基于無人機遙感的黑龍江南甕河國家級自然保護區(qū)駝鹿種群數(shù)量及空間分布調(diào)查

王劭文，王東亮 ，凌成星，張 軍，金 躍，劉曙光

（1.遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院，阜新，123000；2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京，100101；3.中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所，北京，100091；4.大興安嶺林業(yè)集團公司，大興安嶺地區(qū)，165000；5.黑龍江南甕河國家級自然保護區(qū)管理局，大興安嶺地區(qū)，165000）

目前，野生動物數(shù)量調(diào)查主要分為地面調(diào)查和遙感調(diào)查，其中地面調(diào)查包括樣線法、樣帶法、大樣方法和非損傷性CMR 法等。從20 世紀90 年代開始陸續(xù)有學者對有蹄類動物的種群數(shù)量開展調(diào)查［1-4］。劉輝等［5］對比了4 種數(shù)量調(diào)查方法對北方冬季有蹄類動物種群數(shù)量的估算結果，發(fā)現(xiàn)大樣方法和非損傷性CMR法的估算結果較為準確。吳娛等［6］采用樣帶法和樣方法調(diào)查得到阿爾金山自然保護區(qū)內(nèi)藏野驢（Equus kiang）、野牦牛（Bos grunniens）的種群數(shù)量。上述研究表明，采用地面調(diào)查方法調(diào)查野生動物可準確地獲取動物棲息地的環(huán)境參數(shù)，但大范圍地面調(diào)查耗費的人力和時間成本均較高，也易受地形和環(huán)境因素的影響。

隨著監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，遙感監(jiān)測技術的應用越來越廣泛。在野生動物調(diào)查領域中，遙感監(jiān)測調(diào)查可分為衛(wèi)星遙感調(diào)查和航空遙感調(diào)查，其中衛(wèi)星遙感調(diào)查具有快速、宏觀的特點，多用于野生動物生境分析、空間分布預測和棲息地生態(tài)容量分析等［7-8］。陳智等［9］通過對MSS 影像和TM 影像的處理及分析，總結了白頭葉猴（Trachypithecus leucocephalus）棲息地景觀格局的變化特征；Platonov 等［10］使用GeoEye 高分辨率衛(wèi)星影像檢測海洋哺乳動物及其活動痕跡?；诤娇者b感的野生動物調(diào)查是利用有人飛機或無人機獲取航空影像作為調(diào)查數(shù)據(jù)，通過處理和解譯影像識別動物個體，具有調(diào)查效率高、影像空間分辨率高和樣帶布設不受地形和環(huán)境限制的優(yōu)勢，但有人飛機的野生動物調(diào)查存在成本較高、噪音干擾野生動物和起降條件要求較為嚴格等缺點［11］，而無人機遙感（unmanned aerial vehicle remote sensing，UAVRS）調(diào)查具有高空間分辨率、可在云下飛行觀測、靈活高效和對調(diào)查對象無干擾等優(yōu)勢，如Hodgson 等［12］將無人機技術應用于熱帶和極地環(huán)境中的野生動物監(jiān)測上；邵全琴等［13］利用固定翼無人機對瑪多縣內(nèi)食草動物進行調(diào)查研究；Prosekov等［14］在俄羅斯薩拉伊爾自然保護區(qū)使用搭載熱紅外相機的無人機監(jiān)測駝鹿。無人機在動植物監(jiān)測和生物多樣性保護等領域的應用前景廣闊［15-17］，能夠為野生動植物調(diào)查提供一種高效便捷的方式。

本研究利用無人機搭載可見光傳感器生成調(diào)查樣帶，根據(jù)樣帶解譯結果估算南甕河國家級自然保護區(qū)內(nèi)駝鹿種群數(shù)量，結合保護區(qū)的數(shù)字高程模型（digital elevation model）、土地覆蓋數(shù)據(jù)等，利用Arc-GIS軟件統(tǒng)計分析駝鹿的生境選擇，以期為野生動物保護及棲息地監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

