用3D测量世界

不知大家是否在树林中看见过这样的场景：几个人，围着树木，拿着皮尺，在测量树木的高度和胸径，还不时用一些仪表测量气温、湿度、风速等参数?他们为什么要测量这些数据?测得的这些数据又有哪些用途呢?

事实上，这些测得的数据，一般也被称为生态参数，在科研和管理中有着非常重要的作用。

为什么要测量生态参数

自然界中，影响植物乃至其他生物生长的主要因素有温度、湿度、光照、风速、风向和人类活动等。它们共同作用导致的结果就是，不同地区的生物种类及丰富程度不一，特别是植物的生长密度、高度、粗细、叶子形状大小、茂密程度等不尽相同。比如，亚马逊地区的森林同中国北方的森林就有很大差别：亚马逊地区有许多高大的热带雨林；在我国北方，最常见的则是针叶林(如松柏)或落叶阔叶林(如枫树)。这是为什么呢?因为在热带地区，常年光照和水分充足，植物通过光合作用能积累较多养分，故而长得高大，而且有足够的能量进行快速新陈代谢，一年到头均能保持旺盛的生长；我国北方地区，寒冷干燥，树木生长季短，积累养分的过程慢，长新叶需要耗费许多能量，因此，一般不落叶的针叶植物比较有优势。同时针叶植物的叶面小，孔隙少，叶片水分流失速率低。这一地区的阔叶植物，在寒冷的季节里叶片会先变色，然后全部凋落。由此可见，自然界的各异形态，就取决于这些生态参数。

人们为了更有效地管理和规划自然资源，需要将复杂的生物类型划分为一个个小单元。每个小单元都有自己的“个性”和“特征”，通过这些特征，能很好地将其与它的邻居单元们区分开来。比如，同样都是大学，各有不同的名字，像师范大学、传媒大学、体育大学，通过这些名称我们就能轻松辨识出每个学校的特色。那么，在自然界中，我们要怎样才能抓住区分各类生物的特征呢?例如，森林管理中会把大面积森林划分为林分，这就需要了解各地区森林的树种、树龄、茂密程度等相应参数。

在科学研究中，生态参数至关重要。现在炙手可热的全球变化科学，就需要利用足够准确的生态参数，来模拟生物圈的各类活动，进而构建出气候变化模式。这些模式可以用来预测未来天气气候变化……有了这些预测，国家和政府就好采取相应措施，尽量减少损失。

生态测量学如何产生

为精确测量生态参数，科学上逐步发展出一个专门的学科，我们称之为生态测量学。

以森林资源调查为例，过去森林制图主要依赖野外调查和航空拍摄的相片判读。野外调查需要深入待调查的地方，利用皮尺、罗盘等工具实地测量树木的高度、胸径；用眼睛判别树的种类和树冠的宽度；利用便携式百叶箱气象台站测量温度、湿度、风速……这样的调查费时费力，每个调查点都需要各类专业人士分工配合，一天下来能查清的区域非常有限。

为提高工作效率，聪明的人类逐渐发展出一些更高效的方法。

19世纪50年代，出现了航空摄影――也就是飞离地面一定高度给地球表面拍照。当时只有探空气球，1909年怀特兄弟发明了飞机，并第一次从飞机上对地面进行拍摄。之后，在飞机或其他航空飞行器上利用摄影机摄取地面景物的技术日益成熟。这就是航空摄影，又称航拍，所得的影像称为航片。

虽然相比野外调查，利用航片更省时省力，但它展示的只是一个平面的世界，对树木的高度等三维几何信息，无法直接测算。

用什么方法才能从3D的角度去丈量世界呢?

从3D角度丈量世界

研究人员后来逐步发展出根据摄影测量学的原理对植物三维形态进行直接测量的技术，这就是数字摄影测量。它是对多角度摄影图像进行自动化三维量测与制图的技术。

其中，最普遍的技术是立体像对，3D版的《阿凡达》就是一个例子。大家进电影院看《阿凡达》时都会领取一个眼镜，只有戴上这个眼镜，才能看到立体的效果，如果不戴眼镜，看到的就是普通的平面电影，加上模糊的画面重叠。很多博物馆中也有这类展示。两张同一地区的照片，如果是从不同角度进行拍摄的，总会有一定的重叠区域，使用立体眼镜就可以看到重叠区域的立体影像。有了立体影像，我们不就可以获得地物或地形的立体模型，并进行测量了吗?

