高光譜遙感在植物多樣性研究中的應用進展與趨勢

植物的生物多樣性對群落穩定和生產力具有極為重要的作用，對于整個生態系統而言，植物多樣性保證了消費者的食物供應、多樣的棲息地環境以及對植物物候和水循環的調節能力。

遙感技術是目前獲取大尺度空間數據，監測陸地生態系統變化的最有力手段，可以直接提供植被、地形、氣候數據進行后期分析，保證了變量間的觀測尺度平衡。目前，高光譜遙感已經廣泛應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，保證了多樣性監測的時效性，滿足了大尺度植物群落多樣性格局動態監測的要求。

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構和生化特性體現出來，并產生可區分的光譜。高光譜遙感數據能夠以上百個連續光譜波段對觀測目標實現同時成像，其光譜分辨率和響應波段范圍相比于多光譜遙感數據都有了極大的提升，因此可以更精細地呈現和量測物種多樣性差異導致的光譜差異，并在很大程度上表征傳統遙感手段難以描述的物種多樣性指標。

1.1基本原理

高光譜特征直接應用于物種多樣性反演的理論基礎是光譜變異假說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系。冠層生化性狀的差異主要源于群落內多樣的物種組成，而且這種差異能夠被高光譜信號響應，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系在理論上是可行的。不同植物的化學、解剖、形態、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，發現當引入足夠多的生化性狀時，性狀值組合可以與物種唯一關聯；在此基礎上，物種識別的問題轉化為性狀定量反演。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系，來實現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是生化性狀定量反演的基礎，對光譜信號異質性的直接量化方式可以歸納為兩類。

一是應用聚類思想，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，得到植物群落內具有相似生化和結構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化為光譜特征的異質性問題，即通過度量不同植物群落的光譜異質性程度來比較多樣性高低?；谶@一假說，研究者提出了不同的方法來量化光譜異質性（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光譜多樣性。

表2常用光譜多樣性指標

基于高光譜數據提取植物多樣性

在群落生態學研究中，高分辨率的近地面高光譜技術可以將多樣性格局監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優勢?；诟吖庾V數據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建機制的差異。高光譜遙感結合激光雷達技術能夠在結構復雜的森林群落同步采集植物群落結構、功能性狀和地形信息，多源遙感技術協同反演是未來全球視野下植物多樣性研究的重要發展方向，為生態學研究提供了豐富的數據資源（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用

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審核編輯 黃宇