南甕河國家級自然保護區(qū)（51°6′～51°40′ N，125°8′～125°50′ E）是我國唯一的寒溫帶水域內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護區(qū)，是大興安嶺生態(tài)示范區(qū)重要組成部分，位于大興安嶺東部林區(qū)東南部（圖1），地處大興安嶺山脈伊勒呼里山南麓，屬寒溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季變化顯著，年均氣溫-3 ℃，最高氣溫37.5 ℃，年均風速2.0 m/s。保護區(qū)屬低山丘陵地貌，北部高聳，南部平緩，海拔370～ 1 044 m，面積為2 283.24 km2，駝鹿分布核心區(qū)約為542.48 km2。保護區(qū)內(nèi)植物61 科442 種，其中國家重點保護野生植物6 種，蘭科（Orchidaceae）植物 6種；野生動物309種，其中獸類49種、鳥類216種、兩棲爬行類和魚類44種，國家一級重點保護野生動物9種，國家二級重點保護野生動物47種［18］。

圖1 研究區(qū)位置及紅外相機拍攝的駝鹿Fig.1 Location of the study area and moose photographed by infrared camera

2 研究方法

2.1 無人機航拍作業(yè)

2022年3月23日—4月1日，在南甕河國家級自然保護區(qū)利用無人機對駝鹿開展調(diào)查。航拍作業(yè)選擇在天氣晴朗、低空和無云霧的適宜條件下進行，無人機飛行高度為300～380 m，影像空間分辨率為5～ 7 cm。采用系統(tǒng)分層抽樣法布設樣帶，航拍共布設23 條調(diào)查樣帶，核心區(qū)布設17 條樣帶，金礦區(qū)域布設6 條樣帶。調(diào)查樣帶長4～11 km，寬1.2～2.0 km，樣帶總長為187 km。由于受南甕河國家級自然保護區(qū)冬季自然條件的限制，綜合考慮無人機起降位置、搭載設備車輛的可達性和無人機作業(yè)能力等因素，無人機飛行作業(yè)主要沿河流沿線開展。

調(diào)查樣帶設計依據(jù)2011 年國家林業(yè)局發(fā)布的“全國第二次陸生野生動物資源調(diào)查技術規(guī)程”（http：//www.forestry.gov.cn/sites/main/main/gov/content.jsp？TID=1817），綜合考慮地形、土地覆蓋數(shù)據(jù)、植被覆蓋度、植被類型及保護區(qū)內(nèi)紅外相機捕捉到的駝鹿點位（圖1）等因素，將駝鹿已知出現(xiàn)點位作為重點調(diào)查區(qū)域，選用垂起固定翼無人機作為數(shù)據(jù)獲取平臺，該機翼展2.2 m，有效荷載3.0 kg，續(xù)航時間1.5 h。

2.2 無人機影像拼接及解譯

將無人機影像進行正射糾正、拼接和勻色等影像數(shù)據(jù)處理，得到樣帶的數(shù)字正射影像（圖2），拼接完成的有效面積為206.9 km2。

圖2 樣帶拼接結果Fig.2 Sample tape splicing results

在建立駝鹿解譯標志庫的基礎上，使用目視解譯方式識別和統(tǒng)計駝鹿種群個體，估計種群數(shù)量。在目視解譯中，按照遙感解譯的色調(diào)、顏色、紋理和陰影等要素特征，結合駝鹿活動規(guī)律和習性，建立駝鹿影像解譯標志（表1）。

表1 春季駝鹿及易混淆的地物識別特征Tab.1 Identification characteristics of spring moose and other confusing features

根據(jù)解譯結果，發(fā)現(xiàn)駝鹿多單獨活動，偶爾聚集呈小群（多數(shù)群體為2～7 只），常見單獨、2 或3 只活動個體。駝鹿主體呈棕褐色、灰色等保護色，與枯樹樁及土墩顏色較接近。群體較分散。

