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Ecology: The Economy of Managing Nature复旦大学生命科学学院赵斌教授在中国大学MOOC网站上倾心打造的《生态学：管理大自然的经济学》。关注本公众号，可在第一时间获得课程的同步更新。
我们已经进入了一个大数据时代，我们现在获取遥感数据的能力已提高到前所未有的水平。我们利用遥感技术提取信息、理解地学变化和生态学过程，可以分析一些更具体、更特殊的特征。那么，我们现在就来为大家介绍“大数据时代的生态学”这个话题的第二个内容：遥感与生物多样性监测。大数据的商业应用正在改变着人们的生活。而在学术上，遥感大数据正在试图解决全球范围内的环境问题，包括从气候变化和粮食安全，到疾病传播和清洁水供应。大家应该可以理解，遥感在生态学中的应用领域其实很广泛，但我们没有时间来一一介绍。作为一个范例，我觉得聚焦一个方面，也许更能将问题说得清楚一些。所以，下面我将主要针对生物多样性监测来谈谈遥感在生态学中的应用，顺便会谈一下在大数据时代的趋势和挑战。遥感大家并不陌生，你完全可以理解为放在高空的一架照相机，而且是移动拍摄的。我们有一个体会，我们爬上高山，可以看得更远，这就是常说的站得高、看得远，但也会导致另外一个问题，看不清、看不准。而我们的遥感这个太空相机，则要在数百公里，甚至数万公里之遥，能看清地球表面的细节，那就是曾经的许多次黑科技带来的革命了。遥感这种高投入的设备，其产品需要收费，这一点也不会让人奇怪。但是如果价格太高，超出了普通研究人员的承受范围，那么这个东西也就失去了其实用性。所以，大家希望这样的东西价格不能太贵，如果能作为公益或者公共产品免费开放就更好了，这个愿望其实正在实现。从2000年MODIS的许多产品免费提供，到2010年第一颗哨兵卫星发射，预示着一个新时代的来临。任何对地球研究有兴趣的个人，都可以免费获得从地震到城市化方面的详细数据。现在的遥感卫星，正使地球观测，变得像天气预报和卫星导航一样，成为日常的公共服务，同时也非常有利于科学研究。而且，现在还有一种更经济的卫星发射方式，称为立方体卫星组，它可以帮助研究者对地球进行各种测量。立方体卫星，可以捆绑在一枚大的火箭平台上，一次发射十几颗甚至几十颗卫星，而平均每颗只需要不到4万美元的成本。随着这样的卫星发射，数据收集的密度，未来将会越来越高。那么，随着遥感数据越来越多，图像越来越清晰，更新速度越来越快。我们现在可以利用它们来监测和跟踪发生在地球上的许多变化，比如作物、森林、野生动物移动、城市扩张和自然灾害。我们可以设想一下，未来是否有一天，成群的小卫星包围着地球，提供接近地球实况的图像呢？也就是说，地球每一分、每一秒，每一个地方都有记录。多年以后，我们还能看到地球上曾经发生的任何一件卫星可观察到的事儿，那该多么好玩呀！前面一次课，我介绍了舍恩伯格在其《大数据时代》一书中，将大数据思维聚焦于三个方面：利用全体数据、关注相关关系、重视混杂性。而这，恰好是遥感技术倍加关注的。我甚至认为，遥感天生就是大数据。比如，曾经最令遥感学家引以为豪的，就是同一时间获得的一个区域的全体数据，这是任何地面调查都难于媲及的；其次，从遥感数据衍生的各种植被指数，可以反映地表的某一参数，但我们实际上并没有去首先理解这一地表参数与遥感指数之间的因果关系是什么，而是在分析之初更关注其相关关系；还有，我们总是从多方面获得各种遥感数据，包括多平台、多波段和多时相等，然后进行混合分析，也正是理解了数据的混杂性带来精确性的优势。所以，我并不认为遥感大数据这个说法有多少新的内涵，只不过是一种新的提法而已。也就是说，遥感数据的处理一直面临着大数据处理的难题，而且在许多方面走在大数据挖掘的前列。一直以来，虽然许多生物学家、生态学家和自然资源保护者希望能用遥感来开展一些日常工作。然而，由于不同的技术背景和语言表达差异，这些群体与遥感学家之间交流常常受阻，这样导致对一些问题的理解存在一定的偏差，其实这也正是非遥感专业的学生对这个技术理解的偏差。那么，遥感，究竟能在多大程度上，提供给生物学家、生态学家，以及生物多样性保护工作者，以有用的数据呢？这在历史上，曾经有生物学家与遥感学家的一段精彩对话，正好是这种理解偏差的集中体现。我下面就为大家来讲一讲，希望大家能从这个故事中，理解一下遥感究竟是怎么回事，能做一些啥。首先是生物学家A发问。他说，我对一种动物狐蝠（flying
