用3D測量世界

　　不知大家是否在樹林中看見過這樣的場景：幾個人，圍著樹木，拿著皮尺，在測量樹木的高度和胸徑，還不時用一些儀表測量氣溫、濕度、風速等參數?他們為什么要測量這些數據?測得的這些數據又有哪些用途呢?
　　事實上，這些測得的數據，一般也被稱為生態參數，在科研和管理中有著非常重要的作用。
　　
　　為什么要測量生態參數
　　
　　自然界中，影響植物乃至其他生物生長的主要因素有溫度、濕度、光照、風速、風向和人類活動等。它們共同作用導致的結果就是，不同地區的生物種類及豐富程度不一，特別是植物的生長密度、高度、粗細、葉子形狀大小、茂密程度等不盡相同。比如，亞馬遜地區的森林同中國北方的森林就有很大差別：亞馬遜地區有許多高大的熱帶雨林；在我國北方，最常見的則是針葉林(如松柏)或落葉闊葉林(如楓樹)。這是為什么呢?因為在熱帶地區，常年光照和水分充足，植物通過光合作用能積累較多養分，故而長得高大，而且有足夠的能量進行快速新陳代謝，一年到頭均能保持旺盛的生長；我國北方地區，寒冷干燥，樹木生長季短，積累養分的過程慢，長新葉需要耗費許多能量，因此，一般不落葉的針葉植物比較有優勢。同時針葉植物的葉面小，孔隙少，葉片水分流失速率低。這一地區的闊葉植物，在寒冷的季節里葉片會先變色，然后全部凋落。由此可見，自然界的各異形態，就取決于這些生態參數。
　　人們為了更有效地管理和規劃自然資源，需要將復雜的生物類型劃分為一個個小單元。每個小單元都有自己的“個性”和“特征”，通過這些特征，能很好地將其與它的鄰居單元們區分開來。比如，同樣都是大學，各有不同的名字，像師范大學、傳媒大學、體育大學，通過這些名稱我們就能輕松辨識出每個學校的特色。那么，在自然界中，我們要怎樣才能抓住區分各類生物的特征呢?例如，森林管理中會把大面積森林劃分為林分，這就需要了解各地區森林的樹種、樹齡、茂密程度等相應參數。
　　
　　在科學研究中，生態參數至關重要。現在炙手可熱的全球變化科學，就需要利用足夠準確的生態參數，來模擬生物圈的各類活動，進而構建出氣候變化模式。這些模式可以用來預測未來天氣氣候變化……有了這些預測，國家和政府就好采取相應措施，盡量減少損失。
　　
　　生態測量學如何產生
　　
　　為精確測量生態參數，科學上逐步發展出一個專門的學科，我們稱之為生態測量學。
　　以森林資源調查為例，過去森林制圖主要依賴野外調查和航空拍攝的相片判讀。野外調查需要深入待調查的地方，利用皮尺、羅盤等工具實地測量樹木的高度、胸徑；用眼睛判別樹的種類和樹冠的寬度；利用便攜式百葉箱氣象臺站測量溫度、濕度、風速……這樣的調查費時費力，每個調查點都需要各類專業人士分工配合，一天下來能查清的區域非常有限。
　　為提高工作效率，聰明的人類逐漸發展出一些更高效的方法。
　　19世紀50年代，出現了航空攝影——也就是飛離地面一定高度給地球表面拍照。當時只有探空氣球，1909年懷特兄弟發明了飛機，并第一次從飛機上對地面進行拍攝。之后，在飛機或其他航空飛行器上利用攝影機攝取地面景物的技術日益成熟。這就是航空攝影，又稱航拍，所得的影像稱為航片。
　　雖然相比野外調查，利用航片更省時省力，但它展示的只是一個平面的世界，對樹木的高度等三維幾何信息，無法直接測算。
　　用什么方法才能從3D的角度去丈量世界呢?
　　
　　從3D角度丈量世界
　　
　　研究人員后來逐步發展出根據攝影測量學的原理對植物三維形態進行直接測量的技術，這就是數字攝影測量。它是對多角度攝影圖像進行自動化三維量測與制圖的技術。
　　其中，最普遍的技術是立體像對，3D版的《阿凡達》就是一個例子。大家進電影院看《阿凡達》時都會領取一個眼鏡，只有戴上這個眼鏡，才能看到立體的效果，如果不戴眼鏡，看到的就是普通的平面電影，加上模糊的畫面重疊。很多博物館中也有這類展示。兩張同一地區的照片，如果是從不同角度進行拍攝的，總會有一定的重疊區域，使用立體眼鏡就可以看到重疊區域的立體影像。有了立體影像，我們不就可以獲得地物或地形的立體模型，并進行測量了嗎?
