立体“慧眼”守护生物多样性

生态环境部卫星环境应用中心科研人员在野外使用无人机采集物种数据。
受访者供图

“五基”体系模型。
本报记者 刘发为摄

生态环境部卫星环境应用中心科研人员在野外监测生物多样性。
受访者供图

在江苏省盐城市大丰区黄海湿地野鹿荡，成群麋鹿正在嬉戏、觅食。
张连华摄（人民图片）

生物多样性让地球充满生机，是人类赖以生存和发展的基础。生物多样性监测是生物多样性保护的基础。目前，在生物多样性监测方面，有许多技术不断被应用到实践中，其中，遥感技术具有高时空分辨率、高精度、多尺度动态监测的优势，逐步成为国内外生物多样性监测的重要技术手段，覆盖天地空的立体“慧眼”为生物多样性保护贡献了科技力量。
一张立体网
“以前，对生物多样性的调查和监测大多通过人工在地面进行，范围有限、耗时耗力、效率不高。”全国政协委员、生态环境部卫星环境应用中心（以下简称“卫星中心”）首席科学家高吉喜告诉记者，“近年来，我们创新搭建起‘五基’体系，这一技术理念和手段在生物多样性调查和监测中效率更高、范围更大，也更可持续。”
遥感是通过非接触的方式获取物体信息的一种技术手段。“当前大家熟知的遥感技术主要停留在卫星遥感上。”高吉喜说，“五基”体系将天基卫星、空基遥感、低空无人机、走航巡护、地基移动/固定平台融为一体，拓展了传统遥感的应用范围，其中，空基遥感以高塔为搭载平台，走航巡护以车辆为搭载平台，加上地面观测，能够直观监测到植物群落，识别并跟踪大型哺乳动物的活动轨迹，“‘五基’体系在生物多样性监测中非常有优势”。
“五基”体系的搭建并非一日之功，卫星中心持续做了多年探索。卫星中心生物多样性遥感监测评估中心主任万华伟，十多年前就曾做过相关的尝试。当时，她和团队成员注意到外来入侵物种互花米草在广西扩散的消息后，联合当地团队，通过高分辨率卫星和无人机遥感手段摸清了互花米草的分布范围和扩散趋势，为科学治理提供了技术支撑。
也是在几年前，万华伟还曾和北京大学吕植团队合作，利用高分辨率卫星遥感数据对雪豹栖息地进行监测，通过获取高精度地表覆盖状况及人类活动情况，结合已有的地面调查，分析出哪些地方更适宜雪豹生活以及这些适宜栖息地之间的连通状况，为进一步开展地面雪豹监测和生态廊道规划等出谋划策。
卫星中心副主任周海丽告诉记者：“随着我国高分系列卫星的发射，高分辨率的地表观测数据频次不断增加，高光谱、激光雷达等新型载荷的出现为天空地一体化监测提供了卫星数据保障，数据处理技术的提高也为物种多样性直接监测提供了可能。再加上定点音视频、红外相机、无人机高清相机等地基监测技术与设备，可从物种、群落、景观和生态系统等不同角度对生物多样性进行长时序、多层次的全面监测与系统研究，对更全面掌握生物多样性状况，以及分析典型区域、重要类群的中长期变化态势十分有帮助。”
天上有卫星，高塔上有观测设备，低空中飞起无人机，再加上移动走航车和地面监测设备，一张生物多样性监测的立体网搭建起来了。
“‘五基’体系并不是由多种监测平台、载荷和技术方法简单罗列、堆积构建的监测体系，而是从生态遥感监测需求出发，通过装备、数据和应用等多种协同技术，将监测过程中每个节点相互联结，构建形成的多维度、多节点、非线性的复杂监测网络。”高吉喜说，这需要多方协作，整合利用各级、各类、各区域已有生物多样性地面调查和监测的数据，借助天空地一体化生物多样性立体监测方法，形成常态化生物多样性保护监督监测机制。
一个数据库
怎样对一个地方的生物多样性实施更有针对性的保护？首先要对这里的生物物种有全面准确的了解和掌握。而要做到这一点，在许多人不能至的地方，仅靠传统的近距离观测很难实现。此时，遥感的优势就充分显现了出来。
有了“五基”体系搭建的立体网，监测更加容易了，但也有一个新的问题摆在面前，如何让监测的结果更加准确？
