1 無人機遙感的歷史和現(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首次試飛, 標志著無人機發(fā)展的開始。到2016年為止, 無人機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了100年的歷史。總的來說, 無人機的發(fā)展經(jīng)歷了4個階段[7]：(1)靶機起步階段(1916—1963年)：這個階段無人機主要在軍事領域用于作靶機。(2)初步實用階段(1964—1990年)：無人機技術(shù)被應用到越南戰(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, 無人機在民用領域也開始了應用嘗試。(3)迅速崛起階段(1991—2009年)：這個階段無人機在民用領域越來越多地運用到各個行業(yè)中。例如, 2008年我國將無人機遙感應用于凍雨災害和汶川地震, 為決策部門提供了重要的基礎資料。(4)全民應用階段(2010年至今)：目前無人機的應用已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面, 成為促進社會經(jīng)濟發(fā)展的重要增長點。2015年我國遙感應用專業(yè)級輕小型無人機已超過3000架, 估計未來5年的裝備需求總量超過30000架

1.2 系統(tǒng)組成

無人機系統(tǒng)主要由地面系統(tǒng)、飛機系統(tǒng)和任務載荷三大系統(tǒng)組成, 其中最重要的飛機系統(tǒng)由飛控、導航、動力、數(shù)據(jù)鏈和機體這幾大子系統(tǒng)組成。(1)飛控系統(tǒng)連接機身上大量的傳感器(包括角速率、姿態(tài)、位置、加速度、高度和空速等), 是無人機完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)。(2)導航系統(tǒng)向無人機提供參考坐標系的位置、速度、飛行姿態(tài), 引導無人機按照指定航線飛行。(3)動力系統(tǒng)：不同用途的無人機對動力裝置的要求不同, 但都希望發(fā)動機體積小、重量輕、成本低、工作可靠。(4)數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)負責完成對無人機遙控、遙測、跟蹤定位和傳感器傳輸。

1.3 分類與選型

無人機按照其使用功能、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、民用和消費無人機。用于科學研究、環(huán)境監(jiān)測、測繪等的多為民用無人機, 而用于個人航拍、游戲等休閑用途的多為消費無人機。目前市面上的無人機種類繁多, 常見的民用的無人機可以根據(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)。當然, 即便是同種類型無人機, 性能參數(shù)差異也會非常大, 如機型(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、抗風能力、起飛降落方式等。無人機的選型需要根據(jù)具體的應用需求而具體分析。幾張主要民用無人機的優(yōu)劣勢分析見表 1。

圖1 4種主要民用無人機類型

4種主要民用無人機類型的優(yōu)劣勢分析

1.4 無人機遙感傳感器

為了充分發(fā)揮無人機機動靈活的優(yōu)勢, 常用的無人機往往十分輕小, 這一特性決定了無人機搭載的遙感傳感器同樣要求重量輕、體積小。最常見的高分相機是普通的家用數(shù)碼相機。例如：總重2.5 kg的美國Trimble UX5無人機搭載的是索尼微單數(shù)碼相機, 而總重630 g的瑞士SenseFly eBee無人機搭載的是佳能卡片機。多光譜相機種類較少, 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公司的無人機激光雷達VUX(4.5 kg)。無人機遙感傳感器與無人機共同推動了無人機遙感技術(shù)的發(fā)展。

2 輕小型無人機遙感平臺及其研究方法

2.1 輕小型無人機遙感的應用優(yōu)勢

近幾年來, 無人機遙感技術(shù)的快速發(fā)展使得獲取實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, 輕小型無人機遙感具有以下優(yōu)勢：

(1) 高分辨率：無人機能夠從地面幾米高處獲取足夠高分辨率地面影像的能力(可達到厘米級), 彌補了衛(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：無人機能第一時間獲取資源變化數(shù)據(jù), 如：可以及時監(jiān)測風雪災害、森林火災、采伐等自然和人類干擾后森林的更新和演替情況。無人機也可以實時傳輸影像到地面終端或在較短時間內(nèi)完成整個目標區(qū)域的調(diào)查, 將影像導入電腦后用專業(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：無人機具有可在云下低空飛行能力, 彌補了衛(wèi)星光學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：無人機平臺體積小, 較為輕便, 移動性能好, 在運輸、保管環(huán)節(jié)上與有人飛機遙感平臺相比可以節(jié)省不少的費用。