　　一般來說，拍攝角度越多，就越有利于三維模型的構建。
　　
　　遙感生態測量時代
　　
　　生態測量發展到航空攝影測量階段，就步入了遙感生態測量時代。
　　遙感，顧名思義，就是遙遠的感知，是現代人對傳說中的“千里眼”的一種實現。遙感技術可以讓人們更快、更大范圍地精確獲取生態參數。
　　根據不同的需求，遙感技術可選用不同波段的傳感器來獲取信息，例如，可見光反映的是人眼看到的世界，可以用來探測現實目標；熱紅外對溫度敏感，可用來獲取地表溫度；微波的波長較長，穿透力強，可以獲取地形信息……通過一系列數學物理公式的推導，人們就能從遙感影像中獲得地物類型、地表溫度、地形特征等各式各樣的數據。
　　用于生態測量的部分遙感方法和數據各式各樣(圖1給出的示例是利用飛機搭載的激光雷達獲取森林信息的工作示意圖)。
　　
　　無線傳感器
　　
　　傳感器是遙感科學中最重要的一個環節，拍照的任務都是通過傳感器完成的。
　　遙感傳感器的定義廣泛，搭載在飛機、飛船、衛星等飛行物上的傳感器都在其范疇之內。最近蓬勃發展起來一個新的交叉領域——無線傳感器網絡技術，更是將傳感器循天遁地的能力發揮到極致，極大地拓展了遙感技術的應用范疇。
　　無線傳感器網絡技術是指將傳感器、自動控制、網絡傳輸、儲存、處理與分析技術集成的現代信息科學技術。它的傳感器一般與小型計算機和無線發送裝置綁定在一起，人們稱其為節點。每個節點可放置于觀測對象附近，或直接接觸觀測對象，甚至直接植入其內。節點可以幫人們獲得觀測對象的物理、化學、生物學特性等相關數據。
　　從技術層面看無線傳感器網絡和傳統遙感有很多相似之處。它能夠使用更多的傳感器、有更靈活的搭載平臺(人、動物、植物、建筑、車輛、地面或空中)、數據處理也更為簡單。
　　現在，無線傳感器網絡在遙感領域已經受到了很大關注，并得到成功的應用。
　　我國遙感科學國家重點實驗室在中國最大的淡水湖——鄱陽湖的洲灘上，搭建了一套聲像傳感系統，主要由攝像機和錄音機，以及無線網絡數據傳輸平臺組成。這套遠程、可控、無干擾的濕地生態系統監測技術，最終可實現對植被生態系統、野生動物群落、家畜牧養的實時監測，為濕地環境生態管理與野生動物保護、遙感數據地面實時驗證與真實性檢驗，及遙感天地一體化提供服務。
　　傳統遙感一般只從天上看地下，很少利用攝像機或錄音機傳感器，直接在地面進行監測。在鄱陽湖搭建的這套聲像一體化系統，就可以通過錄音機記錄下的鳥聲，分辨出鳥的種類。這是怎么實現的呢?大家對人的發音很熟悉，每個人的聲音都很獨特，因為有性別之分，語言之分，低沉或尖銳的音階之分，洪亮或微弱的音調之分，還有快慢的頻率之分……假如你對某個人很熟悉，即使“不見其人，只聞其聲”，你也能知道這個人是誰。鳥聲也是一樣的道理。鳥聲識別就是通過記錄下鳥聲，分析其音階、音調、頻率等特征，“學習”鳥的語言，進而識別出鳥的種類。
　　我們都知道，聲音在空氣中的傳播速度是340米／秒，同一地點發出的聲音到達不同遠近的地方所需時間是不一樣的。在這一原理的基礎上，通過在多個位置架設的錄音機，利用聲音信號到達各錄音機的時間差，就可以準確估算出聲源的位置。同時通過無線遠程控制系統，還可以實現同步錄音，并且也不會干擾到鳥類的活動。
　　地文臺——未來的夢想
　　，如今，遙感生態測量學可以為野生生物學家、生態學家、林學家和地理學家等提供重要的技術支撐，用于監測地球表面生態過程的變化。
　　在科技高速發展的今天，人們對信息獲取的強度和精度要求越來越高。出行者希望知道天氣在下一個小時會有什么變化，空氣中污染物的濃度是高是低，以制定出行計劃；動物愛好者希望知道他們所關心的動物出現在什么地方，密度有多少；農民希望知道大棚里的溫度、濕度、養分是否能滿足農作物的需求；科學家希望知道全球尺度CO的循環，洋流、氣流的實時軌跡，地殼的機械運動，以應對全球變化……
　　這些不是靠區區一兩顆衛星或一兩種儀器就能實現。設想一下，在遙感生態測量這一學科蓬勃發展之后，將出現諸如地球觀測臺或地文臺(earth observatory)的生態觀測平臺。
　　圖2是地文臺的設想圖。地文臺的職責是鏈接所有給予權限實時獲取數據的監測站點，航天、航空和地面傳感器都將被納入這一大型觀測網絡，所有數據實現實時傳輸、實時顯示和數據共享。從點到面、從天到地，從平面到立體地對地球實現全天時、全天候、全方位的連續觀測。遙感生態測量學也將在地文臺中將其作用發揮到極致。
　　
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