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当前生物多样性面临严峻挑战，为精准监测与保护生物多样性，研究人员开展 “生物多样性调查（BioSCape）” 研究。整合多源数据，探索遥感监测生物多样性的潜力与局限。其成果对全球生物多样性研究、保护意义重大。
在地球的生态大舞台上，生物多样性正面临着前所未有的危机。如今，超过 100 万种物种的生存受到威胁，地球正处于第六次物种大灭绝的进程中。保护生物多样性迫在眉睫，而这需要精准、全面的数据支持。然而，创建全球生物多样性数据产品困难重重。生物地理分区、独立的进化历史，加上气候和环境的差异，使得生物多样性具有很强的地域性，“一刀切” 的解决方案根本行不通。获取高保真的生物多样性数据需要大量的实地考察，不仅耗费人力、成本高昂，而且现有的实地测量数据在时空上还存在诸多空白。与此同时，虽然调查技术有所进步，但仍无法完全填补这些空白。在这样的背景下，如何利用先进技术更有效地测量和监测生物多样性，成为了科学界亟待攻克的难题。
为了解决这些棘手的问题，美国国家航空航天局（NASA）牵头开展了一项意义非凡的研究 —— 生物多样性调查（BioSCape）。研究团队来自多个国家，约 150 名科学家参与其中。该研究聚焦于南非的大卡鲁植物区（GCFR），这里生物多样性极高，拥有两个世界上物种最丰富的生物多样性热点地区，陆地和海洋生物种类繁多，且特有物种比例高。但同时，该地区也面临着巨大的保护挑战，如气候变化导致的干旱、海洋变暖、生物入侵等问题，使得生物多样性受到严重威胁。
BioSCape 研究成果意义重大，相关论文发表在《npj Biodiversity》上。其成果不仅有助于深入了解南非的生物多样性状况，还为全球生物多样性科学研究提供了宝贵的经验和数据支持，对数据驱动的保护策略制定和生态系统的有效管理具有深远影响，有望推动全球生物多样性保护事业向前迈进一大步。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。一方面，通过传统实地调查方法，对陆地和水生生态系统进行观测，包括植被、动物群落、河口生态、海带森林和浮游生物等。同时，采用环境 DNA（eDNA）和生物声学等新型调查技术，获取更全面的生物多样性信息。另一方面，利用机载成像光谱仪和激光雷达（LiDAR）进行空中观测，结合卫星数据，构建多尺度数据集。
下面详细介绍研究结果：
- 多尺度数据集构建：BioSCape 整合了实地、机载和卫星观测数据，形成独特的多尺度数据集。陆地实地观测涵盖 600 多个植被样地、多个流域的 eDNA 采样以及大量鸟类和青蛙的音频记录；水生观测涉及海带森林和浮游生物等。机载数据通过多种传感器获取，覆盖大部分电磁光谱，卫星数据则提供长时间序列观测。这些数据为后续分析奠定了坚实基础。
- 光谱多样性研究：研究探索了光谱多样性与生物多样性之间的关系。利用内在维度（ID）等方法估计光谱多样性，发现其可预测功能和系统发育多样性以及生态系统功能。BioSCape 首次大规模将 ID 应用于实地数据，有助于明确该方法在全球生物多样性遥感监测中的作用。
- 功能性状映射：尝试通过经验关系映射植物功能性状，但由于校准关系的局限性，全球尺度应用面临挑战。BioSCape 利用非洲大陆的成像光谱数据，对比不同大陆的相似生态系统，评估校准方程差异和功能性状映射准确性。
- 生物多样性维度关联：研究了光谱、功能和系统发育多样性之间的联系。在 BioSCape 研究区域，利用叶级数据和遥感数据进行分析，该地区丰富的生物多样性为验证这些关系提供了独特条件。
- 水生生物多样性监测：针对水生环境生物多样性监测难题，BioSCape 利用高空间和光谱分辨率数据，结合多传感器同步测量，改进对水生生物多样性的遥感检测，有助于监测有害藻华和海带森林变化。
- 生物多样性变化检测：运用辐射传输模型（RTMs），将测量的辐射和反射值与合成背景测量值对比，区分干扰信号和背景噪声，在陆地和水生生态系统中均有应用，有助于监测生物多样性变化。
- 入侵物种监测：结合光谱和结构信息，对该地区入侵的外来树木、易燃燃料负荷和水资源利用效率进行量化和制图，评估其对生态系统功能和地下水依赖生态系统的影响。
- 生态系统功能预测：开发算法，通过机载光谱学绘制浮游植物功能类型、海带森林范围和生理状况，预测河口生物多样性变化对生态系统功能和人类的影响。
- 新兴技术应用：将地面 eDNA 估计的等位基因多样性与遥感多样性指标相关联，探索声学多样性与植物和结构多样性的关系，利用这些新兴技术提升生物多样性测量的准确性。
BioSCape 研究为生物多样性监测和保护提供了新的思路和方法。通过整合多源数据和创新技术，揭示了生物多样性与生态系统功能之间的复杂关系，为应对生物多样性危机提供了科学依据。然而，研究也面临一些挑战，如光谱 - 性状关系的普适性、数据处理的复杂性等。未来研究可在此基础上进一步优化方法，拓展研究范围，加强国际合作，共同为保护地球生物多样性贡献力量。
