1 無人機(jī)遙感的歷史和現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程

1916年9月12日, 一架由英國人研制的無線電操控的無人機(jī)首次試飛, 標(biāo)志著無人機(jī)發(fā)展的開始。到2016年為止, 無人機(jī)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了100年的歷史。總的來說, 無人機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段[7]：(1)靶機(jī)起步階段(1916—1963年)：這個階段無人機(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)：無人機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到越南戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭等中, 大大減少了戰(zhàn)爭空軍傷亡率。與此同時, 無人機(jī)在民用領(lǐng)域也開始了應(yīng)用嘗試。(3)迅速崛起階段(1991—2009年)：這個階段無人機(jī)在民用領(lǐng)域越來越多地運(yùn)用到各個行業(yè)中。例如, 2008年我國將無人機(jī)遙感應(yīng)用于凍雨災(zāi)害和汶川地震, 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)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要增長點(diǎn)。2015年我國遙感應(yīng)用專業(yè)級輕小型無人機(jī)已超過3000架, 估計(jì)未來5年的裝備需求總量超過30000架。

1.2 系統(tǒng)組成

無人機(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), 是無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)。(2)導(dǎo)航系統(tǒng)向無人機(jī)提供參考坐標(biāo)系的位置、速度、飛行姿態(tài), 引導(dǎo)無人機(jī)按照指定航線飛行。(3)動力系統(tǒng)：不同用途的無人機(jī)對動力裝置的要求不同, 但都希望發(fā)動機(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)完成對無人機(jī)遙控、遙測、跟蹤定位和傳感器傳輸。

1.3 分類與選型

無人機(jī)按照其使用功能、氣動布局、質(zhì)量、動力等可以分為不同的類型。按使用功能劃分, 可以分為軍用、民用和消費(fèi)無人機(jī)。用于科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測、測繪等的多為民用無人機(jī), 而用于個人航拍、游戲等休閑用途的多為消費(fèi)無人機(jī)。目前市面上的無人機(jī)種類繁多, 常見的民用的無人機(jī)可以根據(jù)氣動布局和動力分為4種：油動固定翼、電動固定翼、油動旋翼(單旋翼為主)、電動旋翼(多旋翼為主)(圖 1)。當(dāng)然, 即便是同種類型無人機(jī), 性能參數(shù)差異也會非常大, 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)航時間、飛行速度、海拔高度、抗風(fēng)能力、起飛降落方式等。無人機(jī)的選型需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求而具體分析。幾張主要民用無人機(jī)的優(yōu)劣勢分析見表 1。

4種主要民用無人機(jī)類型的優(yōu)劣勢分析

1.4 無人機(jī)遙感傳感器

為了充分發(fā)揮無人機(jī)機(jī)動靈活的優(yōu)勢, 常用的無人機(jī)往往十分輕小, 這一特性決定了無人機(jī)搭載的遙感傳感器同樣要求重量輕、體積小。最常見的高分相機(jī)是普通的家用數(shù)碼相機(jī)。例如：總重2.5 kg的美國Trimble UX5無人機(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公司的無人機(jī)激光雷達(dá)VUX(4.5 kg)。無人機(jī)遙感傳感器與無人機(jī)共同推動了無人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展。

2 輕小型無人機(jī)遙感平臺及其研究方法

2.1 輕小型無人機(jī)遙感的應(yīng)用優(yōu)勢

近幾年來, 無人機(jī)遙感技術(shù)的快速發(fā)展使得獲取實(shí)時的高精度遙感影像數(shù)據(jù)成為可能。與傳統(tǒng)的遙感技術(shù)和平臺相比, 輕小型無人機(jī)遙感具有以下優(yōu)勢：

(1) 高分辨率：無人機(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), 彌補(bǔ)了衛(wèi)星因天氣原因無法獲取或者圖像分辨率低的不足。

