基于UAV低空遙感的荒漠林大沙鼠洞群覆蓋率及分布特征研究
——以新疆古爾班通古特沙漠南緣局部為例

馬 濤,鄭江華,* ,溫阿敏,陳 夢,劉忠軍

1 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學智慧城市與環境建模普通高校重點實驗室,烏魯木齊 830046 3 新疆維吾爾自治區林業有害生物檢疫局,烏魯木齊 830001

生態環境保護在絲綢之路經濟帶核心區——中國新疆的綠色發展中日益重要,鼠害作為危害新疆草原以及荒漠林的主要破壞者,嚴重危害到了新疆荒漠草原和荒漠林的生態安全和畜牧業生產。大沙鼠(Rhombomysopimus)是主要害鼠之一,主要分布在荒漠林,并以荒漠林植物的嫩根、嫩莖、樹根基部為食,嚴重危害荒漠林中梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge),紅柳(Tamarixramosissima)等植被的生長[1],荒漠林植被的衰敗死亡導致荒漠沙化加劇。新疆鼠害發生區多在人煙稀少、交通不便的荒漠林、荒漠草原,危害面積大、鼠洞數量多,調查防治困難。傳統人工地面調查監測方法費時費力,資金投入巨大,調查周期長,很難快速高效、全方面地反映鼠害的發生范圍、發展動態、危害程度。同時,在本地區還缺少開展與鼠害有關地形、植被等影響因子關系的研究數據,無法及時有效地采用針對性的防治措施。導致新疆鼠害頻發、分布面積進一步擴大、區域生態安全狀況持續惡化,嚴重影響牧區經濟發展。

因此,尋求新型的調查和監測方法對于鼠類危害的控制勢在必行,在國內外已有學者探索將遙感監測技術應用于鼠害監測。軒俊偉等[2]采用三角翼飛行器進行鼠荒地航拍；李培先等[3]利用遙感衛星進行阿爾金山鼠荒地面積進行了遙感估算研究；溫阿敏等[4]利用無人機低空遙感對鼠害進行航拍并嘗試進行計算機自動解譯；趙勝國等[5]利用鼠靶滅鼠劑飛機進行鼠害防治試驗；Addink等[6]利用高分辨率遙感在哈薩克斯坦進行鼠洞系統監測；黃建文等[7]利用TM影像,分析了天然梭梭林大沙鼠鼠害防治前后的土壤調節植被指數和植被生長狀況。上述研究為利用衛星遙感進行鼠害防治管理和動態監測提供科學依據。本研究區大沙鼠洞口直徑一般為8cm至10cm,且有地表植被覆蓋的遮擋,衛星遙感影像無法準確獲取鼠洞信息,凸顯出低空間分辨率的缺點。遙感衛星重訪周期固定,利用衛星遙感影像數據進行鼠害調查的實時性、靈活性受到很大影響。

將無人機運用于新疆鼠害的調查與防治是一種新的研究思路。目前國內涌現出大量利用無人機作為遙感平臺的科學研究項目。李冰等[8]利用無人搭載美國Tetracam公司生產的ADC(Agricultural Digital Still Camera)Air冠層多光譜相機對北京研究區內冬小麥覆蓋度變化進行監測；高林等[9]采用八旋翼電動無人機搭載索尼Cyber-shot DSC-QX100高清相機對北京冬小麥葉面積指數進行探測研究；張園等[10]利用“千里眼”小型無人機搭載索尼DSC-T90對臨安市進行森林資源二類調查；馮家莉等[11]利用后推式固定翼無人機對英羅港港灣兩側紅樹林進行航拍,體現出無人機低空遙感在紅樹林信息提取及分類中的優勢。眾多的研究項目也體現出無人機低空遙感擁有在低空飛行航拍的顯著優勢(表1),無人機低空遙感有效的彌補了衛星光學遙感和有人機航空攝影較易受到云層遮擋的缺陷,成為新型遙感重要的手段之一。無人機遙感能夠靈活的獲取多尺度、多時相的地面觀測數據,可以更好的運用于新疆鼠害調查研究中。