2.3 駝鹿數(shù)量估算

根據(jù)樣帶調(diào)查結果，采用直接估算法估算南甕河國家級自然保護區(qū)內(nèi)駝鹿的種群數(shù)量，估算方法為：

式中：為調(diào)查區(qū)域內(nèi)駝鹿平均密度，zi為無人機調(diào)查樣帶面積，yi為無人機調(diào)查樣帶中駝鹿數(shù)量；為駝鹿分布密度的置信區(qū)間（置信概率取80%，自由度為n-1），t為分布表中的值，SD為標準差；N為調(diào)查區(qū)域內(nèi)駝鹿種群數(shù)量的估算結果，A為調(diào)查區(qū)域的總面積；P為調(diào)查精度。

2.4 棲息地生態(tài)因子

選取地形因子、植被因子、水源和道路分析駝鹿的棲息地選擇性。生態(tài)因子數(shù)據(jù)來源：30 m 分辨率DEM 數(shù)據(jù)來源于ASTER GDEM；坡度根據(jù)DEM 數(shù) 據(jù)提??；植被類型根據(jù)1∶100 萬中國植被圖提取，1∶100 萬中國植被圖來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”（http：//westdc.westgis.ac.cn）；土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于國家基礎地理信息中心全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務網(wǎng)站（http：//www.globeland30.org）；中國多年度地市行政區(qū)劃邊界數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng)［19］。

3 結果

3.1 樣帶調(diào)查結果

利用2022 年春季獲取的17 818 張無人機航拍影像統(tǒng)計駝鹿的種群數(shù)量。如圖3 所示，在保護區(qū)核心區(qū)布設17 條無人機樣帶（樣帶1～14 和21～23），在金礦區(qū)域布設6條無人機樣帶（樣帶15～20），種群密度為0.354只/km2，其中，樣帶18內(nèi)發(fā)現(xiàn)駝鹿數(shù)量最多（6只），占總數(shù)的16.7%，種群密度為0.462只/km2；樣帶17 內(nèi)發(fā)現(xiàn)駝鹿4 只，該架次的駝鹿種群密度最大，為0.620 只/km2；樣帶2、4、5、12、13、19、21、22 和23中未發(fā)現(xiàn)駝鹿。

圖3 駝鹿調(diào)查點位分布Fig.3 Moose distribution sites

3.2 駝鹿種群數(shù)量

共布設23 條無人機樣帶，樣帶長4～11 km，寬1.2～2.0 km。根據(jù)無人機樣帶調(diào)查結果，置信概 率選取80%，通過統(tǒng)計分析得到研究區(qū)面積為 2 283.24 km2，共發(fā)現(xiàn)駝鹿36 只，駝鹿種群密度為（0.174±0.038）只/km2，種群數(shù)量為310～484 只，調(diào)查精度P=78.11%。

3.3 駝鹿分布規(guī)律

按照上述估算方法對生態(tài)因子的區(qū)間進行分類，計算柵格數(shù)據(jù)提取駝鹿點位的生態(tài)因子（圖4），駝鹿分布點位疊加棲息地環(huán)境因素柵格數(shù)據(jù)分析得到駝鹿空間分布。

圖4 駝鹿分布點位的生態(tài)因子分析Fig.4 Analysis of ecological factors of the moose distribution sites

利用選擇指數(shù)計算得出樣帶內(nèi)駝鹿對生態(tài)因子的選擇傾向，將地形因子和植被因子按等級區(qū)間統(tǒng)計駝鹿的選擇偏好指數(shù)（表2），結果表明：根據(jù)地形因子分析，春季駝鹿偏好選擇在海拔400～500 m 的區(qū)域內(nèi)活動，該區(qū)間內(nèi)駝鹿的數(shù)量占總數(shù)的77.8%，海拔超過600 m 區(qū)域沒有駝鹿分布；在坡度0°～6°區(qū)域，駝鹿數(shù)量占總數(shù)的86.1%，在坡度＞6°～9°區(qū)域駝鹿數(shù)量占總數(shù)的8.3%。根據(jù)植被因子分析，駝鹿對溫帶落葉闊葉林有偏好，占總數(shù)的72.2%，在寒溫帶和溫帶山地針葉林內(nèi)有少量駝鹿分布，占總數(shù)的19.5%。對于水源地和公路，駝鹿偏好選擇距水源1～3 km、距公路超過5 km的區(qū)域。

