不知大家是否在樹林中看見過這樣的場景：幾個人，圍著樹木，拿著皮尺，在測量樹木的高度和胸徑，還不時用一些儀表測量氣溫、濕度、風(fēng)速等參數(shù)?他們?yōu)槭裁匆獪y量這些數(shù)據(jù)?測得的這些數(shù)據(jù)又有哪些用途呢?
　　事實上，這些測得的數(shù)據(jù)，一般也被稱為生態(tài)參數(shù)，在科研和管理中有著非常重要的作用。
　　
　　為什么要測量生態(tài)參數(shù)
　　
　　自然界中，影響植物乃至其他生物生長的主要因素有溫度、濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向和人類活動等。它們共同作用導(dǎo)致的結(jié)果就是，不同地區(qū)的生物種類及豐富程度不一，特別是植物的生長密度、高度、粗細、葉子形狀大小、茂密程度等不盡相同。比如，亞馬遜地區(qū)的森林同中國北方的森林就有很大差別：亞馬遜地區(qū)有許多高大的熱帶雨林；在我國北方，最常見的則是針葉林(如松柏)或落葉闊葉林(如楓樹)。這是為什么呢?因為在熱帶地區(qū)，常年光照和水分充足，植物通過光合作用能積累較多養(yǎng)分，故而長得高大，而且有足夠的能量進行快速新陳代謝，一年到頭均能保持旺盛的生長；我國北方地區(qū)，寒冷干燥，樹木生長季短，積累養(yǎng)分的過程慢，長新葉需要耗費許多能量，因此，一般不落葉的針葉植物比較有優(yōu)勢。同時針葉植物的葉面小，孔隙少，葉片水分流失速率低。這一地區(qū)的闊葉植物，在寒冷的季節(jié)里葉片會先變色，然后全部凋落。由此可見，自然界的各異形態(tài)，就取決于這些生態(tài)參數(shù)。
　　人們?yōu)榱烁行У毓芾砗鸵?guī)劃自然資源，需要將復(fù)雜的生物類型劃分為一個個小單元。每個小單元都有自己的“個性”和“特征”，通過這些特征，能很好地將其與它的鄰居單元們區(qū)分開來。比如，同樣都是大學(xué)，各有不同的名字，像師范大學(xué)、傳媒大學(xué)、體育大學(xué)，通過這些名稱我們就能輕松辨識出每個學(xué)校的特色。那么，在自然界中，我們要怎樣才能抓住區(qū)分各類生物的特征呢?例如，森林管理中會把大面積森林劃分為林分，這就需要了解各地區(qū)森林的樹種、樹齡、茂密程度等相應(yīng)參數(shù)。
　　
　　在科學(xué)研究中，生態(tài)參數(shù)至關(guān)重要。現(xiàn)在炙手可熱的全球變化科學(xué)，就需要利用足夠準確的生態(tài)參數(shù)，來模擬生物圈的各類活動，進而構(gòu)建出氣候變化模式。這些模式可以用來預(yù)測未來天氣氣候變化……有了這些預(yù)測，國家和政府就好采取相應(yīng)措施，盡量減少損失。
　　
　　生態(tài)測量學(xué)如何產(chǎn)生
　　
　　為精確測量生態(tài)參數(shù)，科學(xué)上逐步發(fā)展出一個專門的學(xué)科，我們稱之為生態(tài)測量學(xué)。
　　以森林資源調(diào)查為例，過去森林制圖主要依賴野外調(diào)查和航空拍攝的相片判讀。野外調(diào)查需要深入待調(diào)查的地方，利用皮尺、羅盤等工具實地測量樹木的高度、胸徑；用眼睛判別樹的種類和樹冠的寬度；利用便攜式百葉箱氣象臺站測量溫度、濕度、風(fēng)速……這樣的調(diào)查費時費力，每個調(diào)查點都需要各類專業(yè)人士分工配合，一天下來能查清的區(qū)域非常有限。
　　為提高工作效率，聰明的人類逐漸發(fā)展出一些更高效的方法。
　　19世紀50年代，出現(xiàn)了航空攝影——也就是飛離地面一定高度給地球表面拍照。當(dāng)時只有探空氣球，1909年懷特兄弟發(fā)明了飛機，并第一次從飛機上對地面進行拍攝。之后，在飛機或其他航空飛行器上利用攝影機攝取地面景物的技術(shù)日益成熟。這就是航空攝影，又稱航拍，所得的影像稱為航片。
　　雖然相比野外調(diào)查，利用航片更省時省力，但它展示的只是一個平面的世界，對樹木的高度等三維幾何信息，無法直接測算。
　　用什么方法才能從3D的角度去丈量世界呢?