(2) 高時效性：無人機(jī)能第一時間獲取資源變化數(shù)據(jù), 如：可以及時監(jiān)測風(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。無人機(jī)也可以實(shí)時傳輸影像到地面終端或在較短時間內(nèi)完成整個目標(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, 整個過程可以在幾天內(nèi)完成。

(3) 云層下成像：無人機(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) 移動性能高：無人機(jī)平臺體積小, 較為輕便, 移動性能好, 在運(yùn)輸、保管環(huán)節(jié)上與有人飛機(jī)遙感平臺相比可以節(jié)省不少的費(fèi)用。

這些優(yōu)點(diǎn)使得無人機(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, 在大地測量、災(zāi)害監(jiān)測、資源調(diào)查與監(jiān)測等領(lǐng)域獲得迅速發(fā)展。基于ISI Web of Science文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫, 我們對無人機(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等雜志也分別報道了無人機(jī)在科學(xué)研究中的潛力。

灰色區(qū)域代表每年發(fā)表的無人機(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)、動物學(xué)和林學(xué)

2.2 輕小型無人機(jī)監(jiān)測的主要工作流程

基于輕小型無人機(jī)監(jiān)測工作主要由3個部分組成, 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, 根據(jù)氣象預(yù)報或?qū)嶋H天氣情況判定飛行條件, 根據(jù)地形、障礙物選擇起降場地, 根據(jù)監(jiān)測區(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)容取決于無人機(jī)搭載的遙感設(shè)備的要求。

3 無人機(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 對低成本無人機(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“無人機(jī)生態(tài)學(xué)的時代開始了”(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, 該視頻到2016年10月為止在TED網(wǎng)站上已經(jīng)被觀看超58萬次。Anderson和Gaston 在美國生態(tài)學(xué)會刊物《Frontiers in Ecology and the Environment》上對輕小型無人機(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)測無人機(jī)遙感將帶來空間生態(tài)學(xué)的革命(“revolutionize spatial ecology”)。隨后, Whitehead和Hugenholtz和Whitehead等對小型無人機(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等對無人機(jī)技術(shù)在森林管理中的應(yīng)用進(jìn)行了深入介紹。一些以輕小型無人機(jī)為平臺的研究工作也陸續(xù)開展起來, 研究內(nèi)容涉及森林冠層監(jiān)測、動物行為和數(shù)量調(diào)查、生境監(jiān)測、野生動植物保護(hù)、自然保護(hù)區(qū)管理等。

3.1 植物監(jiān)測

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、植物病蟲害監(jiān)測等方面。我們選取了植被垂直結(jié)構(gòu)調(diào)查和物候監(jiān)測兩個方面的案例來加以說明。

(1) 植被垂直結(jié)構(gòu)調(diào)查：植被的垂直結(jié)構(gòu)對森林的生物量分配和碳儲量、生產(chǎn)力有著非常重要的影響。同時, 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, 對許多植物和動物群落的多度和分布格局有顯著的影響。然而, 我們對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。輕小型無人機(jī)的發(fā)展為更有效地測量植被的垂直結(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人機(jī)調(diào)查為例(圖 3), 我們于2014年采用工業(yè)級四旋翼無人機(jī)(型號：MD4-1000)收集了該樣地范圍內(nèi)所采集的高分辨率(~5 cm)的無人機(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)量上的評價。

