無(wú)人機(jī)技術(shù)在草原生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與探討

李風(fēng)賢

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021)

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無(wú)人機(jī)技術(shù)在草原生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與探討

李風(fēng)賢

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021)

無(wú)人機(jī)(UAV)配合遙感系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)，建立低空遙感—地面監(jiān)測(cè)—衛(wèi)星遙感一體化的“天、地、空”草原監(jiān)測(cè)和信息管理模型，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感、傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)時(shí)效性、準(zhǔn)確性及精細(xì)度方面的缺陷，為草原信息化道路開(kāi)辟了一個(gè)實(shí)際、準(zhǔn)確的方向，且在草原生物災(zāi)害監(jiān)測(cè)、模型精細(xì)化等應(yīng)用中具有很大的發(fā)展空間。本文概括了無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和作用流程，并結(jié)合草原監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，對(duì)該技術(shù)在草原監(jiān)測(cè)與信息管理中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

無(wú)人機(jī)技術(shù)；遙感；草原；生物災(zāi)害；生物量

近年來(lái)，隨著航空遙感技術(shù)的不斷成熟和在民用領(lǐng)域的需求，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)因其多平臺(tái)、多用途、多功能影像系統(tǒng)、高效機(jī)動(dòng)、高時(shí)效性、高分辨率、客觀準(zhǔn)確、“3S”集成、智能化等突出特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸滲透到各個(gè)行業(yè)，成為未來(lái)遙感發(fā)展主要趨勢(shì)和熱點(diǎn)之一[1-2]。

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)是綜合無(wú)人機(jī)(UAV)、數(shù)字遙感設(shè)備為載荷，以遙感數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)快速處理為技術(shù)支撐的遙感系統(tǒng)。廣泛普及于資源調(diào)查[3-4]、精細(xì)農(nóng)業(yè)[5-6]、地圖測(cè)繪[7]、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估[8]、森林病蟲(chóng)害防護(hù)與監(jiān)測(cè)[9]、公共安全[10]等領(lǐng)域，為各應(yīng)用需求提供了一種新的、有效的、現(xiàn)代化的技術(shù)途徑，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感及其他傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的缺陷。草原是我國(guó)主要的陸地生態(tài)系統(tǒng)[11]，又是農(nóng)民賴(lài)以生存發(fā)展的基本生產(chǎn)資料。但無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在草原資源信息化管理、生態(tài)監(jiān)測(cè)方面，目前國(guó)內(nèi)還處于起步階段。開(kāi)展無(wú)人機(jī)遙感在草原應(yīng)用方面的技術(shù)試驗(yàn)示范，建立航測(cè)遙感與地面監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感影像的“天、空、地”數(shù)據(jù)邏輯關(guān)聯(lián)及解譯模型，形成航空器低空航測(cè)遙感技術(shù)在草原資源調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害防治、資源管理等方面的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)規(guī)范，對(duì)今后全國(guó)草地資源調(diào)查和信息管理有非常重要的意義。

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)遙感的關(guān)鍵技術(shù)，闡述其基本作業(yè)流程，歸納總結(jié)現(xiàn)有的常用無(wú)人機(jī)傳感器載荷系統(tǒng)，并對(duì)該技術(shù)在草原監(jiān)測(cè)和信息管理中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望和探討。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)及處理流程

航測(cè)工作主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程主要有：確定航測(cè)任務(wù)、野外勘查、一體化攝影規(guī)劃與參數(shù)設(shè)計(jì)、飛行作業(yè)和航攝影像檢查及提交[12]。外業(yè)獲取的高空間分辨率無(wú)人機(jī)像片、GPS+POS數(shù)據(jù)及實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)檢查合格后，移交到內(nèi)業(yè)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的主要步驟為：①分析影像數(shù)據(jù)和利用GPS、IMU獲得的外方位元素，將影像數(shù)據(jù)、外方位元素、地面控制點(diǎn)等信息輸入無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件(如Inpho、PIE、photoscan等)，生成金字塔，建立測(cè)區(qū)航帶關(guān)系；②同名點(diǎn)自動(dòng)匹配；③影像質(zhì)量及預(yù)處理結(jié)果精度檢測(cè)。生成所需的航拍數(shù)據(jù)產(chǎn)品(DEM、DOM、DLG、DLG)后，進(jìn)行后期的影像解譯、后處理及應(yīng)用研究。

1.2 無(wú)人機(jī)傳感器

傳感器從最初的膠片相機(jī)向?qū)捯晥?chǎng)大面陣CCD相機(jī)[13]，從黑白相機(jī)向多光譜、高光譜、超高光譜及激光雷達(dá)等高分辨率數(shù)碼相機(jī)發(fā)展[14-15]。各類(lèi)傳感器在草原生態(tài)監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)及其功能主要有：

