科研人員用無人機監測森林碳變化

亞馬遜熱帶雨林每年吸收和儲存數十億噸二氧化碳，在維護地球碳平衡方面發揮了關鍵作用。然而，地球變暖、乾旱、林火和不斷變化的天氣狀態，威脅著亞馬遜流域約4000億棵樹木，其中一些樹木還面臨採伐業和採礦業的威脅。樹木一旦遭到破壞或死亡，就會將儲存的碳分解釋放到大氣層。因此，一旦碳平衡被打破，亞馬遜熱帶雨林這個重要的碳匯可能會成為地球上最大的碳源之一。

為此，哈佛大學研究人員與巴西研究人員合作，嘗試通過執行「嗅到森林」項目，來監測亞馬遜森林的碳變化。

哈佛大學教授斯科特·馬丁及其研究團隊希望找出一種方法，能讓人們及早知道亞馬遜森林的生態和氣候平衡點是否會被打破。他與來自亞馬遜州立大學（UEA）和亞馬遜州立研究支持基金會（FAPEAM）的研究人員合作開發了一個早期探測系統，以監測亞馬遜流域森林的變化。在哈佛大學氣候變化解決方案基金（CCSF）資助下，馬丁及其團隊正在監測和繪製樹木發出的獨特化學信號，即揮發性有機化合物（VOCs）。

揮發性有機化合物是幫助植物與周圍的生物相互作用的一種物質，不但能吸引昆蟲幫助植物授粉和傳播種子，而且能反映環境脅迫，甚至能向周圍植物發出有捕食者攻擊的警告信號。每種植物的揮發性有機化合物信號都不相同，並會根據季節的變化而變化，在受到乾旱或洪水威脅時也可能發生變化。對於研究人員而言，破譯這些信號，能幫助他們定量化地了解森林生態系統如何應對氣候脅迫和氣候變化。

然而，收集揮發性有機化合物的數據也面臨重大挑戰。首先，亞馬遜熱帶雨林佔地5.5億公頃。在這個巨大的生物群落內有數千個生態系統，具有各自的生物多樣性和揮發性有機化合物信號。其次，飛機雖然可以開展長距離監測，但不能飛到林冠層上方1公里或更低的地方去採樣。

為了解決數據收集問題，研究人員將目光投向無人機。無人機裝上感測器後，可以深入之前無法達到的高度或範圍開展數據收集。

2017年夏季，該研究團隊深入亞馬遜雨林，對丹尼爾·王（Daniel Wang）開發的揮發性有機化合物採樣原型機進行了測試。

研究團隊從馬瑙斯植物園（MUSA）的塔樓上將原型機發送到距離塔樓1公里遠的特定GPS點，以此測試了無人機的飛行範圍及其極限。試驗證明，無人機能在此範圍內的各種高度和特定點收集樣品，而且每次都能回到起點。

馬丁教授認為，與巴西研究人員開展合作是項目成功的關鍵。本地研究人員可以每24小時-48小時進行一次飛行和揮發性有機化合物數據分析，他們在半年內能非常熟練地掌握這些技術。

無人機遙感系統主要由無人飛行器、遙感載荷、地面控制站和通信數據鏈組成，最早用於輻射污染、危險區、惡劣環境探測任務，後來用於監測森林、農作物、土地變化、野生動物、冰川、溫室氣體、災害、環境保護等。無人機與有人機、衛星遙感應用相比，使用成本低，空間解析度更高，在選擇適用載荷、時間及空間解析度方面更加靈活。

一般來說，數據中心由伺服器、存儲、資料庫、地理信息系統、農田管理系統、高速的網路帶寬等資源組成。數據中心負責接收由無人飛行器傳輸回來的數據。為確保數據的完整性和可靠性，數據中心將收集到的感知信息進行統計分析、數據挖掘並根據分析的結果做出決策或採取相應的行動（如對無人飛行器發出指令，調整路徑採集數據等）。數據中心的數據可以被用戶、計算機或其他設備訪問，通過互聯網或移動互聯提供服務終端的訪問，將分析後的數據信息以友好直觀的界面展示。

採用無人飛行系統與無線感測網協作實現大規模環境中有效數據採集在林業中也已經開展了一些試驗研究，但是不同的無人機平台、感測器數據獲取能力、數據採集模式、森林類型、森林物候特徵、地形變化、光照條件等複雜因素均會影響森林信息提取精度。

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