無人機航測技術在鄱陽湖海草覆蓋度測定中的應用

李善文

（江西核工業測繪院集團有限公司，江西 南昌 330038）

鄱陽湖位于江西省北部，地處九江、南昌與上饒市交界處，是中國第一大淡水湖，面積超過4000km2，屬于長江流域中過水性、吞吐型與季節性的淺水湖泊。鄱陽湖海草層作為海洋生態系統之一，通常分布在海岸兩側，有營養循環和潮間帶沉積與穩定作用，為湖泊生物提供棲息場所和食物。目前，鄱陽湖海草層已經成為我國湖泊生態保護工作中的重點。在對鄱陽湖海草層進行分布檢測和種類調查工作中，利用無人機航測技術可以拍攝高分辨率的航拍圖，準確獲取海草分布情況，綜合檢測海草集中分布區，最終掌握鄱陽湖海草實際分布情況，為鄱陽湖海草床生態保護管理工作提供參考。

1 無人機航測技術在鄱陽湖海草覆蓋測定中的應用

1.1 無人機航測獲取影像

無人機航測技術獲取航拍影像數據流程圖如圖1 所示。

圖1 無人機航測應用流程圖

1.2 飛行設備參數以及設備應用特點

1.2.1 飛行設備參數

該研究采用的無人機飛行設備是以Phantom4RTK 無人機為主，該無人機可以低空攝影測量，具備厘米級導航定位功能、高性能成像功能以及高航測技術功能，體積小，方便攜帶，能提高鄱陽湖海草層航測效率。目前，Phantom4RTK無人機在自然資源測量調查領域中已經得到廣泛運用，在實際運用中整體參數見表1[1]。

表1 Phantom4RTK 無人機航測參數

航測中采用的Phantom 4 RTK 無人機，配置1 個200 萬像素的相機，可保證攝像圖片的清晰度。當設計Phantom 4 RTK 無人機飛行參數時，飛行高度在達到50m 后設置GSD為01.37cm/像素，無人機航測要求飛行速度為3.9m/s，當定點拍攝時采用定時拍攝模式，在完成拍攝任務后自動返航。為保證無人機航測拍攝的照片清晰度達到標準，當設計Phantom 4 RTK 無人機相機參數時，航測照片長寬比例設置為3 ∶2，白平衡為晴天，測光模式為平均測光，相機云臺角度設置為-90°。當設計重疊率參數時，旁向重疊率設計為70%，縱向重疊率設置為80%，航測邊距保持自動狀態即可。

1.2.2 無人機航測應用特點

該研究選擇的無人機設備以Phantom4RTK 無人機為主，無人機航測應用特點如下：1）范圍廣，效率高。在海草層勘測工作中，傳統勘測方式主要以人工為主，由多名技術人員與專業潛水員對海草層覆蓋度進行勘測[2]。但利用該方式勘測大規模項目的勘測結果不準確。利用無人機航測技術，測定時間比人工現場調查時間短，可提高海草層覆蓋度測定效率。運用無人機航測技術可實現一天內無人機多架次飛行，遙感器控制距離超過7km，適合大面積勘測。2）攜帶方便，操作便捷。無人機體積小、質量輕且方便攜帶，在鄱陽湖海草層覆蓋度測定工作中，以國家海洋信息中心編制的《潮汐表》為參考，無須再對鄱陽湖進行潮汐勘測，對《潮汐表》進行實時檢測即可選擇合適的航測作業時間。在航測前，工作人員規劃好無人機航測路線，明確航測參數，保證無人機航測中可自動完成航拍工作，對航拍影像進行具體分析。3）數據精度高。為在航測中降低自然因素的影響，在Phantom4RTK 無人機中配備1 個2000 萬像素CMOS 傳感器、7 組8 片全玻璃鏡頭。在航測中控制無人機的飛行高度和飛行重疊度，使無人機在100m 飛行高度中，獲取的地面樣本距離為2.75cm，對無人機航測的相機鏡頭進行校正，確保影像精度達到實際標準要求。4）成本低、可控性高。Phantom4RTK 無人機市場價格相對較低，具備失控自動返航功能與自主避障功能，可對目標方向障礙物進行勘測，從而重新規劃勘測路線，實現無人機航測全面避障作業，保障無人機的航測安全性能[3]。

