高光谱遥感在植物多样性研究中的应用进展与趋势

植物的生物多样性对群落稳定和生产力具有极为重要的作用，对于整个生态系统而言，植物多样性保证了消费者的食物供应、多样的栖息地环境以及对植物物候和水循环的调节能力。

遥感技术是目前获取大尺度空间数据，监测陆地生态系统变化的最有力手段，可以直接提供植被、地形、气候数据进行后期分析，保证了变量间的观测尺度平衡。目前，高光谱遥感已经广泛应用于大尺度的生境制图、植物功能和谱系多样性反演等多层次的植物多样性研究。高光谱遥感手段大大减少了人力、物力的消耗，保证了多样性监测的时效性，满足了大尺度植物群落多样性格局动态监测的要求。

基于光谱变异假说的植物多样性直接估测

不同植物群落间的物种多样性可以通过其结构和生化特性体现出来，并产生可区分的光谱。高光谱遥感数据能够以上百个连续光谱波段对观测目标实现同时成像，其光谱分辨率和响应波段范围相比于多光谱遥感数据都有了极大的提升，因此可以更精细地呈现和量测物种多样性差异导致的光谱差异，并在很大程度上表征传统遥感手段难以描述的物种多样性指标。

1.1基本原理

高光谱特征直接应用于物种多样性反演的理论基础是光谱变异假说SVH（SpectralVariationHypothesis），这一假说认为生物多样性与光谱反射率差异间存在一定的联系。冠层生化性状的差异主要源于群落内多样的物种组成，而且这种差异能够被高光谱信号响应，因此直接建立光谱反射率差异与群落生物多样性差异的联系在理论上是可行的。不同植物的化学、解剖、形态、分类特征的差异共同影响着光谱特征，因此光谱特征的差异可以在一定程度上直接表征植物多样性的高低。

比较热带森林树种的多个冠层生化性状组合及其光谱特征，发现当引入足够多的生化性状时，性状值组合可以与物种唯一关联；在此基础上，物种识别的问题转化为性状定量反演。SVH假说通过直接建立光谱反射率曲线特征与植物群落多样性间的关系，来实现不同植物群落物种多样性相对大小的估算和比较（图1）。

图1基于光谱特征的多样性提取原理

高光谱信号对生化性状的差异响应是生化性状定量反演的基础，对光谱信号异质性的直接量化方式可以归纳为两类。

一是应用聚类思想，如“光谱类型”或“光谱物种”方法，该类方法通过对光谱特征进行聚类，得到植物群落内具有相似生化和结构特征的有限物种的光谱信息团聚体，每个团聚体即称为“光谱类型”或“光谱物种”。

二是基于光谱空间来量化光谱异质性或光谱多样性，即假定光谱空间是一个多维空间，由筛选出的包含主要信息且相互正交的波段来定义各坐标轴，影像在多维空间形成的包络体大小作为光谱多样性大小。度量不同植物群落影像光谱在光谱空间占据的范围和填充模式，可用于比较其群落物种多样性的相对高低。

1.2主要方法

光谱变异假说将植物多样性转化为光谱特征的异质性问题，即通过度量不同植物群落的光谱异质性程度来比较多样性高低。基于这一假说，研究者提出了不同的方法来量化光谱异质性（表2）。这几种方法都是以群落样方为基本单位，通过比较各个像元光谱与平均光谱的差异程度来度量样方内光谱多样性。

表2常用光谱多样性指标

基于高光谱数据提取植物多样性

在群落生态学研究中，高分辨率的近地面高光谱技术可以将多样性格局监测从物种分类维度推广至物种、功能甚至基因多样性维度，因此在生物多样性格局的研究中具有独到的技术优势。基于高光谱数据间接估测了热带森林群落功能丰富度和离散度指标，分析了随海拔梯度功能多样性指标的变化和不同空间尺度下群落构建机制的差异。高光谱遥感结合激光雷达技术能够在结构复杂的森林群落同步采集植物群落结构、功能性状和地形信息，多源遥感技术协同反演是未来全球视野下植物多样性研究的重要发展方向，为生态学研究提供了丰富的数据资源（图2），满足了从个体到宏观尺度的研究。

图2遥感高光谱生物多样性提取的应用

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审核编辑 黄宇