這些優(yōu)點使得無人機正逐步成為衛(wèi)星遙感、有人機遙感和地面遙感的有效補充, 在大地測量、災害監(jiān)測、資源調(diào)查與監(jiān)測等領域獲得迅速發(fā)展?；贗SI Web of Science文獻數(shù)據(jù)庫, 我們對無人機遙感相關論文進行統(tǒng)計(圖 2), 在2000—2016年11月7日之間在所有研究領域共發(fā)表416篇相關論文, 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, 表明無人機技術(shù)正在最近幾年以井噴的速度迅速地應用到科學研究中。Nature和Science等雜志也分別報道了無人機在科學研究中的潛力。

圖 2 基于ISI Web of Science的無人機遙感相關論文數(shù)量統(tǒng)計

灰色區(qū)域代表每年發(fā)表的無人機遙感相關的總的文章數(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域的論文：環(huán)境科學、生態(tài)學、植物科學、生物多樣性保護、動物學和林學

2.2 輕小型無人機監(jiān)測的主要工作流程

基于輕小型無人機監(jiān)測工作主要由3個部分組成, 分別是前期準備、數(shù)據(jù)獲取和后期數(shù)據(jù)處理與分析。在前期準備階段, 主要包括飛行空域申請, 根據(jù)氣象預報或?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、分辨率等要求設定飛行航線。在數(shù)據(jù)獲取階段, 執(zhí)行飛行并實時監(jiān)控與飛行安全密切相關的參數(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)容取決于無人機搭載的遙感設備的要求。

3 無人機遙感在生態(tài)學中的發(fā)展現(xiàn)狀

在生態(tài)學和保護生物學領域, 無人機遙感相關的研究工作剛剛起步。在2001—2016年10月之間在生態(tài)學、生物多樣性保護、環(huán)境科學和林學等領域內(nèi)共發(fā)表 95篇相關SCI論文, 其中70篇(74%)是在2013年以后發(fā)表的。Koh和Wich 對低成本無人機技術(shù)在生物多樣性保護中的應用進行了綜述和展望, 并指出“無人機生態(tài)學的時代開始了”(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)進一步使得無人機生態(tài)學的概念在生態(tài)學家、保護生物學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)學會刊物《Frontiers in Ecology and the Environment》上對輕小型無人機在生態(tài)學中的應用前景進行了更詳細地介紹, 并預測無人機遙感將帶來空間生態(tài)學的革命(“revolutionize spatial ecology”)。隨后, Whitehead和Hugenholtz和Whitehead等對小型無人機在環(huán)境相關領域的研究進展和存在的挑戰(zhàn)進行了系統(tǒng)地綜述。Paneque-Gálvez等對無人機技術(shù)在森林管理中的應用進行了深入介紹。一些以輕小型無人機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、自然保護區(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, 很難應用到較大的取樣面積。無人機遙感技術(shù)可以部分上彌補這些限制, 目前應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調(diào)查為例(圖 3), 我們于2014年采用工業(yè)級四旋翼無人機(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因子的重要性進行了數(shù)量上的評價。

圖 3 基于一個20公頃常綠闊葉林樣地的無人機調(diào)查

(a)無人機起飛場地；(b)由無人機獲得的樣地森林冠層的三維點云圖；(c)樣地森林冠層表面模型(CSM)；(d-f)三個無人機收集的高分辨率圖像

(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, 是地球與大氣科學應用中研究植物生命周期及其與氣候關系的一個重要參量。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)果驗證不充分等問題?；谳p小型無人機的植物物候監(jiān)測可以解決地面監(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), 用小型無人機對2010年10月至2012年6月之間的植物物候進行了監(jiān)測, 通過計算RGB(紅綠藍)3個顏色通道的變化來檢測植物物候期的變化。Berra等[30]用固定翼無人機對英國一個針闊混交林內(nèi)的植物物候進行了近4個月的詳細監(jiān)測, 基于RGB3個顏色通道的信息計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)用小型無人機對倒木進行了詳細調(diào)查, 通過與地面調(diào)查比較, 無人機調(diào)查準確地記錄了80%—90%的胸徑大于30 cm的倒木。Getzin等用無人機對德國的10個溫帶森林樣地內(nèi)的林窗進行了空間定位, 并勾畫出其形狀和計算其面積。Messinger等在亞馬遜地區(qū)采集了516 hm2范圍內(nèi)低地森林的無人機影像, 并以此對該區(qū)域的地上生物量進行了快速而準確的估計。

