基于生理性状的草地物种多样性遥感监测方法研究

Monitoring biodiversity is essential for the conservation and management of grassland resources. With the combination of UAV-based imaging spectroscopy and field-measured leaf traits and spectral data, this study will firstly explore the relationships among the spectral, physiological and taxonomic diversity on grassland ecosystem from the perspective of biological and biophysical foundation. The optimal physiological traits will be selected and then be used to develop a grassland species diversity prediction model for grassland species diversity regional mapping. This research may support future work on regional species diversity mapping with integrating the remote sensing technology and ecological theory.

面向草地生物多样性区域监测需求，结合地面调查和无人机高光谱遥感监测，从光谱变异的生物物理和生物化学基础出发，探讨草地物种多样性、生理性状多样性和光谱多样性三者间的关联性，选取可用于遥感监测的最优生理性状组合，构建基于生理性状的草地物种多样性遥感监测模型，促使遥感技术方法与生态学理论的有机融合，以期望为开展区域尺度草地物种多样性的遥感监测提供新的方法。

生物多样性监测对于评估全球陆地生态系统保护和生态系统服务至关重要。然而，目前国内外有关植物多样性的遥感监测多以森林为研究对象，草地个体小、小尺度内物种多样且立体结构难以分离，导致草地植物多样性遥感监测相比森林生态系统更为困难。无人机，结合地面调查，辅以高光谱传感器，可实现对高空间、高光谱和高时间分辨率的草地多样性监测，为实现小尺度研究到大尺度监测的无缝链接提供了强有力的技术手段。本项目基于内蒙古单一栽培平台，开展了草地物种光谱多样性、功能性状多样性和物种多样性之间的关系研究，研究发现（1）不同物种的功能性状不同，进而导致光谱的多样性，且常以属或科聚合；（2）草地物种的光谱多样性从可见光-近红外-短波红外，逐渐增加；（3）随着物种丰富度的增加，光谱多样性和功能性状多样性成非线性增加，最终达到饱和；（4）基于高光谱和光谱反演的功能性状对草地多样性的反演精度分别为R2 = 0.73和0.66。本项目进一步探索了基于比较了基于面积和基于质量的叶片性状反演精度，进而探究不同物种的性状特征（叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、碳、氮、单位面积叶质量等）以及功能多样性与生态系统生产力之间的联系。研究发现基于面积的叶片性状反演精度明显优于基于质量，且遥感反演的功能性状的种间及种内变异（CV）是地上生物量的重要预测指标，尤其是与植物光合作用有关的色素和氮；另外研究也发现，功能丰富度与AGB显著相关，而功能FDiv与群落生物量无显著关系。在此研究基础上，本项目也提出了一个草地植物多样性天空地一体化遥感监测框架，以促进遥感技术在草地生物多样性监测与评估的应用。本项目揭示了基于无人机高光谱影像开展功能性状遥感反演，生物多样性监测以及评估生态系统生产力的潜力，加强对生物多样性对生态系统功能影响的理解，并为区域和全球范围内的草原生物多样性保护提供科技支撑。

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