(1) 可見(jiàn)光相機(jī)：可計(jì)算可見(jiàn)光植被指數(shù)(CIVE、ExG、ExGR、NGRDI、VEG等)，進(jìn)行植被覆蓋度變化監(jiān)測(cè)和植被類(lèi)型分類(lèi)[16]，如Phase one IXA系列相機(jī)。

(2) 近紅外相機(jī)：植被在近紅外影像上亮度更亮。

(3) 多光譜相機(jī)：如ADC相機(jī)，可拍攝紅、綠和近紅外(TM2、TM3和TM4波段)3波段影像，可獲得NDVI(歸一化植被指數(shù))、SAVI(土壤糾正植被指數(shù))IPV和NIR/G等指數(shù)，方便對(duì)地面植被進(jìn)行分析[17]。

(4) 高光譜相機(jī)：在紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)，有數(shù)十至數(shù)百個(gè)窄波段(<10 nm)及完整而連續(xù)的光譜曲線(xiàn)，可監(jiān)測(cè)植被長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害、LAI、生物量估算等[18]。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

2.1 草地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與生態(tài)安全評(píng)估

利用衛(wèi)星遙感，結(jié)合地面調(diào)查，基本滿(mǎn)足大尺度下的資源大類(lèi)識(shí)別、面積匯總、生態(tài)安全評(píng)估等需求[19-22]，但也存在衛(wèi)星遙感影像獲取周期長(zhǎng)、受氣候影響、空間分辨率不足等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足典型、局部區(qū)域的分析判斷。對(duì)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取的高空間、高光譜、高時(shí)間分辨率的影像進(jìn)行快速拼接處理后，采用數(shù)字圖像處理方法分類(lèi)識(shí)別，建立不同草地類(lèi)型解譯標(biāo)志庫(kù)和光譜庫(kù)，初步形成影像解譯規(guī)范和大數(shù)據(jù)處理流程，航測(cè)遙感與地面監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感影像的“天、空、地”數(shù)據(jù)邏輯關(guān)聯(lián)，低空航測(cè)遙感數(shù)據(jù)與草原信息管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)對(duì)接規(guī)范，以及實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)草地草場(chǎng)生長(zhǎng)變化、植被蓋度變化、草地生物量估測(cè)、草地健康狀況、草蓄平衡評(píng)估以及元素含量等的監(jiān)測(cè)研究。通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行草地監(jiān)測(cè)和生態(tài)評(píng)估可以拓寬無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍，彌補(bǔ)傳統(tǒng)植被識(shí)別手段的局限性，可以獲得更高精度的結(jié)果，且省時(shí)省力。

2.2 草地生物量估算

由于草原生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性和空間變異性，可控條件下的樣地?cái)?shù)據(jù)采集對(duì)草地影像光譜信息解譯至關(guān)重要，能有效彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感技術(shù)易受輻射和光照影響等缺陷。利用低空遙感平臺(tái)獲取感興趣區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的高分辨率影像數(shù)據(jù)，采用相應(yīng)的指數(shù)和模型，提取草地生物量、質(zhì)量及草地類(lèi)型的空間分布格局[23]。農(nóng)業(yè)研究發(fā)現(xiàn)，多時(shí)相CSM(crop surface models)模型在無(wú)人機(jī)RGB影像監(jiān)測(cè)作物高度及生物量中有很好的效果[24-25]。將該模型運(yùn)用到草地生態(tài)系統(tǒng)草地生物量監(jiān)測(cè)中，并結(jié)合樣地調(diào)查數(shù)據(jù)及植被指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明非定標(biāo)的RGB影像結(jié)合CSMs模型對(duì)草地植被高度和生物量估算有很好的適用性[26]，與傳統(tǒng)草地生物量估算模型互補(bǔ)應(yīng)用，可有效提高估算精度。集成不同草地類(lèi)型的草原生物量的季節(jié)動(dòng)態(tài)、生物量與水熱條件的關(guān)系，以及地下生物量(牧草營(yíng)養(yǎng)成分和土壤養(yǎng)分)的變化進(jìn)行綜合分析是今后研究的重點(diǎn)。

2.3 牧草產(chǎn)量評(píng)估

利用草地牧草光譜觀測(cè)資料、牧草產(chǎn)量資料、氣象資料和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，建立草地牧草產(chǎn)量光譜植被指數(shù)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)模型、氣象監(jiān)測(cè)模型，為及時(shí)準(zhǔn)確地掌握牧草產(chǎn)量變化提供了科學(xué)有效的手段。但由于衛(wèi)星影像分辨率等因素限制，評(píng)估精度不高[27]。通過(guò)可見(jiàn)光和多光譜結(jié)合的航拍圖，建立草原各類(lèi)植物生長(zhǎng)產(chǎn)量的數(shù)字模型，提高草原產(chǎn)量評(píng)估準(zhǔn)確率。主要包括飼草料地面積核查、飼草料長(zhǎng)勢(shì)評(píng)估、結(jié)合光譜信息建立估產(chǎn)模型、測(cè)算飼草料產(chǎn)量。