表1 衛星遙感及無人機遙感參數

傳統人工調查是由工作人員采用一定得調查方法進行大面積地毯式調查[12]。對于營地面生活鼠種常用調查方法有：堵洞盜洞法、定面積捕盡法、夾夜(夾日)法[13]、洞口系數法[14-15]。以上調查方法均需要大量的地面工作作為支撐,很難與無人機低空遙感相結合。而洞群覆蓋率調查方法可通過影像直接計算,可以很好的與無人機低空遙感影像結合,鼠害洞群覆蓋率[16]即大沙鼠洞群(包括廢棄洞群)占據土地面積為整個調查區面積的百分比。此指標可反映近期或稍遠期大沙鼠對荒漠牧場的危害程度。計算鼠洞洞群覆蓋率可以對鼠害危害程度進行評估,制定更加可靠有效的治理措施。

本文基于無人機低空遙感監測平臺對新疆古爾班通古特沙漠南緣典型荒漠林大沙鼠鼠害區域進行兩次航拍,利用無人機低空遙感影像計算研究區洞群覆蓋率,劃分研究區鼠害等級并分析鼠洞分布趨勢。探討低空遙感在大沙鼠空間分布和密度監測方面的有效性,并對該區域鼠害情況進行評定,為科學防治荒漠林大沙鼠危害提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區選擇在新疆維吾爾自治區古爾班通古特沙漠南緣的荒漠林大沙鼠典型危害區,研究區受鼠害影響巨大,生態環境受到嚴重威脅。區內主要害鼠種類為大沙鼠(Rhombomysopimus),植被覆蓋度在固定沙丘上可達40%—50%,半固定沙丘上15%—25%。植被多為梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge)、檉柳(TamarixchinensisLour.)、蛇麻黃(Ephedrasp)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum(Pall.)Moq.)等,研究區內實際情況如圖1。此研究選擇兩塊試驗樣地,第一實驗區面積為2.4km×1.5km、中心經緯度為44.413°N,87.857°E,第二實驗區面積為1km×1km,中心經緯度為44.583°N,88.160°E如圖2。

圖1 研究區實拍鼠洞Fig.1 Real shot in the study area

圖2 實驗區概況Fig.2 Experimental area

1.2 無人機低空遙感

航拍選擇固定翼無人機,型號為DOPSV360航攝無人機。抗風能力較強,能同時搭載多種遙感傳感器。傳感器分別使用索尼NEX7相機與索尼ilce- 7m相機。兩款相機均為專業級單反相機,其有效分辨率均可滿足鼠洞航拍需求。重量也可滿足DOPSV360航攝無人機載重要求,無人機及相機詳細參數見表2。

表2 航拍設備參數

1.3 實驗方案

1.3.1 航拍數據采集

本文利用DOPSV360航攝無人機對新疆古爾班通古特沙漠南緣大沙鼠危害區進行兩次低空航拍作業。飛行任務確定后,設計實驗區飛行方案,確定航攝比例尺與提取鼠洞所需的地面分辨率。2015年10月12日13點左右對第一實驗區進行航拍,搭載索尼NEX7相機,空間分辨率為0.024m,共獲取1632張單幅影像。并在2016年5月13日12點左右對第二實驗區進行航拍,搭載索尼ilce- 7m相機,空間分辨率為0.02m,共獲取1079張單幅影像。航片航向重疊率控制在60%—65%,旁向重疊率控制在30%—35%,研究區航線設計如圖3。兩次航拍均選擇正午時刻,風力較小、天氣晴朗、光線較好的時間段進行航拍工作,以保障飛行器飛行姿態的穩定和較少陰影,利于獲得高質量的航片,野外航拍工作如圖4。無人機低空遙感航拍數據為單張相片,利用Infor軟件將兩個實驗區的單幅照片進行影像拼接,并進行投影校正得到實驗區整幅航片。航拍數據采集的基本流程如圖5所示。