表2 駝鹿春季生境選擇中生態(tài)因子的分布頻次Tab.2 Frequency of distribution of ecological factors in spring habitat selection of moose

4 討論

無人機遙感是利用先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通信技術、POS定位定姿技術、GPS 差分定位技術和遙感應用技術，具有自動化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源、環(huán)境和事件等空間遙感信息的優(yōu)勢，并能實時處理、建模和分析的先進新興航空遙感技術解決方案［20］。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，無人機遙感技術在對中大型動物的監(jiān)測中，具有對外界干擾因素的抵抗能力更強，不易受氣候、天氣和地面植被等因素的干擾和影響等特點，從而能有效實現(xiàn)全天候監(jiān)測。但該技術也存在不足，如熱紅外成像、激光雷達等傳感器與可見光傳感器的圖幅不一致，缺乏準確的棲息地動植物分布、植被生長信息及地形地貌數(shù)據(jù)，不能充分為野生動物的分布規(guī)律提供參考依據(jù)。

為了解南甕河國家級自然保護區(qū)內(nèi)駝鹿的種群數(shù)量及空間分布，采用無人機遙感調(diào)查代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工地面調(diào)查，提高了調(diào)查效率。本次航拍時間為 3—4月，大興安嶺地區(qū)地表大部分區(qū)域被雪覆蓋，有少量土堆、木樁等地物在可見光影像中易與駝鹿混淆，后期可考慮搭載熱紅外相機同步獲取可見光和熱紅外影像，作為影像解譯的輔助手段，提升駝鹿辨識準確率。此外，本次調(diào)查受新冠疫情等影響，未同步開展地面調(diào)查，后期將考慮增加地面與無人機同步調(diào)查，相互驗證提升結果的可靠性。

本調(diào)查結果表明，南甕河國家級自然保護區(qū)內(nèi)駝鹿的種群密度為（0.174±0.038）只/km2，種群數(shù)量為310～484 只。金礦區(qū)域（樣帶15～20）發(fā)現(xiàn)17 只駝鹿，種群密度為0.354 只/km2，種群密度遠高于整個保護區(qū)的駝鹿平均種群密度，表明駝鹿在金礦附近活動較為頻繁。由于受南甕河國家級自然保護區(qū)冬季自然條件的限制，綜合考慮無人機起降位置、搭載設備車輛的可達性和無人機的作業(yè)能力等因素，樣帶主要分布在核心區(qū)及東部金礦區(qū)域。由于樣帶的不均勻分布，無法確定其他未抽樣區(qū)域的駝鹿種群密度，導致估算結果可能存在一定偏差。采用目視解譯的方式識別動物的識別精度較高，但解譯時間較長，未來可擴大調(diào)查區(qū)域面積以獲取足夠的駝鹿樣本，利用目標檢測算法等深度學習方法自動識別及提取動物個體樣本，以提高解譯工作的效率。

5 結論

本研究提出一種基于無人機遙感調(diào)查大型野生動物種群數(shù)量和分布規(guī)律的方法，進而分析野生動物對相關生態(tài)因子的選擇，提供一種適用于大面積區(qū)域野生動物種群數(shù)量調(diào)查的技術手段。本研究利用2022 年春季開展的無人機航拍調(diào)查結果，估算了南甕河國家級自然保護區(qū)內(nèi)駝鹿的空間分布和生境選擇偏好，23 個調(diào)查樣帶中，樣帶18 發(fā)現(xiàn)的駝鹿數(shù)量最多，占所有樣帶發(fā)現(xiàn)駝鹿總數(shù)的16.7%，該樣帶內(nèi)駝鹿的種群密度為0.462 只/km2，樣帶1、3、6、7、8、9、10、11、14、15、16、17、18 和20 中存在駝鹿分布（圖3）。在無人機調(diào)查樣帶中共發(fā)現(xiàn)36 只駝鹿，駝鹿的種群密度為（0.174±0.038）只/km2。通過直接估算法計算出保護區(qū)內(nèi)駝鹿的種群數(shù)量為310～484只。