1.3 無人機航測技術應用方案設計

1.3.1 確定飛行參數、范圍和航線設計

該研究對鄱陽湖近岸水域歷史遙感圖進行收集與分析，規劃海草層分布范圍來選擇無人機航測區域。在該勘測中，通過查詢資料完成無人機航測航線的設計工作，確定無人機航測起點坐標與控制點布設作業。基于遙感器功能，在航測區域選擇3 個航測點，自動生成閉合無人機飛行區域和航線。如圖2 所示。

圖2 無人機航測航線圖

當設計無人機航測飛行參數時，結合鄱陽湖海草層分布的具體情況，飛行高度參數設置為50m，無人機航測飛行速度設計為4.0m/s，航測模式設置為定時拍攝，完成無人機航測作業后自動返航。當設計航測相機參數時，影像照片長寬比例設計為3 ∶2，測光模式為平均測光，云臺角度設計為-90°。當設計無人機航測重疊率參數時，旁向重疊率設置為70%，縱向重疊率設置為80%，邊距為自動控制模式。在該無人機航測飛行中，飛行范圍為300m×500m，每個航次飛行高度設置為50m。

結合鄱陽湖潮汐動態變化，對鄱陽湖的水深變化以及顏色變化幅度進行分析，保證色帶變化在合理范圍內，在航測影像中對其進行處理，保證海草層分布清晰度達到標準。此外，通過分析鄱陽湖低潮時間可知，當時間低于1h時，鄱陽湖水深以及顏色均會發生變化，因此無人機航測飛行高度設置為50m，保證鄱陽湖湖底海草層部分清晰度達到要求。

1.3.2 確定潮汐條件

在無人機航測中，鄱陽湖高潮與中潮的情況會導致航測影像不清楚，難以對海草層覆蓋度進行測定分析。因此，在該研究中通過測定鄱陽湖潮位，發現鄱陽湖潮位最低為18cm～40cm，結合鄱陽湖航測區域的水深情況，潮位最低為30cm，海草層出現裸露現象，適合航拍。無人機航測通常以白天為主，當遇到風雨天氣時，不可航測。因此，在無人機航測工作中，須選擇合適的時間，保證湖況條件達到允許飛行的要求，才可進行航測作業。

1.4 影像數據處理

該研究根據設計的無人機航測方案，將獲取的初始影像圖錄入pos 數據中，將影像圖片、像控點坐標導入PIX4D軟件中，由軟件完成計算工作，最終獲取影像輸出結果。當處理數據時，選擇初始化處理與DSM 處理方式，全自動處理數據，最終可查看處理成果分析報告。在坐標系WGS84中，地面距離為1.66cm，海草層覆蓋度為0.232km2，利用ArcGIS 軟件完成正射影像成果坐標距離和海草層覆蓋面積。

2 無人機航測技術在鄱陽湖海草覆蓋測定結果分析

2.1 海草層分布特征

在無人機航測中，獲取的初始影像圖數量為920 張，利用PIX4D 軟件完成初始影像拼接處理，獲得一張完整坐標信息的海草層覆蓋度航測矢量數據影像圖。如圖3 所示。該影像圖幅面為300m×500m，圖中影像清楚地體現了鄱陽湖沿岸地區以及湖底的特征。影像圖中包括海草、馬尾藻、珊瑚碎屑和貝類殘殼等。

圖3 無人機航測影像圖

根據圖3 可知，鄱陽湖沿岸海草床通常生長在珊瑚礁坪上，礁坪外緣分布活珊瑚，海草通常生長在離岸300m，水深1.5m 處。珊瑚礁坪寬廣，湖底沙和生物碎屑分布相對較廣，湖面退潮后，可以清晰地看到海草。

2.2 鄱陽湖區塊海草層覆蓋度反演

該研究通過ArcGIS 軟件，采用最大似然法對航測區域海草層覆蓋度進行研究，在實際運用中，最大似然法主要是對航測的區塊進行逐一分類，獲取海草斑塊狀分布矢量圖，并對海草斑塊進行標注[4]。