(2) 植物物候監(jiān)測：植物物候是環(huán)境條件季節(jié)和年級變化最直觀、最敏感的綜合指示器, 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)系的一個重要參量。開展植物物候研究對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。傳統(tǒng)的植物物候數(shù)據(jù)采集是通過人工定點(diǎn)目視觀測, 這種方法因覆蓋范圍小、時間序列短等不足, 難以進(jìn)行較大尺度的物候時空分析。近年來, 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)測已經(jīng)獲得較為廣泛地運(yùn)用。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、物候期識別方法普適性低、物候研究結(jié)果驗(yàn)證不充分等問題。基于輕小型無人機(jī)的植物物候監(jiān)測可以極大地解決地面監(jiān)測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測存在的困難, 但這方面的工作還鮮有報道。Dandois和Ellis 報道了他們在美國馬里蘭的一個50 m×50 m的樣地范圍內(nèi), 用小型無人機(jī)對2010年10月至2012年6月之間的植物物候進(jìn)行了監(jiān)測, 通過計(jì)算RGB(紅綠藍(lán))3個顏色通道的變化來檢測植物物候期的變化。Berra等[30]用固定翼無人機(jī)對英國一個針闊混交林內(nèi)的植物物候進(jìn)行了近4個月的詳細(xì)監(jiān)測, 基于RGB3個顏色通道的信息計(jì)算了單株個體等級的綠色色度指數(shù)(Green Chromatic Coordinate colour index), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些個體之間的展葉時間存在著較大變異(最大差異為18 d)。

另外, 以輕小型無人機(jī)為研究平臺, Inoue等在日本東部的落葉闊葉林內(nèi)用小型無人機(jī)對倒木進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查, 通過與地面調(diào)查比較, 無人機(jī)調(diào)查準(zhǔn)確地記錄了80%—90%的胸徑大于30 cm的倒木。Getzin等用無人機(jī)對德國的10個溫帶森林樣地內(nèi)的林窗進(jìn)行了空間定位, 并勾畫出其形狀和計(jì)算其面積。Messinger等在亞馬遜地區(qū)采集了516 hm2范圍內(nèi)低地森林的無人機(jī)影像, 并以此對該區(qū)域的地上生物量進(jìn)行了快速而準(zhǔn)確的估計(jì)。

3.2 動物監(jiān)測

近幾年來, 以輕小型無人機(jī)為平臺來監(jiān)測動物活動也開始引起了動物生態(tài)學(xué)家的關(guān)注。Chabot和Bird及Christie等分別對這一研究領(lǐng)域進(jìn)行了非常詳細(xì)的介紹。以下我們從哺乳動物和鳥類為例來加以簡單的總結(jié)。

(1) 哺乳動物：目前用無人機(jī)對哺乳動物的調(diào)查主要集中在體型較大的動物。例如, Vermeulen等在非洲西部用無人機(jī)對非洲象(Loxodonta africana)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用無人機(jī)裝載熱紅外相機(jī)來監(jiān)測狍子(Capreolus capreolus)的活動。Watts等用無人機(jī)影像來估計(jì)美國短吻鱷(Alligator mississippiensis)的種群數(shù)量。Christiansen等在澳大利亞用無人機(jī)影像來測量繁殖期間200頭座頭鯨(Megaptera novaeangliae)的體型大小的變異。Michez等用無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)來調(diào)查野豬(Sus scrofa)活動對農(nóng)作物生長的影響。

(2) 鳥類：與一些體型較大的哺乳動物的研究工作相比, 用無人機(jī)來監(jiān)測鳥類活動還剛剛起步。Weissensteiner等用無人機(jī)來評估鳥類的繁殖行為, 并與傳統(tǒng)的調(diào)查方法進(jìn)行了比較, 發(fā)現(xiàn)用無人機(jī)調(diào)查可以節(jié)省傳統(tǒng)方法的所需的近85%的時間消耗。Hodgson等以兩個熱帶島嶼和一個北極島嶼為例, 展示了無人機(jī)調(diào)查鳥類種群數(shù)量和行為的優(yōu)勢(圖 4)。Rodríguez等通過聯(lián)合一個小型鳥類的飛行數(shù)據(jù)記錄器和無人機(jī)監(jiān)測的生境數(shù)據(jù)來分析鳥類物種分布規(guī)律。Liu等將無人機(jī)用于瀕危鳥類物種黑臉琵鷺(Platalea minor)的調(diào)查中。