　　
　　從3D角度丈量世界
　　
　　研究人員后來逐步發(fā)展出根據(jù)攝影測量學(xué)的原理對植物三維形態(tài)進行直接測量的技術(shù)，這就是數(shù)字攝影測量。它是對多角度攝影圖像進行自動化三維量測與制圖的技術(shù)。
　　其中，最普遍的技術(shù)是立體像對，3D版的《阿凡達》就是一個例子。大家進電影院看《阿凡達》時都會領(lǐng)取一個眼鏡，只有戴上這個眼鏡，才能看到立體的效果，如果不戴眼鏡，看到的就是普通的平面電影，加上模糊的畫面重疊。很多博物館中也有這類展示。兩張同一地區(qū)的照片，如果是從不同角度進行拍攝的，總會有一定的重疊區(qū)域，使用立體眼鏡就可以看到重疊區(qū)域的立體影像。有了立體影像，我們不就可以獲得地物或地形的立體模型，并進行測量了嗎?
　　一般來說，拍攝角度越多，就越有利于三維模型的構(gòu)建。
　　
　　遙感生態(tài)測量時代
　　
　　生態(tài)測量發(fā)展到航空攝影測量階段，就步入了遙感生態(tài)測量時代。
　　遙感，顧名思義，就是遙遠的感知，是現(xiàn)代人對傳說中的“千里眼”的一種實現(xiàn)。遙感技術(shù)可以讓人們更快、更大范圍地精確獲取生態(tài)參數(shù)。
　　根據(jù)不同的需求，遙感技術(shù)可選用不同波段的傳感器來獲取信息，例如，可見光反映的是人眼看到的世界，可以用來探測現(xiàn)實目標；熱紅外對溫度敏感，可用來獲取地表溫度；微波的波長較長，穿透力強，可以獲取地形信息……通過一系列數(shù)學(xué)物理公式的推導(dǎo)，人們就能從遙感影像中獲得地物類型、地表溫度、地形特征等各式各樣的數(shù)據(jù)。
　　用于生態(tài)測量的部分遙感方法和數(shù)據(jù)各式各樣(圖1給出的示例是利用飛機搭載的激光雷達獲取森林信息的工作示意圖)。
　　
　　無線傳感器
　　
　　傳感器是遙感科學(xué)中最重要的一個環(huán)節(jié)，拍照的任務(wù)都是通過傳感器完成的。
　　遙感傳感器的定義廣泛，搭載在飛機、飛船、衛(wèi)星等飛行物上的傳感器都在其范疇之內(nèi)。最近蓬勃發(fā)展起來一個新的交叉領(lǐng)域——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更是將傳感器循天遁地的能力發(fā)揮到極致，極大地拓展了遙感技術(shù)的應(yīng)用范疇。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是指將傳感器、自動控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸、儲存、處理與分析技術(shù)集成的現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)。它的傳感器一般與小型計算機和無線發(fā)送裝置綁定在一起，人們稱其為節(jié)點。每個節(jié)點可放置于觀測對象附近，或直接接觸觀測對象，甚至直接植入其內(nèi)。節(jié)點可以幫人們獲得觀測對象的物理、化學(xué)、生物學(xué)特性等相關(guān)數(shù)據(jù)。
　　從技術(shù)層面看無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)遙感有很多相似之處。它能夠使用更多的傳感器、有更靈活的搭載平臺(人、動物、植物、建筑、車輛、地面或空中)、數(shù)據(jù)處理也更為簡單。
　　現(xiàn)在，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遙感領(lǐng)域已經(jīng)受到了很大關(guān)注，并得到成功的應(yīng)用。