监测数据组成的数据库必须体量足够大，在此基础上利用人工智能技术训练更准确的模型，才能让物种识别更加准确。
目前，在业内用无人机或固定点位红外相机拍照识别动物物种已经有诸多探索，但用无人机拍照识别植物物种信息，还少有人尝试。
这两年，为了这件事，卫星中心的许多人没少往内蒙古自治区的大草原跑。
“要做好这件事情不容易，但我们都觉得这是十分值得做的一件事情。”高吉喜说。
初次见到卫星中心生物多样性遥感监测评估中心的王永财，小麦色的皮肤是给记者留下的第一印象，这是他经常到野外工作留下的印记。最近这几年，王永财每年夏天都花大把时间“泡”在内蒙古。“去年前前后后加起来，我差不多有一个半月的时间是在内蒙古进行监测工作。”王永财说。
在内蒙古草原，王永财和同事们主要的工作就是进行数据收集，对草原草种、草场长势及其健康状况等进行跟踪监测，并建立草原基础数据库，实现对草原牧草生长、植被覆盖度及草原“三化”情况的动态监测，及时准确掌握各阶段草原植被生长及草原利用情况，科学评价草原生态状况。
截至目前，相关数据已经收集了相当一部分，基于数据库搭建的平台已经有了初步的架构——草地植物智能识别系统、草地参数遥感反演系统都已经开发完成。
“根据已有数据库，对内蒙古草原试点地区内超半数的植物物种，识别准确率已经能超过八成。”万华伟说。
数据的多少直接影响着数据库的质量，数据库的质量直接影响着识别的准确率。为了在更短时间内充实这个数据库，卫星中心又有了新行动。“我们准备在试点区域建设小型无人机机场，目前选址已经完成，机场建好后，我们可以在北京远程遥控无人机起降，数据采集的能力将大幅提升。”卫星中心生物多样性遥感监测评估中心肖翠博士说。
一批新工具
卫星遥感功能更加精细完善，无人机近地面遥感方兴未艾，一批又一批新工具不断涌现，守护生物多样性的“慧眼”更加立体、更加明亮。
在卫星中心无人机实验室，呈现在记者眼前的，是大小不同、形态各异的无人机及载荷设备：有续航可以达到4个多小时的中型固定翼无人机，也有可以垂直起降、灵活多变的多旋翼无人机；有常见的CCD光学成像设备，也有高精尖的高光谱设备。这个展厅，是生态环境低空遥感监测设备的一个缩影。
“通过不同的飞行平台搭配相应的载荷，可以满足不同的生态环境监测需求，使生态环境遥感监测更加灵活多变、快速高效。”卫星中心航空部技术人员吴强说。
除了不断升级迭代的无人机设备，这些年，卫星中心应用于生物多样性监测的其他工具也不断出新。
在卫星中心大楼门口，停着一辆外观看来并无特殊的越野车。“这是由高吉喜率领团队自主研制的多功能生态移动巡护车，2022年8月完成了研制工作，到目前一直在结合业务需求进行迭代升级。我们自主研发了多模态动物识别模型和超分辨率重建小目标识别模型，可对野生动物种群进行智能识别、计数与追踪。”卫星中心生态环境空间数据中心负责人曹飞说，移动巡护车已陆续赴北京、内蒙古、青海、山东等地开展现场试验，均取得良好效果。
按下遥控器上的按钮，搭载监测设备的四足机器人便可自主行进，记者眼前这个新工具，能够在内蒙古草原植物多样性调查时替科研人员“跑腿”，实现对草原植物的观测、拍照和图像回传，提高监测效率。万华伟说，这是由卫星中心牵头研制的草地生物多样性移动监测平台，顶部搭载360度可见光相机，通过获取高清照片进行入侵物种、退化指示物种、珍稀濒危物种等重要物种的识别，获取生物多样性状况，目前正推进技术升级迭代，提升设备负载能力、移动里程，增加适用场景，同时配套开发物种AI识别模型，更好开展生物多样性保护的智能化调查与监测。
新理念、新技术正给生物多样性监测带来更多令人欣喜的改变。“我们希望通过不断努力，提高生物多样性的监测水平，助力昆明—蒙特利尔全球生物多样性框架落到实处。”周海丽说。（本报记者 刘发为）
《 人民日报海外版 》（ 2024年05月21日   第 08 版）