3.3 新出版物和信息平臺的出現(xiàn)

(1) 相關(guān)期刊：

隨著科學(xué)家對無人機(jī)在生態(tài)與環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注, 多個遙感領(lǐng)域的期刊都組織了專刊來展現(xiàn)無人機(jī)的應(yīng)用前景。例如, 2015年《Remote Sensing》雜志組織的專刊“無人機(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》雜志組織的專刊“無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測中的應(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)展的一個重要標(biāo)志。自2013年秋季發(fā)表第一期文章以來, 至2016年11月初為止共出版了12期, 發(fā)表無人機(jī)相關(guān)文章60篇, 研究內(nèi)容涉及從無人機(jī)的名詞用法、無人機(jī)操控的技術(shù)規(guī)范到無人機(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)會議和網(wǎng)站：

近兩年來, 一些無人機(jī)技術(shù)和應(yīng)用相關(guān)的研討會也相繼召開, 為該領(lǐng)域的發(fā)展起到了非常積極的作用。例如, 2014年10月由美國攝影測量及遙感學(xué)會(American Society for Photogrammetry and Remote Sensing)召開的第一屆無人機(jī)研討會就吸引了530多名參會者, 隨后2015年和2016年也分布召開了第二屆和第三屆無人機(jī)研討會, 并獲得了來自科研工作者、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分別舉行了為期兩天的會議來展示和討論無人機(jī)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用前景, 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Ecosynth(http://ecosynth.org/)提供了一些無人機(jī)影像的開源軟件和方法, 也可以作為相關(guān)研究人員的一個有效工具。

4 無人機(jī)遙感在中國生態(tài)學(xué)中的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國, 無人機(jī)遙感也開始受到關(guān)注。如：臧克等研究了無人機(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于災(zāi)情調(diào)查、災(zāi)情分析和評價, 對指導(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, 李宇昊和張同偉用小型無人機(jī)對黑龍江伊春地區(qū)的針葉林資源進(jìn)行調(diào)查。李衛(wèi)正等在南京某林場用小型無人機(jī)調(diào)查了松材線蟲感染的病死木的空間分布。馮家莉等用小型無人機(jī)進(jìn)行了紅樹林資源調(diào)查, 提取了高精度的空間分布信息。Zhang等把小型無人機(jī)與中國森林生物多樣性監(jiān)測網(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, 分析了由無人機(jī)調(diào)查獲得的森林冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)對地面植物多樣性的影響(圖 3)。在動物監(jiān)測方面, 馬鳴等把小型多旋翼無人機(jī)用于高山兀鷲(Gyps himalayensis)的繁殖生態(tài)學(xué)研究, 拍攝了高山兀鷲巢穴、親鳥、幼鳥及其生長發(fā)育過程。近期由中央電視臺、西北瀕危動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人機(jī)監(jiān)測藏羚羊的遷徙過程, 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個架次, 每個架次覆蓋約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。

盡管無人機(jī)技術(shù)已逐漸被我國的科學(xué)家所認(rèn)識, 但在現(xiàn)階段相關(guān)應(yīng)用還處于尚未形成規(guī)模的初級階段。2014年11月18日, 在國家遙感中心與中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的共同努力下, 國家遙感中心輕小型無人機(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)、推動行業(yè)準(zhǔn)入制度建立、完善安全規(guī)范制定、推動輕小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)綜合驗(yàn)證場建設(shè)等方面開展工作, 這將為無人機(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《輕小型無人機(jī)遙感發(fā)展報告》上的數(shù)據(jù), 2015年我國遙感應(yīng)用專業(yè)級輕小型無人機(jī)已超過3000架, 估計(jì)未來5年的裝備需求總量超過30000架[7]。如何有效地利用這些無人機(jī)研究平臺來真正地服務(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。

5 存在的問題與展望

5.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)的獲取與處理對多數(shù)生態(tài)學(xué)家還存在技術(shù)上的挑戰(zhàn)