一般来说，拍摄角度越多，就越有利于三维模型的构建。

遥感生态测量时代

生态测量发展到航空摄影测量阶段，就步入了遥感生态测量时代。

遥感，顾名思义，就是遥远的感知，是现代人对传说中的“千里眼”的一种实现。遥感技术可以让人们更快、更大范围地精确获取生态参数。

根据不同的需求，遥感技术可选用不同波段的传感器来获取信息，例如，可见光反映的是人眼看到的世界，可以用来探测现实目标；热红外对温度敏感，可用来获取地表温度；微波的波长较长，穿透力强，可以获取地形信息……通过一系列数学物理公式的推导，人们就能从遥感影像中获得地物类型、地表温度、地形特征等各式各样的数据。

用于生态测量的部分遥感方法和数据各式各样(图1给出的示例是利用飞机搭载的激光雷达获取森林信息的工作示意图)。

无线传感器

传感器是遥感科学中最重要的一个环节，拍照的任务都是通过传感器完成的。

遥感传感器的定义广泛，搭载在飞机、飞船、卫星等飞行物上的传感器都在其范畴之内。最近蓬勃发展起来一个新的交叉领域――无线传感器网络技术，更是将传感器循天遁地的能力发挥到极致，极大地拓展了遥感技术的应用范畴。

无线传感器网络技术是指将传感器、自动控制、网络传输、储存、处理与分析技术集成的现代信息科学技术。它的传感器一般与小型计算机和无线发送装置绑定在一起，人们称其为节点。每个节点可放置于观测对象附近，或直接接触观测对象，甚至直接植入其内。节点可以帮人们获得观测对象的物理、化学、生物学特性等相关数据。

从技术层面看无线传感器网络和传统遥感有很多相似之处。它能够使用更多的传感器、有更灵活的搭载平台(人、动物、植物、建筑、车辆、地面或空中)、数据处理也更为简单。

现在，无线传感器网络在遥感领域已经受到了很大关注，并得到成功的应用。

我国遥感科学国家重点实验室在中国最大的淡水湖――鄱阳湖的洲滩上，搭建了一套声像传感系统，主要由摄像机和录音机，以及无线网络数据传输平台组成。这套远程、可控、无干扰的湿地生态系统监测技术，最终可实现对植被生态系统、野生动物群落、家畜牧养的实时监测，为湿地环境生态管理与野生动物保护、遥感数据地面实时验证与真实性检验，及遥感天地一体化提供服务。

传统遥感一般只从天上看地下，很少利用摄像机或录音机传感器，直接在地面进行监测。在鄱阳湖搭建的这套声像一体化系统，就可以通过录音机记录下的鸟声，分辨出鸟的种类。这是怎么实现的呢?大家对人的发音很熟悉，每个人的声音都很独特，因为有性别之分，语言之分，低沉或尖锐的音阶之分，洪亮或微弱的音调之分，还有快慢的频率之分……假如你对某个人很熟悉，即使“不见其人，只闻其声”，你也能知道这个人是谁。鸟声也是一样的道理。鸟声识别就是通过记录下鸟声，分析其音阶、音调、频率等特征，“学习”鸟的语言，进而识别出鸟的种类。

我们都知道，声音在空气中的传播速度是340米／秒，同一地点发出的声音到达不同远近的地方所需时间是不一样的。在这一原理的基础上，通过在多个位置架设的录音机，利用声音信号到达各录音机的时间差，就可以准确估算出声源的位置。同时通过无线远程控制系统，还可以实现同步录音，并且也不会干扰到鸟类的活动。

地文台――未来的梦想

，如今，遥感生态测量学可以为野生生物学家、生态学家、林学家和地理学家等提供重要的技术支撑，用于监测地球表面生态过程的变化。

在科技高速发展的今天，人们对信息获取的强度和精度要求越来越高。出行者希望知道天气在下一个小时会有什么变化，空气中污染物的浓度是高是低，以制定出行计划；动物爱好者希望知道他们所关心的动物出现在什么地方，密度有多少；农民希望知道大棚里的温度、湿度、养分是否能满足农作物的需求；科学家希望知道全球尺度CO2的循环，洋流、气流的实时轨迹，地壳的机械运动，以应对全球变化……

这些不是靠区区一两颗卫星或一两种仪器就能实现。设想一下，在遥感生态测量这一学科蓬勃发展之后，将出现诸如地球观测台或地文台(earth observatory)的生态观测平台。

图2是地文台的设想图。地文台的职责是链接所有给予权限实时获取数据的监测站点，航天、航空和地面传感器都将被纳入这一大型观测网络，所有数据实现实时传输、实时显示和数据共享。从点到面、从天到地，从平面到立体地对地球实现全天时、全天候、全方位的连续观测。遥感生态测量学也将在地文台中将其作用发挥到极致。