在該研究中，區域1 號的面積為10000m2，海草分布區共96 個，海草層覆蓋面積為378m2，覆蓋度為3.78%，在航測中發現斑塊面積最大的79 號面積為68.9m，10m2～-100m2的斑塊有15 個，＜10m2的斑塊為71 個。

2.3 研究區海草分布反演

在該研究工作中，使用最大似然法對航測區進行逐一分類后，對航測區域的海草分類圖進行整合研究。結合AreGIS軟件矢量數據分析，獲取區塊海草層集中部分面積，對鄱陽湖面積和海草分布比例等進行具體分析，見表2。該航測區域面積為130000m2，海草集中分布面積為23000m2，包括860個集中分區，平均比例為18%，說明海草層覆蓋度相對較高，鄱陽湖海草床生態保持較好[5]。在實際調查中發現，大量海草與少數的貝殼、淤泥以及珊瑚碎屑組成了生態環境，距離湖岸較遠的航測區塊1 號、3 號和4 號，海草層覆蓋度僅不超過10%，航測區塊2 號和6 號海草集中分布面積超過1100m2，海草層覆蓋度超過10%[6]。與其余區塊相比，航測區塊14 號和15 號海草分布較為集中，海草層覆蓋度分別為45%與33%，其余航測區塊海草斑塊數量較多，但面積較小，屬于零星分布狀態。與距離鄱陽湖岸邊較近的1 號、4 號、5 號、6 號和7 號區塊的海草斑塊相對較少，但海草斑塊面積較大，呈現集中性與不規則性，海草生長也較為茂盛[7]。

表2 航測區塊海草層覆蓋度

2.4 海草種類覆蓋度調查結果

在航測中，針對鄱陽湖海草層覆蓋度情況，對鄱陽湖海草種類和面積等進行勘測，匯總分析勘測參數，發現鄱陽湖目前的海草種類共22 種，鄱陽湖中以5 種海草為主，包括圓葉絲粉草、單脈二藥草、海莒蒲、泰來草和卵葉喜鹽草[8]。其中泰來草在湖泊中的分布面積最大，均勻分布在航測中的各區塊中，甚至部分生長在珊瑚碎屑中；圓葉絲粉草則生長在鄱陽湖潮間帶、低潮帶至潮下帶結構部位，海底堆積和沖刷區交界部位也會有圓葉絲粉草、單脈二藥草與卵葉喜鹽草，其主要生長在潮間帶低潮區有淤泥的區域，表層有懸浮物，在現場可以看到卵葉喜鹽草匍匐生長，在航拍圖中，通過分析海草顏色，可以有效分辨卵葉喜鹽草[9]。在海草層覆蓋度測試工作中，發現在潮汐塑造作用下，湖底還有大量的珊瑚礁與礁石等，部分珊瑚處于零星生長狀態，在部分礁石區域中，生長著馬尾藻，在航測圖中顏色為褐色。在航測測定工作中，應結合海草集中生長面積，對圓葉絲粉草、單脈二藥草、海莒蒲、泰來草和卵葉喜鹽草覆蓋度進行分析，其中圓葉絲粉草航測集中分布面積為13.2m2，覆蓋度為1.32%；單脈二藥草航測集中分布面積為5.2m2、覆蓋度為0.52%；海莒蒲海綠普航測集中分布面積為35.6m2、覆蓋度為3.56%；卵葉喜鹽草航測集中分布面積為65.4m2、覆蓋度為6.54%；泰來草航測集中分布面積為103m2、覆蓋度為10.3%。

3 結語

綜上所述，鄱陽湖海草分布對周圍生態環境有重要影響。在該研究中，為詳細掌握鄱陽湖海草層覆蓋度，應用Phantom4RTK 無人機，可提高航測精度以及測定效率，在無人機航測工作過程中，通過確定飛行參數、航測范圍和航線設計，掌握鄱陽湖潮汐條件，完成航測影像數據處理工作，最終獲取鄱陽湖海草層覆蓋度，為鄱陽湖生態環境保護工作提供相應參考。