盡管無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)被生態(tài)學(xué)家所關(guān)注, 然而無人機(jī)的操作技術(shù)、數(shù)據(jù)收集和處理等對傳統(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肉眼辨識圖像中的動物或植物, 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)在嘗試提供簡單的開源的無人機(jī)影像分析軟件或方法(如：通過網(wǎng)絡(luò)平臺來提供更多詳細(xì)的案例(如：ConservationDrone.org)。基于實(shí)際研究案例的無人機(jī)技術(shù)培訓(xùn)將會是無人機(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)家也在通過與無人機(jī)遙感專家的合作來挖掘高分辨率的無人機(jī)大數(shù)據(jù)中的諸多信息, 例如植物樹冠的自動識別與勾勒、植被參數(shù)自動反演、動物個體自動識別、計(jì)數(shù)甚至體型測量等。

5.2 無人機(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, 無人機(jī)遙感技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用到動植物監(jiān)測、生物多樣性保護(hù)等方面, 然而多數(shù)研究還集中在用無人機(jī)搭載RGB普通數(shù)碼相機(jī)為監(jiān)測平臺。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人機(jī)生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用案例還不多見, 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)用到無人機(jī)監(jiān)測中。適合無人機(jī)平臺的輕量級的遙感設(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)。

同時, 我們也缺少與無人機(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)。以美國史密斯(Smithsonian)研究所熱帶森林研究中心(http://www.forestgeo.si.edu/)和中國森林生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(http://www.cfbiodiv.org/)為代表的大型森林動態(tài)監(jiān)測樣地網(wǎng)絡(luò)是一個可以開展無人機(jī)生態(tài)學(xué)研究的理想平臺。這些樣地的面積大多為20 hm2以上, 并且對樣地內(nèi)所有胸徑≥1 cm的木本植物進(jìn)行定位、掛牌, 并測量記錄其胸徑和生長狀態(tài)等, 同時也調(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]。通過這些詳實(shí)的地面數(shù)據(jù)與無人機(jī)調(diào)查數(shù)據(jù)的結(jié)合, 將進(jìn)一步深化我們對生物多樣性維持機(jī)制的理解。

另外, 無人機(jī)在長期生態(tài)學(xué)研究中的例子還沒有報道, 主要原因是無人機(jī)生態(tài)學(xué)的發(fā)展才僅僅有幾年的歷史。無人機(jī)監(jiān)測的高時效性和高度的靈活性為長期監(jiān)測各種生態(tài)系統(tǒng)的動態(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。隨著無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)在時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)問題提供重要支持。

5.3 無人機(jī)操控行業(yè)的管理規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善

由于無人機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)和使用的準(zhǔn)入門檻相對較低, 并且無人機(jī)行業(yè)還缺少有效的管理規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 形成了無人機(jī)“滿天飛”的局面。這一亂象也影響了無人機(jī)遙感領(lǐng)域的有序發(fā)展。目前, 美國、歐洲等已經(jīng)開始制定民用無人機(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, 美國聯(lián)邦航空管理局發(fā)布了首部專門針對小型無人機(jī)的管理規(guī)則Part 107(https://www.faa.gov/uas/), 該規(guī)則對無人機(jī)操控人員、飛行時間、飛行區(qū)域、飛行高度等給出了詳細(xì)的要求, 這是無人機(jī)行業(yè)走向有序化發(fā)展的重要一步。在我國, 有關(guān)輕小型無人機(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, 建立完善的無人機(jī)監(jiān)管措施。

綜上所述, 無人機(jī)遙感以其諸多難以替代的應(yīng)用優(yōu)勢, 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)家來說, 充滿誘惑和吸引力。正如Anderson和Gaston 在他們的文章所說, 輕小型無人機(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。無人機(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, 但這僅僅是時間問題, 在可預(yù)見的未來必將被一一克服。