foxes）非常感兴趣，它们通常栖息在大树。我可用哪种类型的地球观测数据来监测它们呢？遥感专家疑惑地问到，这些动物很小，是吗？生物学家回答，是的，大约只有40厘米长，棕色的，就像树枝，我至少每周都要数一数。遥感专家回答：对不起，我认为卫星数据，甚至航片数据，都帮不上你的忙。生物学家A失望极了：好吧，那么我用你的地球观测数据干嘛？Kuenzer
et al. 2014. International Journal of Remote Sensing 35: 1366-5901.生物学家B看到他们两个人的对话，也参和进来，问到，我对蝴蝶的成群迁移特别感兴趣的，它们的颜色很丰富，我想遥感应该可以看到它们吧。然后呢，它们还会在某些类型的果树上停留休息。我相信遥感能将这些树与其他类型的树区别开来，对吗？遥感专家，此时有些尴尬了：“呃…，这个恐怕也不大可能。蝴蝶真的太小了，位置还经常在变动。至于这个树…嗯，我不太确定是否可区分出来，因为这个需要用到高光谱传感器，而现在在轨运行的高光谱传感器实在太少了。生物学家B本来是充满信心地提问的，听他这么一说，也很失望：啊？你还是说不行，那么我就怀疑，遥感数据究竟能否用于监测生物多样性呢？Kuenzer
et al. 2014. International Journal of Remote Sensing 35: 1366-5901.这个时候，生物学家C也走过来，说到：我是研究大象迁徙的，我想知道高分辨率遥感数据是否可能看到大象，这应该没有问题吧？我们希望每周都知道大象在什么地方，但是那个地方太大了，有一千公里乘一千公里大小吧。而我们的项目资金非常有限，但如果能从遥感数据中每周获得一次数据，我想就没有问题了。另外，我们还想了解大象平时所吃的草的类型分布及其变化情况。遥感专家变得很沮丧了，说到：我还是很抱歉，遥感直接监控动物，的确是非常棘手的要求。我们现在的高分辨率卫星传感器，如QuickBird，IKONOS和WorldView，也许是可以看到大象群的，但这些高分辨率传感器所覆盖的范围非常小，只有几十平方公里吧，而且数据非常昂贵。你目前有限的资金不可能要求覆盖如此大的区域，而且你要求的时间分辨率为一周也不能满足要求。不过，区分不同的草也许是可行的，特别是那些比较固定的植物。Kuenzer
et al. 2014. International Journal of Remote Sensing 35: 1366-5901.我刚才讲的这段对话，是来自《国际遥感杂志》上的一篇文章。同时，这篇文章还总结了生物学家对遥感的疑问与期待，那就是：地球观测数据究竟对生物多样性专家有什么用呢？迄今为止遥感对生物学家和生态学家的贡献是什么呢？我们用目前的传感器可以看到什么？卫星数据对所有的生物多样性监测都有用吗，如果是，如何用？我应该使用何种传感器数据，它们是免费的吗？有这样的争议，主要还是对遥感的本质不太了解。我们说，遥感不是放大镜，也不是显微镜。也就是说，普通摄像设备都看不清楚的东西，让远距离的遥感卫星来看，是不是要求太高了点儿？生物多样性监测是分层次的，从分子到生态系统，甚至到全球生物圈，在不同的层次，采用的监测方法也是不同的。景观水平的环境特征，利用遥感是最为合适的。而在物种和生境层次，大多时候卫星所获得的信息，除了直接信息之外，可能更重要的是其隐含的间接信息。通过这些间接信息，比如对植物来说，我们可以分析植物的多样性，植被生产力，物候变化等等。