无人机多光谱影像揭示潮间带生物膜日动态变化及其对滨鸟觅食热点的影响机制

为解决传统监测方法时空分辨率不足的问题，研究人员采用无人机(UAV)每小时采集多光谱影像，首次在弗雷泽河口滨鸟栖息地实现了潮间带微底栖藻类(MPB)生物膜日动态变化的高精度监测。通过光测距协同配准技术和改进Z-score标准化方法，发现MPB生物量在出露7小时后达到峰值(177.5±28.1 mg m-2)，且微地形(TPI)显著影响其空间分布。该研究为理解MPB昼夜垂直迁移机制及滨鸟觅食生态提供了创新技术框架。

　　

潮间带生态系统中的微底栖藻类(MPB)是支撑河口食物网的关键初级生产者，其形成的生物膜不仅稳定沉积物，更为迁徙滨鸟提供高达68%的能量需求。然而，传统监测方法如沉积物采样和卫星遥感，受限于空间分辨率(米级)和时间频率(天/周)，难以捕捉MPB在潮汐周期内(小时尺度)的动态变化。尤其在弗雷泽河口——北美太平洋迁徙路线上最重要的滨鸟停歇地，理解MPB生物膜的时空分布规律对解释滨鸟种群衰退机制至关重要。

英属哥伦比亚大学林业学院的研究团队创新性地采用无人机(UAV)多光谱遥感技术，在2022年春季潮期间对罗伯茨银行两个样点进行了每小时1次、持续11小时的连续观测。通过搭载10波段多光谱传感器(MicaSense MX)和RTK定位系统，获取了6厘米空间分辨率的影像数据，结合改进的Z-score标准化和光测距协同配准技术，首次实现了潮间带MPB生物量(以叶绿素a为指标)和微地形(TPI)的同步高精度制图。相关成果发表在《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》。

关键技术包括：(1)每小时无人机多光谱采集(共22次飞行)与光学影像三维重建；(2)基于伪不变特征(PIF)的反射率标准化处理；(3)NDVI-Chl-a转换模型(R²=0.90)；(4)地形位置指数(TPI)量化微地形；(5)广义加性模型(GAM)分析时空动态。

3.1 无人机数据处理验证
通过RTK增强的光测距协同配准技术，实现了多时相影像毫米级对齐(水平误差<6 mm)，反射率标准化使红光和近红外波段均方根偏差降低95%以上，有效消除了太阳高度角变化的影响。

3.2 MPB昼夜生物量动态
数据显示MPB表面生物量呈现规律性昼夜波动：北样点在出露5小时(当地时间12:00)达到峰值177.5 mg m^-2，南样点延迟至出露6小时(14:00)达169.6 mg m^-2。GAM模型揭示31.6%的生物量变异由时间和地形共同解释，其中潮汐出露时长(小时)贡献14.5%，证实了MPB的垂直迁移与光周期同步。

3.3 微地形的影响机制
地形分析显示MPB分布具有显著空间异质性：北样点的低洼潮池(-1.5m)和近岸隆起区(-0.6m)生物量最高，而南样点的脊-槽复合体(占60.4%面积)表现出延迟响应。这反映了硅藻主导的近岸生物膜与蓝藻垫的差异——前者能快速响应光照，后者受基质脱水抑制迁移速度。

3.4 斑块动态分析
景观指标揭示MPB呈现"晨间离散-午间聚合-傍晚收缩"的空间模式：北样点最大斑块指数(LPI)从26.1%(8:00)增至83.7%(12:00)，聚合指数(AI)提升37%，而形状复杂度(MSI)保持稳定(1.22-1.26)，表明生物膜扩展主要源于相邻斑块的融合而非形态改变。

这项研究通过创纪录的时间分辨率(每小时)揭示了潮间带MPB的三维动态规律：生物量峰值出现在出露中期而非传统认为的正午，且受微地形调控产生1-2小时的空间滞后。该发现修正了现有潮间带生产力模型，为理解滨鸟"追随潮线觅食"策略提供了机理解释——西滨鹬偏好近岸持续存在的大面积斑块，而黑腹滨鹬则利用潮间带中部的动态聚集区。技术层面发展的PIF标准化和协同配准方法，为高频次生态环境监测建立了新标准。随着海平面上升加剧潮间带生境退化，这套技术框架可为生态系统适应性管理提供关键数据支撑。