草地草种遥感判别技术研究进展.pdf

第 32 卷 第 6 期Vol.32，No.6167-1852023 年 6 月草业学报ACTA PRATACULTURAE SINICA黄梦鸽，王新鸿，马灵玲，等.草地草种遥感判别技术研究进展.草业学报，2023，32（6）：167185.HUANG Meng-ge，WANG Xin-hong，MA Ling-ling，et al.Research progress on remote sensing discrimination techniques for grassland botanical species.Acta Prataculturae Sinica，2023，32（6）：167185.草地草种遥感判别技术研究进展黄梦鸽1，2，王新鸿1*，马灵玲1，叶学华3，朱小华1，孔维平1，王宁1，汪琪1，欧阳光洲1，郑青川4，侯晓鑫4，唐伶俐1（1.中国科学院空天信息创新研究院，中国科学院定量遥感信息技术重点实验室，北京 100094；2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049；3.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093；4.内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古 包头 014033）摘要：草地是促进区域经济发展的重要资源载体，也是中国陆地生态环境安全的重要生态屏障。遥感技术快速、高效、成本较低，是大范围草原监测的主流技术手段。利用遥感技术对草地草种进行判别是监测草地种群动态和群落更替的重要途径，有利于及时准确地发现草地生态环境的变化，为草地生态系统科学管理和生态文明建设提供重要参考。本研究围绕草地草种遥感判别问题，厘清草种判别技术流程，从草种判别主要遥感数据源的特点及其获取技术、重要的草种判别特征及其挖掘技术，以及目前常用的草种判别方法与模型等 3个方面介绍了最新研究进展及技术难点。本研究认为，高光谱、激光雷达遥感及其融合技术在草种遥感判别中具有一定的应用前景，多维特征深度挖掘及互补特征有效结合可提升草种判别准确率。本研究指出了当前草种遥感判别技术存在的主要问题，对未来通过遥感技术实现草地草种的精确判别提出了展望，为全面了解草地草种遥感识别领域和深入开展草种判别研究提供了理论借鉴。关键词：遥感；草种判别；高光谱；激光雷达；特征挖掘；判别模型Research progress on remote sensing discrimination techniques for grassland botanical speciesHUANG Meng-ge1，2，WANG Xin-hong1*，MA Ling-ling1，YE Xue-hua3，ZHU Xiao-hua1，KONG Wei-ping1，WANG Ning1，WANG Qi1，OUYANG Guang-zhou1，ZHENG Qing-chuan4，HOU Xiao-xin4，TANG Ling-li11.Key Laboratory of Quantitative Remote Sensing Information Technology，Aerospace Information Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；2.School of Electronic，Electrical and Communication Engineering，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change，Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100093，China；4.Inner Mongolia North Heavy Industries Group Co.，Ltd.，Baotou 014033，ChinaAbstract：Grassland is an important resource bank for regional economic development and a crucial ecological reservoir for the security of Chinas land-based ecological environment.Remote sensing technology is rapid，efficient，and low-cost，and therefore provides the mainstream technical means for large-scale grassland monitoring.The use of remote sensing technology to discriminate grassland species is an important way to monitor the population dynamics and botanical community succession in grassland.Such information is conducive to the timely and accurate DOI：10.11686/cyxb2022278http：/收稿日期：2022-06-28；改回日期：2022-09-19基金项目：中国科学院战略性先导科技专项子课题（XDA26010203；XDA26010304）和内蒙古自治区科技重大专项（2021ZD0044）资助。作者简介：黄梦鸽（1996-），女，河南洛阳人，在读硕士。E-mail： 通信作者 Corresponding author.E-mail：Vol.32，No.6ACTA PRATACULTURAE SINICA（2023）detection of changes in the grassland ecological environment and provides an important reference for the scientific management of grassland ecosystems and the construction of an ecologically aware civilization.This study focuses on the problem of remote sensing discrimination of grassland species，clarifies the technical process of grassland species discrimination and introduces the latest research progress.Technical difficulties are covered from three perspectives：The characteristics of the main remote sensing data sources for grassland species discrimination and their acquisition techniques，important grassland species discrimination features and their mining techniques and the current commonly used grassland species discrimination methods and models.This study concludes that hyperspectral and LiDAR remote sensing and their fusion technologies have application prospects in the remote sensing discrimination of grassland species，and that the deep mining of multidimensional features and the effective combination of complementary features can improve the accuracy of grassland species discrimination.This study identifies the main problems of the current remote sensing discrimination technology for grassland species，and opens the prospect of the future precise discrimination of grassland species through remote sensing technology and thereby provides a theoretical reference for a thorough understanding of the field of remote sensing identification of grassland species and in-depth research on grassland species discrimination.Key words：remote sensing；grass species discrimination；hyperspectral；LiDAR；feature mining；discriminative model我国是世界上草地资源最为丰富的国家之一，根据我国第一次草地普查数据，我国草地面积为 4亿 hm2，占国土面积的 41.7%1。草地是重要的可再生资源，对畜牧业的健康发展和环境保护等具有重要意义。长期以来，受到气候变化、人类活动等因素影响，我国大多数草地都发生了不同程度的退化，给当地的畜牧业生产和人民生活造成巨大影响，严重威胁我国生态安全和区域可持续发展。近年来，我国政府采取了多种措施加强对草地资源的管理和维护，取得了很好的效果，但草原退化、草畜矛盾等问题仍然存在。一方面，我国草地类型多样，不同类型的草地其物种组成不同。根据 1 1000000中国植被图，我国草地分为草原、草甸、草丛和草本沼泽 4大类 12类，包括高寒草甸、高寒草原、温性草原、亚热带热带草丛、荒漠草原、岩生草甸、山地草甸、草甸草原、沼泽化草甸、寒温带温带沼泽和温带草丛、高寒沼泽等。另一方面，受降水和温度的影响，特别是生长季降水的影响，同样的草地类型，其植物组成存在较大地域差异。草地植物群落物种结构自身具有季节和年际动态变化，草地退化大面积发生，退化过程中伴随着植物种结构的变化，特别是优势种的变化。例如，在过度放牧导致的草原退化过程中，衰退种群植株死亡后的资源空间可使拓殖能力强的种群或原种群增长2。所以，在草原退化过程中，草原植被种群的数量通常会表现出波动性，对草种进行高效、精准的识别是定量化评价草种群落变化的重要依据3，是草地动态监测的重要环节之一，也是研究草地环境变化、合理管控草地、制定草地利用方案的基础。草种判别的传统方法是人工识别，这种方法耗时耗力、低效率、低精度，不适合大范围区域和难以到达区域的监测，遥感技术在这些方面表现出巨大优势，成为当前草种识别的主要手段。目前，已有部分研究利用遥感技术对草原草种进行成功识别4-7，但其整体分辨率偏低，拍摄成本也十分昂贵。近年来，高光谱遥感技术作为研究热点之一，被应用于草种监测领域。通过高光谱成像技