卫星图像如何改变保护科学

卫星图像如何改变保护科学

美国国家航空航天局
孟加拉国孙德尔本斯海岸森林的卫星图像,这里是濒临灭绝的孟加拉虎的栖息地。

早在20世纪80年代,鳕鱼角的灰海豹就已经灭绝了。因此,当研究人员上周宣布,那里的灰海豹数量并没有恢复到之前官方估计的1.5万只,而是多达5万只时,这是一个戏剧性的证据,表明保护有时可以多么迅速地奏效。

但是研究人员在杂志上写道生物科学,不只是感兴趣的密封件。他们还试图证明卫星数量和监测野生动物种群的迅速发展的潜力,并回答关于自然世界的大问题。这仍然是新闻的许多野生动物生态学家,根据资深作者David W.约翰斯顿环境杜克大学尼古拉斯学院。因为他们的训练和文化是关于去到现场去了解他们的研究对象第一手生态学家却迟迟没有在他们的工作纳入卫星数据,到目前为止,在部分。来自外太空的观点未必似乎所有有关

但快速增长的丰度和卫星图像的复杂性和遥感数据即将改变的是:“高分辨率地球图像源为约海洋和陆地野生动物种群的信息丰富,未充分利用的troves,”约翰斯顿和他的合着者写的。他们敦促野生动物生态学家拥抱卫星图像“作为可以补充甚至取代传统的方法是合法的数据源。”

他们指出,在其他有希望的发展中,地球卫星图像正在“全球范围内、频繁地、以越来越相关的分辨率”被收集。It’s also becoming available in user-friendly formats thanks to a profusion of startup companies, including Planet, DigitalGlobe, Skybox Imaging (later purchased by Google and renamed Terra Bella), Urthecast and LAND INFO Worldwide Mapping.

今年二月,例如,部署星球88年breadloaf-size卫星由印度空间研究组织的火箭。他们现在是149颗卫星星座一周几次扫描地球上的每一个点的一部分。主要重点是在商业应用 - 例如,跟踪玉米单产在爱荷华州,或有多少汽车今天在沃尔玛很多停放。但图像频率也会开始启用快速检测毁林,非法采矿和景观等的变化,以及野生动物种群的更加高效和准确计算。

NASA也是这一趋势的一部分。2019年,它计划启动一个名为“全球生态系统动态调查”(GEDI)的任务,使用激光雷达,这是一种基于激光的遥感技术,生态学家已经很熟悉用飞机绘制三维植被结构。这一次,在国际空间站,GEDI将使科学家能够确定森林的高度和结构在任何给定的位置,并精确地绘制出地面生物量和碳储量的地图——所有这些都不需要申请拨款来租用一架飞机或花费几天时间来飞行横断面。

GEDI also will make it possible, according to the University of Maryland’s Ralph Dubayah, principal investigator on the mission, "to estimate the net impact of deforestation and subsequent regrowth of forests, and to provide information critical for preserving and promoting habitat quality and biodiversity." The technology should prove useful for monitoring commitments made by nations under REDD (the program to reduce emissions from deforestation and forest degradation) as well as under the Paris climate accord and the Convention on Biological Diversity. In addition, it will improve weather and climate modeling and provide detailed measurement of temperate glaciers, lakes and rivers for better management of water resources.

当生态学家们开始了解这些新工具的潜力时,他们“将会有这样的顿悟”,Johnston说。几年前,当他在科德角做一个关于带无线电标签的海豹运动的本科生演讲时,发生了这样的事情。他说:“我们在活的动物身上安装了标签,这对学生来说非常棒。”“他们可以每天查看特定海豹的行踪。我在谷歌地球上加载数据,然后放大看看这只海豹出现在哪里,你瞧,这张照片好到可以数海滩上的海豹了。我看了看,说,‘嘿,我们可以用这种方法计算鳕鱼角海豹的数量,’下课后,三个学生上来说他们想这么做。”

海豹通常利用海滩作为夏季的“旅行目的地”,在过去,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)以传统的方式计算它们的数量,方法是飞越海滩并拍照。约翰斯顿说,美国国家海洋和大气管理局从未抽出时间公布所有的结果数据,这让其他研究人员感到沮丧,而且它“也从未纠正过海滩上动物数量的统计”。

太平洋西北国家实验室

Scientists use images like this of a delta in Alaska’s North Slope to look through ice and water and assess the impact of oil development.