1.3.2 數據處理

得到實驗區整幅航拍影像數據后,采取以人工目視解譯的方式對采集的航拍影像進行解譯。根據正射影像及測區實地調研情況,發現大沙鼠鼠洞洞口主要分布于沙丘、粘土和礫石3種類型的土地上。兩幅不同實驗區航拍影像上大沙鼠鼠洞表現出相似且明顯的黑色斑塊,黑色斑塊周圍有亮度較高的凸起沙堆。大沙鼠為群居動物,一窩大沙鼠擁有多個洞口,如圖6。結合以上特征建立實驗區鼠洞解譯標志,進行人工目視解譯。

對目視解譯后的鼠洞分布圖設置緩沖區并添加趨勢線,分析鼠洞在空間格局上的分布規律以及鼠洞間的相互關系。利用低空遙感影像提取DEM圖像,提取研究區山地陰影與鼠洞疊加,分析鼠洞與地形的相關關系。并利用格網GIS[17-18]分析鼠洞洞群覆蓋率。格網GIS方法是將格網作為GIS應用研究基本單位的一種新型研究手段。根據實驗區范圍、格網評價技術要求,以及鼠洞分布特點,確定格網大小為5m×5m。并采用ArcGIS軟件的疊加分析功能,將鼠洞分布圖和格網圖進行疊加分析。疊加分析后,每一個鼠洞都被賦予了所在位置格網的標識碼,利用空間統計分析功能統計含鼠洞的格網數。

1.4 鼠害危害等級劃分

對研究區整幅影像進行目視解譯后得到大沙鼠鼠洞總體個數及分布狀況后,為判斷研究區內大沙鼠的危害程度,需進一步計算鼠洞洞群覆蓋率。通過鼠洞洞群覆蓋率對鼠害危害程度進行評估。洞群覆蓋率計算公式為：

C=S1/S2×100%

(1)

式中,C為鼠害危害區洞群覆蓋率,S1為研究區內鼠洞所占面積,S2為研究區整體面積。

圖3 航線設計圖Fig.3 Route design

圖4 無人機航拍作業Fig.4 UAV aerial work

圖5 航拍數據采集流程Fig.5 Aerial data acquisition process

圖6 目視解譯標志Fig.6 Visual interpreting marks

大范圍鼠洞面積難以測量,傳統測量方式受人為因素影響,計算結果誤差較大,本文利用ARCGIS軟件空間分析功能,以均勻格網作為基本單元,用格網面積來代換鼠洞面積。

C=n1/n2×100%

(2)

式中,C為鼠害危害區洞群覆蓋率,n1為研究區內含鼠洞格網數,n2研究區整體格網數。

2 結果與分析

對研究區整幅影像進行目視解譯并統計結果發現,第一實驗區共有鼠洞43125個,第二實驗區共有鼠洞607個(圖7)。

圖7 目視解譯Fig.7 Visual interpretation

對目視解譯后的鼠洞分布圖進行緩沖區分析,在鼠洞周圍建立緩沖區,以探究其鼠洞之間的相互關系(圖8)。

圖8 鼠洞緩沖區Fig.8 Rat holes buffer

上圖結果表明：建立緩沖區后鼠洞為成片狀聚集。說明研究區內大沙鼠是以群居生活,且多形成一個完整的鼠洞系統。

為探究研究區整體鼠洞的總體分布特征在鼠洞分布圖上添加分布趨勢線(圖9)。

圖9 鼠洞分布趨勢Fig.9 Rat holes distribution trend

圖10 山體陰影與鼠洞疊加Fig.10 The shadow of the mountain and mousehole superposition

上圖結果表明：研究區鼠洞在空間分布上呈現出明顯的帶狀分布趨勢。為深入探究導致研究區內的鼠洞帶狀分布規律的驅動因素,利用無人機低空遙感影像提取數研究區DEM圖像。并利用GIS空間分析功能獲取研究區山體陰影,將研究區山體陰影與鼠洞疊加(圖10)。