而对于动物，直接监测动物的研究很少，如果一定要对动物进行监测，一般也总是侧重于描述和评估动物栖息地的变化，而不是直接观察单个动物，这对于那些有明确栖息地偏好的物种来说，是一种非常巧妙的办法。比如，一些病原生物对栖息地就有一种特殊的爱好，那么我们就可以用遥感和地理信息系统，来研究一些传染病的时空分布。我们来看看血吸虫，它的传播需要一种生物媒介——钉螺，而钉螺的出现和爆发，需要一定的生态条件。那么，我们就可以将监测血吸虫病爆发的预警研究，转化成监测这些生态条件的变化，而这些监测工作就是遥感能够胜任的。所以，这里并不是用遥感影像直接拍摄出血吸虫的个体进行分析。当然，这在实际应用中还是有不少困难，许多动物可以利用多种植被类型，与单一栖息地也没有直接联系。这些动物就不可能采用类似的方法。我刚才提到了植被指数。遥感研究最多，最通用的指数，就是归一化差分植被指数，也就是这标题上所简写的NDVI，它也是一个间接指标，本身表达的物理意义和生物学意义也许并不是那么明确。但是，我们利用它，并结合地面的调查，却可以推导出一系列与植被、土壤有关的理化参数和经验模型。根据NDVI的原理，在定量遥感上至少出现了数十种遥感指数，可以用于各种指标的监测，这都属于间接监测。而且，如果我们能累计这些数据在时间上的变化，还可以绘制年变化图。但是，直接监测动物一直还是人们所期盼的。虽然对于大型动物的直接监测其实是可能的，但需要采用一些特殊的处理技巧。北极熊的个体足够大，属于高分辨率卫星的监测范围，但对于冰天雪地的北极熊，似乎监测起来又有些麻烦，主要是因为可见光颜色的反差不够。当然我们的遥感监测，除了可见光，还有红外光谱，我猜测，也许高分辨的热红外遥感能感受到北极熊的存在。但对于企鹅这样的生物，虽然个体不大，但监测起来就相对容易一些。大家可以看到，我们完全可以利用高分辨率的卫星进行监测。图片来源：https://www./projects/ecoant/photo/APFOR_e7.htm比如，这就是使用分辨率为0.61m的QuickBird卫星的全色波段监测企鹅的图像。图片来源：Baber-meyer
et al. 2007. Polar Biology, 30: 1565–15702009年，研究者通过地面调查估算出该研究地有25个企鹅集群，其中10个待确定位置；而现在，根据卫星图像，确定了53个定位精确的企鹅集群。图片来源：https://www./sites/default/files/media/2014-06/1000Unveiling wild animal populations’ secrets.pdf甚至还分辨出企鹅的两个不同种。这也算是最匹配生物多样性研究者所期盼的直接监测的例子吧。图片来源：https://www./sites/default/files/media/2014-06/1000Unveiling wild animal populations’ secrets.pdf无独有偶，对于印度奇利卡湖的火烈鸟的越冬栖息地的监测，利用的数据是高分辨率的QuickBird和IKONOS，火烈鸟聚集地显示为亮点，与周围黑暗的海水形成强烈对比，所以火烈鸟的数量也能进行精确计算。同样是监测企鹅，这项研究不是利用的高分辨率的数据，而是利用Landsat数据，其巧妙之处是检测帝企鹅的粪便和污渍，这样就找到了分布于南极海岸38个地点的帝企鹅群落位置。上面的图a和b是表明粪便污染前后的数据，c是两幅图像比差获得的结果，有差异之处显示为红色，这样就找到了帝企鹅群落的聚集点。所以，对于动物的遥感监测，一般是在遥感数据中确定其种群休息、筑巢和觅食的区域，而不是首先考虑直接观察这些动物的个体。因此，在许多利用遥感数据来评估动物生物多样性的研究中，常见的办法，是将在现场收集的物种与多样性信息同遥感可检测到的某些变量进行关联。不管是哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物，甚至是无脊椎动物都是如此。这张表，反映的是一些物种表征与遥感变量之间良好的相关性（Leyequien等，2007年）。Leyequien,