　　我國遙感科學(xué)國家重點實驗室在中國最大的淡水湖——鄱陽湖的洲灘上，搭建了一套聲像傳感系統(tǒng)，主要由攝像機和錄音機，以及無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸平臺組成。這套遠程、可控、無干擾的濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，最終可實現(xiàn)對植被生態(tài)系統(tǒng)、野生動物群落、家畜牧養(yǎng)的實時監(jiān)測，為濕地環(huán)境生態(tài)管理與野生動物保護、遙感數(shù)據(jù)地面實時驗證與真實性檢驗，及遙感天地一體化提供服務(wù)。
　　傳統(tǒng)遙感一般只從天上看地下，很少利用攝像機或錄音機傳感器，直接在地面進行監(jiān)測。在鄱陽湖搭建的這套聲像一體化系統(tǒng)，就可以通過錄音機記錄下的鳥聲，分辨出鳥的種類。這是怎么實現(xiàn)的呢?大家對人的發(fā)音很熟悉，每個人的聲音都很獨特，因為有性別之分，語言之分，低沉或尖銳的音階之分，洪亮或微弱的音調(diào)之分，還有快慢的頻率之分……假如你對某個人很熟悉，即使“不見其人，只聞其聲”，你也能知道這個人是誰。鳥聲也是一樣的道理。鳥聲識別就是通過記錄下鳥聲，分析其音階、音調(diào)、頻率等特征，“學(xué)習(xí)”鳥的語言，進而識別出鳥的種類。
　　我們都知道，聲音在空氣中的傳播速度是340米／秒，同一地點發(fā)出的聲音到達不同遠近的地方所需時間是不一樣的。在這一原理的基礎(chǔ)上，通過在多個位置架設(shè)的錄音機，利用聲音信號到達各錄音機的時間差，就可以準確估算出聲源的位置。同時通過無線遠程控制系統(tǒng)，還可以實現(xiàn)同步錄音，并且也不會干擾到鳥類的活動。
　　地文臺——未來的夢想
　　，如今，遙感生態(tài)測量學(xué)可以為野生生物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家、林學(xué)家和地理學(xué)家等提供重要的技術(shù)支撐，用于監(jiān)測地球表面生態(tài)過程的變化。
　　在科技高速發(fā)展的今天，人們對信息獲取的強度和精度要求越來越高。出行者希望知道天氣在下一個小時會有什么變化，空氣中污染物的濃度是高是低，以制定出行計劃；動物愛好者希望知道他們所關(guān)心的動物出現(xiàn)在什么地方，密度有多少；農(nóng)民希望知道大棚里的溫度、濕度、養(yǎng)分是否能滿足農(nóng)作物的需求；科學(xué)家希望知道全球尺度CO的循環(huán)，洋流、氣流的實時軌跡，地殼的機械運動，以應(yīng)對全球變化……
　　這些不是靠區(qū)區(qū)一兩顆衛(wèi)星或一兩種儀器就能實現(xiàn)。設(shè)想一下，在遙感生態(tài)測量這一學(xué)科蓬勃發(fā)展之后，將出現(xiàn)諸如地球觀測臺或地文臺(earth observatory)的生態(tài)觀測平臺。
　　圖2是地文臺的設(shè)想圖。地文臺的職責(zé)是鏈接所有給予權(quán)限實時獲取數(shù)據(jù)的監(jiān)測站點，航天、航空和地面?zhèn)鞲衅鞫紝⒈患{入這一大型觀測網(wǎng)絡(luò)，所有數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時傳輸、實時顯示和數(shù)據(jù)共享。從點到面、從天到地，從平面到立體地對地球?qū)崿F(xiàn)全天時、全天候、全方位的連續(xù)觀測。遙感生態(tài)測量學(xué)也將在地文臺中將其作用發(fā)揮到極致。
　　
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