3.2 動物監(jiān)測

近幾年來, 以輕小型無人機為平臺來監(jiān)測動物活動也開始引起了動物生態(tài)學家的關注。Chabot和Bird及Christie等分別對這一研究領域進行了非常詳細的介紹。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對非洲象(Loxodonta africana)種群進行了調(diào)查, 在4條樣帶上共調(diào)查到34頭大象(圖 4)。Israel用無人機裝載熱紅外相機來監(jiān)測狍子(Capreolus capreolus)的活動。Watts等用無人機影像來估計美國短吻鱷(Alligator mississippiensis)的種群數(shù)量。Christiansen等在澳大利亞用無人機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。

圖 4 無人機用于動物監(jiān)測中的例子

(a)在非洲西部獲取大象種群影像圖(Vermeulen等)；(b)是圖a中白色區(qū)域的放大圖；(c)在澳大利亞的島嶼上拍攝的繁殖期的海鳥種群的影像圖(Hodgson等)；(d)和(e)是圖c的局部放大圖

(2) 鳥類：與一些體型較大的哺乳動物的研究工作相比, 用無人機來監(jiān)測鳥類活動還剛剛起步。Weissensteiner等用無人機來評估鳥類的繁殖行為, 并與傳統(tǒng)的調(diào)查方法進行了比較, 發(fā)現(xiàn)用無人機調(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) 相關期刊：

隨著科學家對無人機在生態(tài)與環(huán)境相關領域的關注, 多個遙感領域的期刊都組織了專刊來展現(xiàn)無人機的應用前景。例如, 2015年《Remote Sensing》雜志組織的專刊“無人機遙感在植被和農(nóng)作物領域的應用”共收錄了13篇論文(《Remote Sensing》第7卷第4期)；2016年《Sensors》雜志組織的?？盁o人機在環(huán)境監(jiān)測中的應用”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)成為該領域發(fā)展的一個重要標志。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)表無人機相關文章60篇, 研究內(nèi)容涉及從無人機的名詞用法、無人機操控的技術(shù)規(guī)范到無人機在商業(yè)、醫(yī)療、石油化工、資源管理、物種保護等方面的應用, 其中直接與生態(tài)和環(huán)境科學相關的文章占近50%(29篇)。

(2) 相關會議和網(wǎng)站：

近兩年來, 一些無人機技術(shù)和應用相關的研討會也相繼召開, 為該領域的發(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會(American Society for Photogrammetry and Remote Sensing)召開的第一屆無人機研討會就吸引了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研討會, 并獲得了來自科研工作者、企業(yè)家等的諸多關注(https://uasreno.org).在環(huán)境研究領域, 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在環(huán)境領域的應用前景(http://www.worcester.ac.uk/discover/uav-conference.html), 都分別有100多人參加。

另外, 由Lian-Pin Koh和Serge Wich發(fā)起的網(wǎng)絡平臺ConservationDrones.org包括了很多生物多樣性保護相關的研究案例(https://conservationdrones.org/), 也包括了無人機生態(tài)學的一些相關研究論文。由生態(tài)學家Erle Ellis團隊建立的平臺Ecosynth(http://ecosynth.org/)提供了一些無人機影像的開源軟件和方法, 也可以作為相關研究人員的一個有效工具。

4 無人機遙感在中國生態(tài)學中的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國, 無人機遙感也開始受到關注。如：臧克等研究了無人機遙感技術(shù)在汶川地震中的應用, 利用處理后的影像對于災情調(diào)查、災情分析和評價, 對指導災后應急救援發(fā)揮巨大作用。在生態(tài)學、林學和保護生物學等領域, 李宇昊和張同偉用小型無人機對黑龍江伊春地區(qū)的針葉林資源進行調(diào)查。李衛(wèi)正等在南京某林場用小型無人機調(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進行了紅樹林資源調(diào)查, 提取了高精度的空間分布信息。Zhang等把小型無人機與中國森林生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(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用于高山兀鷲(Gyps himalayensis)的繁殖生態(tài)學研究, 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40余km2、分辨率達5 cm的高清正射影像。

圖 5 西藏羌塘國家級自然保護區(qū)中的一個飛行架次的藏羚羊無人機遙感調(diào)查案例

(a)無人機拍攝的藏羚羊種群影像圖；(b)是圖a的紅色區(qū)域的放大圖；(c)是圖b中綠色區(qū)域的放大圖。圖中的綠色圓點是用于藏羚羊計數(shù)的個體標識

