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遥感技术在药用植物资源中的应用

遥感技术在药用植物资源中的应用


近20年来,遥感技术在药用植物资源的调查、区划和动态监测中被广泛应用。随着遥感影像分辨率的提高,药用植物遥感影像解译技术水平和识别精准度也在逐步提高。由于药用植物的识别特征差异和卫星遥感技术的限制,目前遥感技术在药用植物中应用的种类偏少,应用范围较小。无人机遥感适用于分散、不规则局部区域药用植物的识别与动态监测,可以较好地补充卫星遥感技术的限制。高光谱遥感技术在药用植物中的应用处于探索阶段。建议建立卫星遥感技术和无人机遥感技术相结合的药用植物资源动态监测平台,实现药用植物资源蕴藏量的估算与预报,形成药用植物产量和品质动态监测的长期机制,促进药用植物资源的协调可持续发展。

遥感技术是根据电磁波的理论,运用各种传感仪器对远距离目标辐射和反射的电磁波信息进行收集、处理并成像,探测和识别地面各种物体的综合技术。遥感技术、地理信息系统和全球定位系统通称为“3S”技术,用于建筑物、沙漠、水体、农作物、森林植被的动态监测。近年来,随着高分辨率卫星的应用和地理信息系统的完善,遥感技术在国民经济建设和社会发展中起着重要的作用。2000年以来,遥感技术在药用植物资源调查的理论和方法中逐渐成熟并在药用植物生产中应用。经过近20年的应用,遥感技术已经在苍术、银杏、玉竹、人参、三七、甘草 等20多种药用植物的生产和资源保护利用中发挥重要作用。遥感技术为中药材产业发展提供了技术支持,特别是中药资源调查与评估、栽培中药材的面积及动态监测,对于中药资源的可持续发展具有重要的意义。遥感技术也为中药材质量的提升和监测、中药材产业扶贫提供了 新的思路和方法。

、遥感技术在药用植物识别中的应用

我国常见的药用植物种类达300多种,因每种药用植物的生物学特性、生境和特征差异较大,其遥感影像的解译和识别是技术应用的技术难点。1989年,李岩等利用野外光谱辐射计获得遥感影像对塔里木河的甘草进行了分析提取,认为甘草花期的影像能够达到较好的识别效果。直到2005年,陈士林等较早利用美国快鸟和陆地卫星Landsat-7ETM的影像数据对吉林人参和宁夏甘草进行识别,通过人工解译和判读为主,精度达到85%左右,表明利用遥感技术识别药用植物方法的可行,但卫星影像范围较小,成本也较高,人工解译的工作量较大。2008年,李梦菊等以美国陆地卫星Landsat-7ETM为数据,采用人工目视解译的方法也对宁夏中部干旱带甘草进行了识别。孙宇章等根据不同地物类型在反射光谱特征上的差异,利用Landsat 5的TM图像对野生茅苍术进行了人工交互式解译和识别。2013年,聂传朋等以Landsat卫星的遥感影像为基础,采用多源信息复合以及人机交互解译方法, 通过最大似然分类法实现了桔梗的解译和识别。随着国产高分辨资源卫星的应用,遥感技术越来越多的应用于药用植物调查。2014年,郑淑丹等利用资源三号卫星影像的光谱信息,采用监督分类以及最大似然方法对新疆的栽培红花进行解译,发现采用分形理论能够更好地识别种植型药用植物。森巴提·巴合都拉利用Worldview-2卫星、资源三号卫星、资源一号02C卫星等不同分辨率的数据源影像研究红花和伊犁贝母的种植面积,发现采用高分数据能够大幅度提高红花的解译精度,但对于伊犁贝母的自动解译比较困难。2015年,黄灵光等利用国产资源一号02C和资源三号卫星的数据,通过分类提取技术对江西省蔓荆子进行空间分布监测,监 测精度达到 89.5%。2015 年后,随着遥感技术在较多药用植物种类的尝试,遥感影像的解译方法不断完善,图像的识别率越来越高。贾俊英等以融合的2m分辨率资源三号(ZY-3)遥感影像作为数据源,采用基于概率统计的滤波纹理分析方法和基于信息熵的防风纹理特征,较好地提取和解译识别了防风。张飞等以高分二号的遥感影像为数据源, 通过目视解译法和支持向量机法相结合,较好地识别了洛宁县的艾草和丹参,并利用混淆矩阵法进行了验证。在遥感影像的解译过程中,卫星影像分辨率、药用植物的特性和分析方法都会影响药用植物的解译精度和识别效率,往往采用多种办法综合应用。2014 年,娜仁花等采用中低分辨率的国产卫星资源三号影像和高分辨率影像 Worldview-2分别对野生罗布麻进行遥感识别提取时,发现在传统分类方法中加入主成分分析法和纹理特 征作为辅助数据可以提高分类精度,高分辨率影像Worldview-2能够识别生长状况较复杂的野生药用植物罗布麻,国产中低分辨率卫星资源三号只能适合识别分布密集的罗布麻。董丽君等在遥感影像的基础上,结合小木通的生长适宜性要求,提取土地利用信息,量化小木通生长的环境指标进行,综合分析而获得四川道地药材小木通的适宜分布区域。对于水生药用植物的识别则需要采用辅助手段。吴啟南等利用多源卫星遥感数据和便携式光谱仪对水生药材芡实通过构建决策树算法模型进行识别,综合分类识别精度达到83%。遥感技术应用于药用植物的解译识别达到30多种,但由于各种类型药用植物的生物学特性不同,且部分研究基础薄弱,基本信息不够完整,导致遥感技术在药用植物中的应用还存在着一定的局限性。因此,应尽快完善药用植物的基本信息收集,针对每一种药用植物建立合适的模型,提高遥感技术的覆盖面和利用率。