2.4 草勢(shì)生長(zhǎng)預(yù)測(cè)及NPP反演

通過(guò)無(wú)人機(jī)攜帶光譜成像儀，建立精準(zhǔn)的草原光譜分布圖，提高草勢(shì)生長(zhǎng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。對(duì)草地植被的分析判斷：結(jié)合地面調(diào)查，確定草地類(lèi)型、植被蓋度等；月度間、年度間的植被長(zhǎng)勢(shì)分析評(píng)估；選擇典型區(qū)域作為樣本源，進(jìn)行光譜航測(cè)，結(jié)合衛(wèi)星遙感、地面實(shí)測(cè)，建立估產(chǎn)和評(píng)估模型，對(duì)草地生產(chǎn)力和生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)估。

傳統(tǒng)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)反演采用CASE等傳統(tǒng)模型，適用于對(duì)大尺度范圍、低分辨率的衛(wèi)星影像(如MODIS、Landsat等)進(jìn)行粗估算，但對(duì)小范圍、復(fù)雜地形條件下草地NPP反演精度并不理想[28]。采用多光譜傳感器獲取不同區(qū)域、地形條件、時(shí)相下的草地?zé)o人機(jī)影像，修正CASE等傳統(tǒng)模型參數(shù)，達(dá)到反演的最佳精度，進(jìn)而推廣應(yīng)用具有重要意義。

2.5 草原生物災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警

草原災(zāi)害發(fā)生突然、蔓延迅速，且多在人煙稀少、道路難至的區(qū)域，人工實(shí)地踏勘制約因素較多，但受制于傳統(tǒng)遙感平臺(tái)空間分辨率及重訪(fǎng)周期的限制，無(wú)法滿(mǎn)足草原生物災(zāi)害超高分辨率識(shí)別的要求，只能間接依靠植被變化，從宏觀上反映草原生物災(zāi)害的發(fā)生、蔓延等特點(diǎn)，不能滿(mǎn)足對(duì)草原災(zāi)害發(fā)生程度、趨勢(shì)變化的及時(shí)分析、準(zhǔn)確判斷要求[29-31]。目前草地災(zāi)害監(jiān)測(cè)大多停留在傳統(tǒng)的人工階段，該方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、易受主觀因素影響，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果存在很大的不確定性。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)因其機(jī)動(dòng)靈活、快速實(shí)時(shí)采集和傳輸影像等優(yōu)勢(shì)，在迅速了解災(zāi)情、科學(xué)指揮救災(zāi)及災(zāi)情評(píng)估等工作中發(fā)揮了重要的作用，能夠宏觀、微觀地分析草地病蟲(chóng)害及鼠害[32]。無(wú)人機(jī)搭載多光譜相機(jī)，在草原上空精確抽樣，拍攝2～3 cm空間分辨率的航測(cè)圖，獲取鼠洞空間分布、密度及危害程度，在為滅鼠提供科學(xué)參考數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可分析鼠害與地形、水熱條件、植被種類(lèi)及長(zhǎng)勢(shì)等因素的相互關(guān)系，并建立模型預(yù)測(cè)鼠害蔓延趨勢(shì)，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行防控[33-34]。此外，無(wú)人機(jī)搭載紅外設(shè)備對(duì)病害草場(chǎng)進(jìn)行掃描后，通過(guò)蝗蟲(chóng)紅外數(shù)字模型，可分析出每平方千米蝗蟲(chóng)數(shù)量及蝗蟲(chóng)密度分布圖。

國(guó)外已有較多采用遙感手段識(shí)別毒草及繪制其密度圖[35-36]的成功案例。隨著無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的快速發(fā)展，遙感監(jiān)測(cè)毒草的能力也得到不斷增強(qiáng)，但是國(guó)內(nèi)研究并不多。由于無(wú)人機(jī)遙感可實(shí)現(xiàn)高精度識(shí)別植被類(lèi)型及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將成為今后識(shí)別毒草的一個(gè)最主要的數(shù)據(jù)集。建立毒害植被多光譜數(shù)字模型，通過(guò)草原多光譜分布圖與毒害植被分布預(yù)警管理平臺(tái)，能得出毒害植被種類(lèi)以及密度和分布區(qū)域，達(dá)到一定密度時(shí)自動(dòng)報(bào)警給后臺(tái)管理人員，及時(shí)發(fā)現(xiàn)毒害植被生長(zhǎng)狀況，為除毒害植被提供地理信息依據(jù)。

