國(guó)際著名期刊《農(nóng)業(yè)森林氣象》2019年7月刊發(fā)一篇題為《應(yīng)用無人機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行旱地生態(tài)系統(tǒng)植被分類與覆蓋度計(jì)算》的研究論文，闡述了一項(xiàng)基于無人機(jī)影像自動(dòng)分類荒漠植被并計(jì)算其覆蓋度的新方法。新方法效率提高了1.1-2.9倍，人們可以在公眾平臺(tái)（www.uav-hirap.org）免費(fèi)使用，并基于100公頃大樣地開發(fā)了一種降低地面植被調(diào)查工作量的樣方設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。這篇論文的通訊作者為中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所的王鋒，主要合作單位包括南京林業(yè)大學(xué)、加拿大新不倫瑞克大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院植物所等。該研究由國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)林科院院所長(zhǎng)基金提供主要資助。

據(jù)王鋒介紹，植被覆蓋的變化是反映旱地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。由于干旱地區(qū)木本和草本植被在小尺度上常常呈集群、混合分布，因此即使米級(jí)分辨率的高分辨率衛(wèi)星遙感影像也難以準(zhǔn)確分辨出木本與草本植被。這個(gè)項(xiàng)目是在無人機(jī)遙感快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，研發(fā)的在景觀尺度上精確監(jiān)測(cè)溫帶疏林草原植被動(dòng)態(tài)的新方法。項(xiàng)目依托位于內(nèi)蒙古自治區(qū)正藍(lán)旗渾善達(dá)克沙地榆樹稀樹草原長(zhǎng)期定位觀測(cè)大樣地（1km×1km，42°57′53″N、115°57′30″E），利用無人機(jī)獲取的空間分辨率為0.1米/像元正射影像，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法“分類和回歸樹”自動(dòng)分類溫帶疏林草原上的木本、草本植物和裸地，計(jì)算各類型植被覆蓋度。這項(xiàng)研究的結(jié)果主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

一是可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)溫帶疏林草原的木本和草本植被進(jìn)行自動(dòng)分類并計(jì)算其蓋度。利用目視解譯和大樣地地面調(diào)查的植被數(shù)據(jù)(包含4832棵喬木，18798棵灌木)進(jìn)行了驗(yàn)證，機(jī)器分類結(jié)果與目視解譯結(jié)果對(duì)比，整體精度為77.6%，平均精度為76.3%，Kappa系數(shù)為0.64。機(jī)器分類計(jì)算結(jié)果與地面植被調(diào)查結(jié)果相比，在不同空間尺度上具有穩(wěn)定的線性關(guān)系。

二是比常見的機(jī)器學(xué)習(xí)方法計(jì)算效率顯著提高。新方法比常見的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)(SVM)、隨機(jī)森林(RF)、梯度遞增決策樹(GBDT)的計(jì)算效率分別高出166%、111%、290%。新算法已開發(fā)完成“高分辨率無人機(jī)影像在線分析平臺(tái)”，供研究人員自由使用。

三是對(duì)生態(tài)學(xué)野外取樣設(shè)計(jì)的啟示：構(gòu)建模型優(yōu)化設(shè)計(jì)地面調(diào)查樣方。在進(jìn)行野外植被覆蓋度調(diào)查時(shí)，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)野外植被調(diào)查樣方的大小與數(shù)量，使采樣調(diào)查結(jié)果與整體植被覆蓋度的誤差滿足需求，一直是生態(tài)學(xué)野外調(diào)查工作的難點(diǎn)。研究人員利用蒙特卡洛隨機(jī)模擬方法模擬了取樣樣方大小、數(shù)量與總體植被覆蓋度的偏差，發(fā)現(xiàn)了偏差與樣方邊長(zhǎng)、數(shù)量遵循的函數(shù)關(guān)系。

中國(guó)林科院荒漠化研究所首席專家盧琦介紹，這項(xiàng)成果是中國(guó)林科院荒漠化研究所和中科院植物所于2013年聯(lián)合共建的100公頃大樣地取得的階段性成果之一。無人機(jī)和人工智能技術(shù)將成為林業(yè)、生態(tài)學(xué)研究和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的有力工具，可大大減少野外工時(shí)，提高地面調(diào)整效率。