二、遥感技术在栽培药用植物中的应用

常用的 200 多种大宗中药材多以人工栽培为主,由于生长年限、种植区域和管理方式等影响,常规方法统计得到的药用植物的面积和产量的误差较大。遥感技术在估算、预测栽培药用植物的面积和产量具有重要的使用价值和指导意义。2005年,周应群等将5m分辨率的SPOT5 影像和 30m分辨率的Landsat 5 影像融合,采用目视解译的方法提取马关县的三七种植面积,提取精度为92.7%。2018年,戴晨曦等利用Landsat数据通过支持向量机提取2010、2012、2014 和2015年文山州和红河州的三七种植区,并分析了三七种植区时空变化与地形、政策和三七价格因素的关系。2019年以来,以高分辨率资源三号卫星的遥感影像为基本数据源,杨莓等对2018年砀山县区域白芍进行遥感识别和安徽省金寨县黄精种植面积进行评估。白吉庆等以国产资源三号及 高分一号对宁陕县白及进行了种植面积的估算。汪娟等应用多源多时相的卫星遥感影像数据,采用随机森林分类法和空间自相关性分析方法对吉林省 2017-2019年连续三年园参种植区域及产量的变化进行了计算,为吉林人参产业的发展提供了参考。朱赞等以文山州 4 个县为研究区域,采用GF-1 影像,通过改进的决策树模型提取三七种植区,其提取精度达到87%。苗旺元等在2010、2014 和 2019 年Landsat 影像基础上,利用回归 校正法修复山体阴影,结合 J-M 距离和随机森林分类得到2010-2019年丘北县三七种植面积逐渐扩张和种植重心由双龙营镇转移到了八道哨彝族乡的结论。虽然目前遥感技术已经用于栽培药用植物的面积估算,但由于遥感影像解译识别技术、栽培药用植物的生物学特征等,遥感技术在栽培药用植物的应用范围受到限制,如栽培药用植物的生长动态观测、病虫害预报和品质监测等。作者所指导的大学生创新创业训练计划项目尝试对较小区域栽培怀菊花的面积进行调查,发现由于怀菊花的种植分布较为零散,其在营养生长期和玉米等农作物的反射光谱较为接近,给前期遥感影像的解译造成了困难。怀菊花开花期光谱特征性较强,受花期短、降雨、 云层及卫星过境时间等,使质量较好的卫星影像难以获得。同时,怀菊花也不耐连作,无法重茬,多源多时相的卫星遥感影像数据同比困难,最终造成了利用遥感影像识 别、估算面积、产量的困难。


三、遥感技术在药用植物资源区划中的应用

中药材生产受自然生态环境等因素的影响,具有强烈的地域性特点。药用植物资源区划可以辅助确定空间范围,对因地制宜地指导和规划中药材生产实践,调整中药生产结构和布局,正确选建优质药材原料基地,科学指导中药生产与区域开发的需要,尤其是道地药材的生产具有重要的意义。遥感技术辅助药用植物资源区划,具有良好的技术优势。张冬梅等利用遥感和地理信息系统技术提取生态因子,再应用地理信息系统空间叠加分析技术和野外调查验证方法,提取和确定四川省姜资源的 适宜区和最适宜区分布范围。程铭恩等利用MaxEnt生态位模型分析大别山茯苓的生态因子与分布区域的关 系,对安徽金寨县的茯苓潜在分布进行了区划研究。尚雪等利用遥感和地理信息系统技术,结合适宜川牛膝生 长的生态环境因子,采用层次分析法和空间分析法,从地 形、气候、土壤、植被4个方面对川牛膝适宜性分布进行划分川牛膝适宜区分图,所得适宜性结果与川牛膝资源实际分布范围基本吻合。尚雪等应用遥感与GIS技术研究了四川省羌活的适宜性分布,利用遥感技术监测到 羌活的适宜区域分布和面积,为羌活资源的分布和保护提供了依据。


