无人机有助于缩小评估全球变化的差距

作者:莱斯利·埃文斯奥格登|

北极无人机
在调查加拿大育空地区Qikiktaruk(Herschel岛)的北极苔原之前,研究人员在3DR四轮直升机上校准相机传感器。爱丁堡大学出版社/ Isla Meyers Smith

地球变暖,卫星图像显示了北极绿化的强烈迹象。但绿色信号掩盖了更大的复杂性。随着植物争夺优势,气候变化给冻土带带来了一场地面战争。在许多冻土带地区,高大的灌木从地衣等类似植物入侵曾经光秃秃的地区——或者覆盖很短的地区。了解北极植被的变化对于了解碳储存和反馈机制以帮助改善环境至关重要气候变化模型

但在一个偏远、难以访问且人口稀少的环境中,透露细微的细节是一项挑战。几十年来,遥感技术为人们提供了天空中的北极眼,但也存在一些缺陷。生态学家面临着从粗粒度卫星观测推断精细尺度模式的挑战。新的研究表明,无人机可以帮助弥合规模的不匹配。

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北极绿化的大部分证据来自20世纪70年代以来环绕地球运行的卫星数据。卫星数据提供粗略的分辨率。爱丁堡大学的植物学家生态学家Isla Myers Smith解释说,像素大小可以相当于24平方英里(64平方公里)的面积。

相比之下,在加拿大育空地区的Qikiqtaruk近20年里,迈尔斯-史密斯的研究小组以咖啡桌大小的面积来量化北极植被的变化。年复一年,她的团队在每个地块上扔下100个针,记录针接触到的每一株植物、叶子和茎干。这是艰苦的工作。评估每个区域需要数小时。

但是苔原是广阔的。只有极微小的北极碎片可以被如此详细地检查。卫星提供的总体绿化信号——归一化植被指数(NDVI)——是无误的,但植物是否正在变大?不同的植物正在入侵吗?变化是同质的吗?这些问题引起苔原生态学家的兴趣,他们想知道地面上发生了什么。

在大的空间范围内,很难从每平方米的地块换算卫星所看到的面积。“你最终会发现两者之间的差距,”他说安德鲁·坎里夫英国埃克塞特大学研究员。他最近领导了一次会议学习解决这一差距,发表在《环境研究快报》上。这项研究是与迈尔斯·史密斯和其他三人合著的,它代表了利用无人机缩小差距的更广泛努力。

北极无人机
在爱丁堡科学家领导的一项研究中,无人机摄像头揭示了加拿大北极地区的极端侵蚀。
爱丁堡大学出版社

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模糊透镜的锐化

卫星告诉我们关于北极的情况,“但是通过模糊的镜头,”该研究的合著者、丹麦奥胡斯大学的杰夫·科尔比说。可以追溯到20世纪70年代和80年代的卫星数据可能会有所帮助,但“像素可能有曼哈顿那么大,”他说。“从这些卫星数据中,我们有变化的证据,只是没有了解变化的信息。”

这个高纬度无人机生态网络创建一个苔原植被监测的标准化协议。苔原是一个波动和复杂的生态系统,气候变量影响卫星数据的准确解释。北极的积雪可以在一年中的任何时候出现,掩盖了下面植物的变化。北极经常多云,一年中有半年是黑暗的。北极阳光的角度会造成巨大的阴影。“如果你是为了好玩而拍摄风景照片,阴影是很好的,但如果你试图用电脑了解植物,阴影就不好了,”Kerby说。树荫下的绿色植物看起来不绿色。

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进入无人机.即使配备了相当简单的现成数码相机,无人机也能清晰地描绘出地面上正在发生的事情。把同一件东西从不同角度拍摄的照片拼接在一起,就可以制作出3D模型。克尔比和迈尔斯-史密斯成立了高纬度无人机生态网络,为苔原植被监测制定了标准化协议。

最初,北亚利桑那大学的斯科特·戈茨(Scott Goetz)对无人机的效用表示怀疑,但他没有参与最近的研究,现在确信无人机的价值。“尺度是遥感的关键问题之一,”美国宇航局的科学负责人戈茨说北极寒带脆弱性实验(上图)和美国宇航局科学副首席研究员全球生态系统动力学研究

北极无人机
在飞行间隙,研究人员背着巨大的无人机在奇奇克塔鲁克松软的冻土带上背包。
爱丁堡大学出版社/ Jeff Kirby

戈茨解释说,仅凭现场测量是不可能获得完整的图像的,但将卫星遥感与现场数据相连接是一条漫长而富有挑战性的道路,他还指出,遥感分辨率正在提高。“并不是说植被指数不起作用,或者我们不能系统地监测(植物生长)。这更多的是一个你想衡量的系统组成部分的问题。”

Cunliffe和合作者发现,NDVI数据在指示植物生物量方面表现不佳,因为这一广泛的绿色指标不能区分微小的绿色生物(如苔藓或地衣)和较大的形式(如灌木)。

加拿大麦克马斯特大学的遥感植被和气候变化科学家Alemu Gonsamo没有参与当前的研究,他说,如果无人机衍生的结构措施恰当地结合在一起激光雷达“它们提供了一个前所未有的机会来监测冻土带的绿色度和冠层结构的变化,如冠层高度和地上生物量。”

美国宇航局上述项目的合作者、北亚利桑那大学的洛根·伯纳(Logan Berner)说,在这种情况下,当谈到无人机的效用时,人们才刚刚开始。在Cunliffe的研究中,伯纳领导了一项评估1980年代以来北极苔原生物群落陆地卫星NDVI趋势的研究,他说,“他们所做的这类工作有着巨大的潜力,可以帮助我们更好地理解冻土带绿色度的变化意味着什么,为什么会发生变化,以及北极未来可能发生的变化。”

北极无人机
由爱丁堡大学领导的科学家们使用无人机安装的摄像机,研究了加拿大北极地区育空地区Qikiqtaruk Herschel岛永久冻土海岸线的侵蚀情况。
爱丁堡大学出版社

这个故事最初出现在Eos并在这里作为现在报道气候,加强气候报道的全球新闻合作。

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