上圖結果表明：研究區內大沙鼠鼠洞沿地形呈現出帶狀分布趨勢,說明研究區內鼠洞與地形有著密不可分的關系。

利用GIS格網方法分析研究區洞群覆蓋率,在鼠洞分布圖的基礎上進行實驗區格網化。剪裁后得到每個試驗區的格網數目(圖11)。

圖11 實驗區內格網Fig.11 Experimental zone grid

第一實驗區共建立46413個格網。第二實驗區共建立987個格網。進行疊加分析后,統計出第一實驗區含鼠洞的格網數為9005個,第二實驗區含鼠洞的格網個數為186。利用式(2)計算得出第一實驗區洞群覆蓋率為19.4%,第二實驗區洞群覆蓋率為18.8%。根據荒漠林大沙鼠監察調查辦法(新疆維吾爾自治區地方標準DB65)中規定的大沙鼠發生危害程度分級標準(表3),將荒漠林大沙鼠危害程度按洞群覆蓋率分為低密度、中等密度、中高密度、高密度、猖獗5個等級。

表3 鼠害等級劃分

兩個研究區的洞群覆蓋率均在15%至20%之間。根據鼠洞洞群覆蓋率劃分標準,古爾班通古特沙漠南緣的荒漠林的大沙鼠典型危害區的鼠害程度為高密度鼠害,需要進行積極有效的防止措施。

3 討論

3.1 無人機在鼠害調查中的運用

新疆鼠害嚴重發生區大多位于人跡罕至的區域,在實際基層鼠害調查工作中,基層單位多采取傳統人工地面調查。賈舉杰等[14]利用洞口系數法計算樣地內各狹顱田鼠的洞群數量,并分析內蒙古典型草原區狹顱田鼠集群數量與被捕食風險的相互關系,施大釗和張耀星[19]、馮文武和 阿地力·沙塔爾[20]也對草原群聚鼠類洞口數量抽樣方法的探討。這些調查方法在大面積的鼠害調查中調查速度慢,監測信息滯后,調查人員主觀性導致數據統計難等問題。地面堵洞、布夾等調查方法需參與的地面工作量十分巨大,極難與遙感影像結合。在高速發展的今天,僅依靠傳統的人工調查早已難以滿足鼠害信息的調查更新,而洞群覆蓋率不需大量的地面工作就可反應近期或稍遠期大沙鼠對荒漠牧場的危害程度,較易與無人機低空遙感結合研究荒漠林鼠害程度。

部分學者嘗試運用衛星遙感影像嘗試對草原鼠害進行統計調查,徐正剛等[21]運用MODIS遙感影像提取洞庭湖區的植被指數,并根據植被指數變化評估該區域東方田鼠大暴發的危害。此研究反映出遙感影像較低的空間分辨率無法直接對鼠洞進行統計,只能依靠植被指數等其他參數推算鼠害程度,無法直接判定鼠害程度,而高分辨率定制影像收費昂貴。因此此方法較適宜于鼠類種群變化劇烈且植被單一的區域,適用性差。黃建文等[7]利用TM影像,對比天然梭梭林大沙鼠鼠害防治前后的土壤調節植被指數,確定該研究區植被生長狀況,判斷鼠害防止效果。在其數據選擇過程中,云層遮擋是極為致命的影響,遙感衛星固定的重訪周期,這也極大的影響了鼠害調查的靈活性與影像時相的統一。眾多不足也使基層生產單位難以將遙感衛星影像運用于實際鼠害調查工作當中。