四、高光谱遥感技术在药用植物生产中的应用

植物光谱特征主要由其所含化学成分和组织结构等 理化特性决定,因此每种植物均有其特有的光谱特征。而不同种类药用植物的化学成分和结构差异,使植物对波长选择性吸收和反射的特征也各不相同,光谱特征的差异也能反映植物内部物质特性的差异,因此这种差异可以应用于药用植物的生长、病虫害和成分的检测等。丁玲等应用甘草冠层的可见-短波红外高光谱数据,定量估算甘草中甘草酸和甘草苷含量,发现用光谱预测模型获得含量预测与用高效液相色谱获得的甘草含量具有较高的相关性,表明用遥感数据检测中药材中成分含量的方法具有可行性。马菁等采用近地高光谱遥感方法对枸杞主产区宁夏中卫市中宁县枸杞的健康冠层与枸杞木虱、瘿螨、负泥虫和白粉病等4种枸杞病虫害危害冠层的 近地高光谱特征及变化规律研究发现,不同病虫害感染后的冠层都具特有的光谱特征规律,为遥感技术用于药用植物的病虫害预报提供了参考。廖钦洪等通过对不同品种、不同生育期和不同氮肥梯度下生姜叶片的高光谱和氮含量数据对比分析,采用比值植被指数、归一化植被指数、植被指数等组合进行建模,发现叶片氮含量的预测值和实测值的一致性较好。高光谱遥感技术在常规农作物中应用已经成熟,但在药用植物应用中还处于探索阶段,这与药用植物种类多和相关基础研究薄弱有关。


五、无人机遥感在资源调查中的应用

无人机具有分辨率高、灵活性好以及成本低的优势,已被广泛应用于农业、林业、环境以及灾害监测等方面。无人机技术在中药资源调查领域也得到了广泛应用,尤其是一些局部区域性分布的中药材种类。2019年,张飞等运用无人机数据建立目视模型来协助卫星影像数据的目标解译,提高了识别效率。史婷婷等运用随机森林算法提取了海南省白沙县细水乡裸花紫珠的无人机影像,面积识别精度达到了94.14%,为无人机在栽培类药用植物资源的信息提取在特征选择和方法选择方面提供了一种新思路。2020年,史婷婷等利用无人机获取遥感数据建立了金银花的样本识别模型,使对金银花的识别精度达97.5%,面积总精度为94.6%,实现了中药材的精细分类。王哲等利用无人机获取药用植物玉竹的遥感影像,利用空间采样点获取绿色叶片指数,实现对玉竹生长的动态监测,表明无人机可以对中药材生长过程进行检测。无人机遥感灵活、便捷,适用于分散、不规则、细碎化的局部区域中药材的监测,对于人工方法获取难度大、卫星遥感信息不全的区域,是比较有利的补充。


六、遥感技术发展方向和未来应用

我国药用植物资源种类繁多、生境各异,分布面积广,利用遥感技术确定其分布、面积、生长状况、病虫害发生和成分含量具有重要的意义。近20年来,遥感技术在中药材产业的发展中取得了长足的进步,卫星遥感图像的分辨率不断提高、解译技术方法和识别能力得到大幅度提升,从目视解译过渡到自动化解译,解译效率和识别精度得到很好的提高。但由于药用植物种类多、识别特征差异较大,目前识别药用植物的种类数量还偏少,利用高光谱遥感技术实现药用植物动态监测、品质监测还处于探索阶段,基础研究还需要进一步加强。随着遥感技术在中药材产业中的应用,下一步应该逐步完善建立卫星遥感和无人机遥感相结合的药用植物资源动态监测平台,完善资源蕴藏量的估算与预报,对主要药用植物品种和重点药材品种建立长期预报机制,实现产量和品质动态监测,促进药用植物资源的协调可持续发展,避免出现盲目种植、产量过剩的局面,对我国药用植物资源健康发展具有重要的意义。




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