2.6 草畜平衡監(jiān)管、禁牧管護(hù)

人煙稀少、自然條件惡劣的高寒、荒漠區(qū)域，以及地形復(fù)雜的山區(qū)復(fù)合草地，缺乏準(zhǔn)確及時(shí)有效的技術(shù)手段。是否放牧一目了然，放牧數(shù)量可以通過(guò)模型進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)算。結(jié)合北斗定位系統(tǒng)，明確放牧軌跡，對(duì)草畜平衡狀況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

2.7 草原保護(hù)工程管護(hù)及草原征占用

包括對(duì)圍欄、飼草料基地、牧民定居等工程的定期巡查，測(cè)算圍欄面積、評(píng)估圍欄設(shè)施的現(xiàn)狀。草原征占用方面包括工礦用地、草原開(kāi)墾等方面的區(qū)域變化情況進(jìn)行及時(shí)巡查。圖上可以清晰地看到四至界限，計(jì)算出面積。為工礦企業(yè)征占用地管理、非法開(kāi)墾草原執(zhí)法取證提供技術(shù)支持。

2.8 航空植保

草原生物災(zāi)害防治主要依靠人工手動(dòng)噴藥和機(jī)械噴藥兩種形式，由于多種因素的影響，防治效果并不佳，且成本較大。無(wú)人機(jī)植保技術(shù)是近幾年興起的、廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)通過(guò)飛機(jī)噴施農(nóng)藥實(shí)現(xiàn)植保的新型技術(shù)，受地理因素的制約較小，空中作業(yè)效率高、節(jié)藥節(jié)水、作業(yè)安全、作業(yè)成效佳、不受草原長(zhǎng)勢(shì)限制且不損壞草地植被，尤其利于草原爆發(fā)性病蟲(chóng)害，如蝗蟲(chóng)和鼠害，以及小區(qū)域毒害草的防控[37]。

3 討論與展望

基于高空間、高光譜分辨率的無(wú)人機(jī)草原生態(tài)監(jiān)測(cè)將成為今后發(fā)展的熱點(diǎn)和新趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)遙感在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)草原特點(diǎn)，結(jié)合地面觀察數(shù)據(jù)，迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行草情監(jiān)測(cè)。針對(duì)性地進(jìn)行大面積航空監(jiān)測(cè)及小范圍定點(diǎn)監(jiān)測(cè)與防治工作，并對(duì)問(wèn)題發(fā)生位置進(jìn)行準(zhǔn)確排查并及時(shí)有效解決。以已有的天然草原資源與生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、退牧還草工程項(xiàng)目區(qū)、飼草料種植基地、科研試驗(yàn)站等為目標(biāo)源，針對(duì)天然草原牧草長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)、飼草料長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)、草原保護(hù)項(xiàng)目管理、草畜平衡監(jiān)管、禁牧管護(hù)、鼠蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、草原征占用等內(nèi)容，開(kāi)展無(wú)人機(jī)遙感在草原應(yīng)用方面的技術(shù)試驗(yàn)示范，建立航測(cè)遙感與地面監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感影像的“天、空、地”數(shù)據(jù)邏輯關(guān)聯(lián)及解譯模型，形成航空器低空航測(cè)遙感技術(shù)在草原資源調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害防治、資源管理等方面的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)規(guī)范，具有重要的推廣應(yīng)用意義，將為今后全國(guó)草地生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)提供重要手段和科學(xué)研究依據(jù)。

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Application and Discussion of UAV Technology in Ecological Remote Sensing Monitoring of Grassland

LI Fengxian

(Lanzhou Resources & Environment Voc-Tech College, Lanzhou 730021， China)

This paper combined UAV with remote sensing system, and established the integration models of low-altitude remote sensing, ground monitoring, satellite, namely “Space-Ground-Aero”, for grassland monitoring and information management, which could fill the gap of using current satellite sensors and traditional manual monitoring methods with time and accuracy limition. It opened up a practical and accurate direction for grassland informatization, and great development space in the application of grassland biological disaster monitoring and model refinement. This paper summarized the key technologies and processes of the UAV remote sensing system. According to the grassland monitoring status, application prospect of the technology in grassland monitoring and information management were discussed.

UAV; remote sensing; grassland; biological disaster; biomass

李風(fēng)賢.無(wú)人機(jī)技術(shù)在草原生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與探討[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(7)：99-102.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0232.

2017-03-08

甘肅省教育廳支持項(xiàng)目(2014B-137)；蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院支持項(xiàng)目(Z2016-14)

李風(fēng)賢(1967—)，男，高級(jí)工程師，主要從事地理信息技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：lxy20020703@163.com

P237

A

0494-0911(2017)07-0099-04