盡管無人機技術(shù)已逐漸被我國的科學家所認識, 但在現(xiàn)階段相關應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院地理科學與資源研究所的共同努力下, 國家遙感中心輕小型無人機遙感應用專家工作組成立。工作組將在加強載荷傳感器研發(fā)、推動行業(yè)準入制度建立、完善安全規(guī)范制定、推動輕小型無人機遙感系統(tǒng)綜合驗證場建設等方面開展工作, 這將為無人機生態(tài)學等相關領域的有序發(fā)展發(fā)揮重要作用。根據(jù)2016年出版的《輕小型無人機遙感發(fā)展報告》上的數(shù)據(jù), 2015年我國遙感應用專業(yè)級輕小型無人機已超過3000架, 估計未來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研究平臺來真正地服務于生態(tài)學研究和生物多樣性保護工作中, 還需要我們進一步地思考和探索。

5 存在的問題與展望

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

盡管無人機遙感技術(shù)已經(jīng)被生態(tài)學家所關注, 然而無人機的操作技術(shù)、數(shù)據(jù)收集和處理等對傳統(tǒng)的以野外調(diào)查和控制實驗為主要研究手段的生態(tài)學家都存在很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。目前很多無人機在生態(tài)學里面的應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)學家已經(jīng)在嘗試提供簡單的開源的無人機影像分析軟件或方法(如：通過網(wǎng)絡平臺來提供更多詳細的案例(如：ConservationDrone.org)。基于實際研究案例的無人機技術(shù)培訓將會是無人機在生態(tài)學領域內(nèi)的普及的重要手段。另外, 生態(tài)學家也在通過與無人機遙感專家的合作來挖掘高分辨率的無人機大數(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、計數(shù)甚至體型測量等。

5.2 無人機在生態(tài)學中的應用領域還需要進一步地擴展

如上所述, 無人機遙感技術(shù)已經(jīng)開始應用到動植物監(jiān)測、生物多樣性保護等方面, 然而多數(shù)研究還集中在用無人機搭載RGB普通數(shù)碼相機為監(jiān)測平臺。激光雷達、多光譜與高光譜遙感技術(shù)、熱紅外成像儀等在無人機生態(tài)學中的應用案例還不多見, 主要原因在于這些先進的遙感設備成本昂貴, 而且操作和數(shù)據(jù)處理專業(yè)化能力要求較高。另外, 受無人機載荷大小的限制, 這些遙感設備的傳統(tǒng)款式還難以廣泛應用到無人機監(jiān)測中。適合無人機平臺的輕量級的遙感設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技術(shù)在森林生態(tài)學研究中的應用, 尤其在生物多樣性高、冠層結(jié)構(gòu)復雜和環(huán)境條件變異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(http://www.cfbiodiv.org/)為代表的大型森林動態(tài)監(jiān)測樣地網(wǎng)絡是一個可以開展無人機生態(tài)學研究的理想平臺。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)查了非常詳細的關于地形、海拔、土壤等的相關信息[52]。通過這些詳實的地面數(shù)據(jù)與無人機調(diào)查數(shù)據(jù)的結(jié)合, 將進一步深化我們對生物多樣性維持機制的理解。

另外, 無人機在長期生態(tài)學研究中的例子還沒有報道, 主要原因是無人機生態(tài)學的發(fā)展才僅僅有幾年的歷史。無人機監(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)學中的重大科學問題提供重要支持。

5.3 無人機操控行業(yè)的管理規(guī)范與技術(shù)標準尚不完善

由于無人機研發(fā)、生產(chǎn)和使用的準入門檻相對較低, 并且無人機行業(yè)還缺少有效的管理規(guī)范和技術(shù)標準, 形成了無人機“滿天飛”的局面。這一亂象也影響了無人機遙感領域的有序發(fā)展。目前, 美國、歐洲等已經(jīng)開始制定民用無人機的相關標準, 但尚未形成完整的標準體系。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的管理規(guī)則Part 107(https://www.faa.gov/uas/), 該規(guī)則對無人機操控人員、飛行時間、飛行區(qū)域、飛行高度等給出了詳細的要求, 這是無人機行業(yè)走向有序化發(fā)展的重要一步。在我國, 有關輕小型無人機遙感的相關規(guī)定較少, 需盡快制定相關管理規(guī)定, 建立完善的無人機監(jiān)管措施。

綜上所述, 無人機遙感以其諸多難以替代的應用優(yōu)勢, 為生態(tài)學、保護生物學等相關學科的發(fā)展注入新的活力, 其應用潛力巨大, 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, 輕小型無人機遙感將革新空間生態(tài)學的研究, 正在成為生態(tài)學家的重要研究工具。無人機遙感技術(shù)在生態(tài)學中的應用還存在技術(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, 在可預見的未來必將被一一克服。

來源：胡健波, 張健. 無人機遙感在生態(tài)學中的應用進展. 生態(tài)學報, 2018, 38(1): 20-30