本文利用無人機低空遙感對新疆維吾爾自治區古爾班通古特沙漠南緣的荒漠林大沙鼠典型鼠害區進行航拍,獲取空間分辨率為0.02m與0.024m的超高空間分辨率影像。在航拍工作中進行的航線設計主要包括：航拍飛行路線、航高、相機參數3個方面。航線設計時應注意起降點的選擇：盡量選擇無高大建筑物遮擋、電線、煙囪等有障礙物的區域,避免障礙影響無人機安全飛行以及減少信號遮擋。無人機低空遙感運用于地面鼠害調查對于天氣要求較多,地面植被陰影會影響到影像的目視解譯精度,因此航拍時間應選擇正午時刻,風力較小、天氣晴朗、光線較好的時間段進行,以保障飛行器飛行姿態的穩定和較少陰影,利于獲得高質量的航片。對航拍影像目視解譯后進行GIS格網化與疊加分析,計算后獲得鼠洞洞群覆蓋率,第一實驗區洞群覆蓋率為19.4%、第二實驗區洞群覆蓋率為18.8%。按照大沙鼠發生危害程度分級標準判定,新疆古爾班通古特沙漠南緣研究區內的荒漠林大沙鼠典型鼠害區為高密度發生區。應針對高密度發生區因積極進行天敵防治和藥物防治。兩個研究區對比驗證了利用無人機低空遙感影像計算洞群覆蓋率的準確性,從側面也驗證了運用無人機低空遙感在鼠害分析方面的普適性,可以運用與不同區域,不同面積的鼠洞調查中。相比傳統人工地面調查鼠洞數量,利用無人機低空遙感影像進行目視解譯統計可以大大提高鼠洞調查的速度與準確度,減少不同個體的主觀性判斷對整體鼠害數量統計的影響。在無人機航拍基礎上可隨機對研究區域采用堵洞盜洞等方法確定研究區有效洞口數。還可輔助進行地面調查法,對航拍影像不清晰目視難以判讀的區域進行地面補充調查。

3.2 鼠洞分布特征與地形相互關系

通過提取的鼠洞矢量數據進行緩沖區分析可以獲得鼠洞分布的空間特征,鼠洞緩沖區圖中的鼠洞分布具有明顯的聚集特征,鼠洞大多為成片或成條、且其鼠洞多以鼠洞系統的形式分布于鼠害區,若干鼠洞構成一個鼠洞系統。對于大沙鼠的防治和調查也因以洞群系統為單位,可以有效的提高鼠害防治效率。

在鼠洞分布圖中添加趨勢線后,研究區內鼠洞具有明顯的呈帶狀分布特征,將地形特征與鼠洞矢量圖疊加后可以看出,研究區內鼠洞多分布于坡地上,地勢平坦處鼠洞數量遠遠少于坡地上的鼠洞數量,因此可以得出研究區鼠洞帶狀分布特征與當地的地形結構有著密不可分的關系,也說明該研究區大沙鼠有著在沙坡上筑穴的生活習性。在鼠害的的防治過程中可以根據鼠洞的帶狀空間分布特征以及其群居特征,可以對研究區進行針對性藥物防治,減少大面積藥物碰灑防治所造成的巨額費用與生物毒素累積等情況。在布設弓形鋏、平板鋏、高原鼠兔鋏等工具防治鼠害時也可根據其空間分布趨勢進行布設,提高鼠害防治效率。

4 結論

本文對無人機低空遙感在新疆草原鼠害中的運用進行了嘗試,并且對無人機低空遙感影像進行了處理分析得到以下結論：

新疆古爾班通古特沙漠南緣的荒漠林的大沙鼠典型危害區鼠洞洞群覆率達到18.8%—19.4%為高密度鼠害區,急需進行科學有效的鼠害防治。且研究區鼠洞空間分布多呈現聚集特征,且具有明顯的帶狀空間分布特征,其空間分布特征與地形有著緊密的關系。

無人機低空遙感與傳統的人工地面調查相比具有的眾多優勢,無人機所獲取的低空遙感影像可通過GIS軟件目視解譯獲取鼠洞的分布位置以及個數,并計算研究區鼠洞洞群覆蓋率。大大提高了調查效率。因此將無人機低空遙感影像運用到鼠害調查與防治中具有很好的應用前景。本次實驗也成功的證實無人機低空遙感完全可以勝任鼠害調查工作,為草原、林業鼠害調查防治提供新的思路。

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