高光譜遙感在植物多樣性研究中的應(yīng)用進展與趨勢

植物的生物多樣性對群落穩(wěn)定和生產(chǎn)力具有極為重要的作用，對于整個生態(tài)系統(tǒng)而言，植物多樣性保證了消費者的食物供應(yīng)、多樣的棲息地環(huán)境以及對植物物候和水循環(huán)的調(diào)節(jié)能力。

遙感技術(shù)是目前獲取大尺度空間數(shù)據(jù)，監(jiān)測陸地生態(tài)系統(tǒng)變化的最有力手段，可以直接提供植被、地形、氣候數(shù)據(jù)進行后期分析，保證了變量間的觀測尺度平衡。目前，高光譜遙感已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大尺度的生境制圖、植物功能和譜系多樣性反演等多層次的植物多樣性研究。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)測的時效性，滿足了大尺度植物群落多樣性格局動態(tài)監(jiān)測的要求。

1.基于光譜變異假說的植物多樣性直接估測

不同植物群落間的物種多樣性可以通過其結(jié)構(gòu)和生化特性體現(xiàn)出來，并產(chǎn)生可區(qū)分的光譜。高光譜遙感數(shù)據(jù)能夠以上百個連續(xù)光譜波段對觀測目標實現(xiàn)同時成像，其光譜分辨率和響應(yīng)波段范圍相比于多光譜遙感數(shù)據(jù)都有了極大的提升，因此可以更精細地呈現(xiàn)和量測物種多樣性差異導(dǎo)致的光譜差異，并在很大程度上表征傳統(tǒng)遙感手段難以描述的物種多樣性指標。

1.1基本原理

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SVH（SpectralVariationHypothesis），這一假說認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)多樣的物種組成，而且這種差異能夠被高光譜信號響應(yīng)，因此直接建立光譜反射率差異與群落生物多樣性差異的聯(lián)系在理論上是可行的。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。

比較熱帶森林樹種的多個冠層生化性狀組合及其光譜特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)引入足夠多的生化性狀時，性狀值組合可以與物種唯一關(guān)聯(lián)；在此基礎(chǔ)上，物種識別的問題轉(zhuǎn)化為性狀定量反演。SVH假說通過直接建立光譜反射率曲線特征與植物群落多樣性間的關(guān)系，來實現(xiàn)不同植物群落物種多樣性相對大小的估算和比較（圖1）。

圖1基于光譜特征的多樣性提取原理

高光譜信號對生化性狀的差異響應(yīng)是生化性狀定量反演的基礎(chǔ)，對光譜信號異質(zhì)性的直接量化方式可以歸納為兩類。

一是應(yīng)用聚類思想，如“光譜類型”或“光譜物種”方法，該類方法通過對光譜特征進行聚類，得到植物群落內(nèi)具有相似生化和結(jié)構(gòu)特征的有限物種的光譜信息團聚體，每個團聚體即稱為“光譜類型”或“光譜物種”。

二是基于光譜空間來量化光譜異質(zhì)性或光譜多樣性，即假定光譜空間是一個多維空間，由篩選出的包含主要信息且相互正交的波段來定義各坐標軸，影像在多維空間形成的包絡(luò)體大小作為光譜多樣性大小。度量不同植物群落影像光譜在光譜空間占據(jù)的范圍和填充模式，可用于比較其群落物種多樣性的相對高低。

1.2主要方法

光譜變異假說將植物多樣性轉(zhuǎn)化為光譜特征的異質(zhì)性問題，即通過度量不同植物群落的光譜異質(zhì)性程度來比較多樣性高低。基于這一假說，研究者提出了不同的方法來量化光譜異質(zhì)性（表2）。這幾種方法都是以群落樣方為基本單位，通過比較各個像元光譜與平均光譜的差異程度來度量樣方內(nèi)光譜多樣性。

表2 常用光譜多樣性指標

2.基于高光譜數(shù)據(jù)提取植物多樣性

在群落生態(tài)學(xué)研究中，高分辨率的近地面高光譜技術(shù)可以將多樣性格局監(jiān)測從物種分類維度推廣至物種、功能甚至基因多樣性維度，因此在生物多樣性格局的研究中具有獨到的技術(shù)優(yōu)勢?；诟吖庾V數(shù)據(jù)間接估測了熱帶森林群落功能豐富度和離散度指標，分析了隨海拔梯度功能多樣性指標的變化和不同空間尺度下群落構(gòu)建機制的差異。高光譜遙感結(jié)合激光雷達技術(shù)能夠在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的森林群落同步采集植物群落結(jié)構(gòu)、功能性狀和地形信息，多源遙感技術(shù)協(xié)同反演是未來全球視野下植物多樣性研究的重要發(fā)展方向，為生態(tài)學(xué)研究提供了豐富的數(shù)據(jù)資源（圖2），滿足了從個體到宏觀尺度的研究。

圖2 遙感高光譜生物多樣性提取的應(yīng)用

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