、多光谱成像仪以及高光谱成像仪。其中，高分相机能够通过影像和视频进行陆地动物分布、迁徙模式的调查，也能够对浅海海域海洋动物的捕食及运动行为进行监测。多光谱与高光谱传感器作为最常用的遥感传感器，能够获取可见光、近红外和短波红外波段在内的数据，捕获植被不同谱段的反射特性，从而能够反演植被的生化组分。高光谱能够提供纳米级的光谱分辨率，拥有极其丰富的光谱信息，能够通过表征植物冠层性状反映其植被分类/系统发育多样性，也能够评估水生生态系统水质与栖息地状况，还能够识别并监测水生植物和藻类的分布和多样性，为陆生、水生植被多样性保护提供重要数据支持。
激光雷达传感器通过发射激光脉冲绘制高分辨率的三维模型，能够更有效、更精准地描绘目标环境的结构，使其成为生物多样性监测中更为常用的主动遥感手段。在森林生态系统中，激光雷达能够精确测量树木的高度、冠层结构和生物量，从而为森林健康状况和生物多样性的评估提供关键数据支持。通过分析森林激光雷达数据，研究人员可以区分不同的植物群落，有助于识别不同的植被类型和物种多样性。激光雷达与其他遥感技术的集成进一步增强了监测能力。激光雷达与多光谱相结合能够更加精准地评估植被的生物量和碳储量，而激光雷达与高光谱的结合能够显著提高植被多样性的分类精度与栖息地评估的准确性。
近地面遥感技术通过获取高时空分辨率的遥感数据，能够更加精准地进行样地—景观尺度的生物多样性监测与评估。同时，其观测尺度能够在地面观测、卫星遥感之间建立有效链接。
融合多平台激光雷达技术寻找亚洲最高树
北京大学的课题组构建了一套集成多平台激光雷达技术的巨树寻找与测量框架，该框架利用星载、近地面（无人机与背包）激光雷达技术精准定位巨树并详细提取其结构参数。团队通过自主开发的神经网络引导插值方法，结合GEDI、ICESat-2ATLAS和Sentinel-2等星载激光雷达与光学遥感数据，生成中国30米分辨率森林冠层高度分布图，显示藏东南区域冠层高度较为突出，是最有可能出现最高树的区域。
在国家林草局及林芝市林草局的支持下，北京大学郭庆华团队与吕植团队、西子江生态保育中心、山水自然保护中心以及北京数字绿土科技股份有限公司共同组成了联合调查队，利用无人机和背包激光雷达对潜在巨树分布区域进行了详细的数据采集与分析，获取完整的三维点云模型，对巨树所在森林进行林分尺度与个体尺度的结构参数信息（树高、胸径、冠幅等）快速准确获取。
联合调查队在墨脱、察隅、波密发现了多个巨树群落。其中，在波密县发现了一片覆盖面积超过22.4公顷的巨树聚生区域，包含108棵高于70米的巨树，其中34棵高于85米。与此同时，发现了一棵102.3米的西藏柏木，其高度刷新了按树种排名的世界最高树列表，成为了仅次于美国海岸红杉的世界第二高树种，同时也成为目前已知的亚洲第一高树。这些巨树的发现也使雅鲁藏布大峡谷成为了新的世界巨树分布热点区域。
巨树具有数百甚至数千年的树龄，具有极高的生态和保护价值。同时它们为附生植物、昆虫和小型哺乳动物提供了丰富的生境，对维护生物多样性至关重要。此次调查的西藏柏木被列为我国一级保护植物，应用多平台激光雷达技术，能够精确探测西藏柏木的分布位置、种群数量及其林分和个体的具体形态和生长状况，这对于制定有效的保护措施至关重要。
让创新成果更好服务生物多样性保护
目前，遥感技术已成为生物多样性保护中必不可少的工具之一。然而，现有的遥感手段在面对复杂的生态系统监测与生物多样性评估时，仍然需要提升时空分辨率，增强数据收集与分析能力，发展并应用新的传感技术。目前生物多样性领域所需的软硬件设备还大量依靠国外产品，但已有部分国内的创新型企业研发出拥有我国自主知识产权的硬件设备与算法软件。
因此，要鼓励民间资本、国内创新企业与研究机构进行合作，坚持自主化原则，利用学术专长促进技术开发和商业规模化，推动研究创新加速转化为实际应用，进一步提升我国科技的硬实力和软实力。同时，要关注人工智能与大模型在生物多样性领域的应用，进一步提高生物多样性监测数据信息提取的效率与精度，让创新成果能够更好地服务于生物多样性保护工作。
作者系北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所所长、教授