E., J. Verrelst, M. Slot, G. Schaepman-Strub, I. M. A. Heitkönig,
and A. Skidmore. 2007. “Capturing the Fugitive: Applying Remote
Sensing to Terrestrial Animal Distribution and Diversity.”International
Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 9
(1): 1– 20. doi:10.1016/j.jag.2006.08.002.对于生物多样性监测，特别是大型动物来说，一般并不是仅仅采用诸如卫星遥感这样的监测。相应地，我们还有装有GPS的跟踪器。特别是从2000年以来，美国国防部停止了“降低民用GPS接收器的精度”的政策，动物跟踪领域就开始爆发。生态学家们对这种跟踪类电子产品的需求，驱动了更小型电池、更便宜、更节能微处理器的发展。在过去的几年里，跟踪技术，不管是在其大小，还是数据收集的时间分辨率上，都已突破了重要的瓶颈
，正在彻底改变我们对动物生态学的理解。通过跟踪动物，我们可以看到它们在移动环境中的世界。过去缺乏远程跟踪，就只能局限在短距离和短时间的观测。现在的新技术，为动物的远程跟踪开辟了新的可能性。图上这个号称“公主”的白鹳，从1994年3岁时，就在德国安置了GPS跟踪设备，一直跟踪到2006年去世。水生环境，特别是海洋，那是浩瀚、复杂和不太透明的，这在过去对于我们来说，要获取和处理水生动物的运动信息来说，是一个非常大的障碍。然而，最近在远程监控设备上的进步，已经彻底改变了我们在水下的观察能力。同样是因为越来越多的小型电子设备，这不仅让我们可以跟踪那些自由动物，在空间和时间上运动的详细轨迹，而且可以还可以记录这些生物周围的环境条件，并测定其行为和生理状态。上面的图片，就是装有声学示踪设备的各种动物。毫无疑问，运动是动物的一种典型特点。动物移动，要么是要找到它们的资源，比如食物和配偶，要么是要逃避食肉动物。它们的运动速度和模式，也确定了在给定的时间和空间点的多度和多样性。因此，这种信息也就提供了我们对生物多样性模式的重要见解，还有个别物种的生态特征，以及生态系统功能等等。这些新的分析方法，如果结合遥感来建模环境信息，还可以发现一些新的问题。大家来看，这图上的红色轨迹，就是我们之前在动物生态学研究中从未观测到的细节。根据这些信息，我们就可以预测动物运动的原因及后果。甚至你可以，我们可以借助于动物的移动，对环境进行分布式监测，也就是说，将这种测量本身变成一个移动环境监测，这是我们之前从来没有采集到的数据。那么，我顺便给大家介绍一个非常有名的，专门用于记录动物运动的在线数据库，叫做Movebank。这是德国马克斯·普朗克鸟类研究所他们建立的，他们将全球动物跟踪生成的矢量数据，与遥感土地覆盖的动态进行协同分析。这样的分析，有助于回答一些问题，比如为什么某些迁徙鸟类的数量在减少，为什么某些物种在一年中的某个时候开始迁徙，为什么它们要放弃休息或者繁殖的栖息地？得到的许多答案，通常就是人类活动影响了这些栖息地，让我们更明确了湿地的排水和破坏，湖泊、河流或沿海水域一些猎物种类的减少，空气、水和土壤的污染，还有气候变化、地温和海温的变化，都会影响鸟类的迁徙。讲到这里，我突然意识到，我不能将这个话题再扩充下去。刚才之所以讲这么多动物而忽略植物，是因为植被遥感相对来说容易理解，可能各位在其他课程中都会接触到，而动物遥感相对来说比较新，也不太容易接触到。很明显，我们今天的课不是为了介绍遥感。其实遥感的应用非常多，这个网站总结了100个令人称奇的遥感应用。有兴趣的同学可以看一看。这一小节的课，就到此结束。同学们，再见！
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