卫星图像使研究人员摆脱了对NOAA数据的依赖。他们自己长期进行的无线电标记研究的数据显示了海豹在给定的一天或一个季节里通常在海上停留的时间,这使得研究人员能够开发出一种计算总数量的算法,而不仅仅是在海滩上看到的那部分。

加州大学圣巴巴拉分校(University of California Santa Barbara)的海洋生物学家道格拉斯·麦考利(Douglas McCauley)赞扬了这项新研究,因为它让基于卫星的野生动物研究的潜力“回到了我们自己的后院”主要管理的影响。对于科德角的度假者来说,他们感觉海豹的到来把他们挤出了他们最喜欢的海滩,或者对于渔民来说,他们失去了捕捉到的海豹,现在有5万只灰海豹在科德角,这听起来像是一场入侵。

对于动物保护主义者,在另一方面,它甚至有可能不会代表恢复到原来的种群水平。关于密封的长期存在的争论会变得非常情绪化。准确计数是这种管理的选项,保持手断,用于避孕疾飞程序支付,授权非致命性骚扰,甚至开始宰杀海豹之间决定的基本出发点。“这是把卫星数据的前沿和中心在野生动物管理,”麦考利说。

除了人口统计,卫星还有可能回答更大的野生动物行为问题。例如,麦考利的实验室正在利用卫星数据来确定塞伦盖蒂的角马是如何利用这种栖息地的。“你可以拍摄一张卫星图像,根据反射率模式,你可以感觉到草地最绿的地方的生产力。你可以创建一个显示所有角马所在位置的图层,看看它们是否很好地跟踪了环境的生产力。”

他说,“危险地带”的另一个叠加因素是,捕食者的袭击更有可能发生在森林边缘,或者在一个叫做kopjes的岩石露头附近,或者在一个水坑里。“然后你可以问所有这些是如何映射到迁徙走廊上的”,以理解保护区的重要性,尤其是在人类日益发展的情况下。多年来,麦考利的团队和格拉斯哥大学的合作者利用无线电项圈追踪了几十只角马。“今年,我们不想再追踪两个,”他说。我们想通过卫星追踪20万人。

麦考利描述了从外空间作为迅速提高视图“一个macroscope”。这也应该是逐渐减少保护计划预算的一大助力,因为数据往往是免费提供的 - 而且为研究人员更危险。在期间从1937年的研究或管理工作,到2000年杀害美国生物学家的研究中,有三分之二死于飞行事故的结果。

约翰斯顿说:“我认为,我们永远无法摆脱飞机上的人做一些生物实验的情况。”“但对于那些特别危险的东西,比如在水上,”或者在遥远的极地地区,卫星图像至少是一样好的。

那么,为什么没有更多的野生动物研究人员急于利用卫星数据呢?伦敦动物学会的Nathalie Pettorelli说,部分原因在于科学领域:“生物学传统是建立在与物种合作的基础上的。但是,遥感器的发展和卫星数据的使用主要发生在地理部门。这两个学科还不习惯一起工作。他们没有共同的术语。遥感专家会告诉你关于土地覆盖的情况,生物学家会告诉你关于生态系统的情况。所以你必须调和这些观点。”

当Pettorelli第一次利用卫星数据来帮助确定环境变化如何影响生物多样性和生态系统服务时,生物学家告诉她这是个坏主意。“有些人不相信卫星数据,”她说。他们认为这是“与地面数据的竞争”,尽管在现实中,卫星和地面数据经常相互增强,就像鳕鱼角海豹那样。与此同时,遥感专家“告诉我它太复杂了;你需要雇人。我没有钱雇人,我只是越来越多地学会了自己动手。”

缺乏训练仍然是更广泛地依赖卫星数据的一个障碍,她说,“特别是在发展中国家,那里的人们可以从卫星数据中得到最大的好处,那里没有资金进行大规模的实地研究”,也没有资金进行飞机调查。“但目前很多生物学家不知道什么是遥感,不知道如何获取数据,不知道如何使用数据。”

Pettorelli说,缺乏对卫星数据细微差别的了解也是全球层面的一个障碍。根据《生物多样性公约》,196个缔约国制定了到2020年实现保护区保护和动植物多样性保护的一系列目标。Pettorelli说,及时和经济地监测进展的唯一方法是通过卫星。但是,在还有三年的时间的情况下,与会者甚至还没有就依赖哪些基于太空的指标达成一致。在她的生物学同行中建立对卫星数据的信任仍然是一个痛苦而缓慢的过程。

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