無人機(jī)RTK技術(shù)在藍(lán)藻水華監(jiān)測中的應(yīng)用

韓翠敏 程花 夏晴晴 屈銘志 劉潤

摘要?藍(lán)藻在風(fēng)力等氣候因素的影響下，其狀態(tài)更迭快速，而傳統(tǒng)藍(lán)藻監(jiān)測方法速度慢，觀測范圍小，無法滿足對藍(lán)藻快速準(zhǔn)確監(jiān)測的技術(shù)需求。無人機(jī)遙感技術(shù)具有高時(shí)效、高機(jī)動(dòng)性、高分辨率等特點(diǎn)，使其能夠適用于快速變化的藍(lán)藻水華監(jiān)測。為驗(yàn)證無人機(jī)遙感技術(shù)在藍(lán)藻快速識(shí)別和提取應(yīng)用中的可靠性，利用集成RTK模塊的大疆精靈4無人機(jī)獲取太湖貢湖灣區(qū)域高分辨率影像，并通過一系列影像分析發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻提取正確率達(dá)到94.68%，Kappa系數(shù)為0.89，證實(shí)利用無人機(jī)影像進(jìn)行藍(lán)藻覆蓋區(qū)域提取準(zhǔn)確高效，說明其在藍(lán)藻水華監(jiān)測應(yīng)用中具有廣闊前景。

關(guān)鍵詞?藍(lán)藻監(jiān)測;精靈4 RTK無人機(jī);監(jiān)督分類

中圖分類號(hào)?X832文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2020）02-0225-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.065

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Application of UAV RTK Technology in Monitoring Cyanobacteria

HAN Cui-min， CHENG Hua， XIA Qing-qing et al?（Jiangsu Jiangda Ecological Technology Co.， Ltd.， Wuxi， Jiangsu 214061）

Abstract?Under the influences of wind and other climatic factors， cyanobacteria blooms have a rapid change in state. The traditional cyanobacteria monitoring method is slow and the observation range is small， which cannot meet the technical requirements for rapid and accurate monitoring of cyanobacteria. The UAV remote sensing technology has the unique features of high timeliness， high maneuverability and high resolution， making it suitable for rapid changes in cyanobacterial bloom monitoring. In order to verify the reliability of UAV remote sensing technology in cyanobacteria rapid identification and extraction applications， this paper used the Phantom 4 UAV with integrated RTK module to obtain high-resolution images of the Gonghu Bay area of Taihu Lake， and through a series of image analysis， it was found that the correct extraction rate of cyanobacteria reached 94.68%， and the Kappa coefficient was 0.89. The results showed that the extraction of cyanobacteria covered by UAV images was accurate and efficient， indicating that it had broad prospects in cyanobacterial bloom monitoring applications.

Key words?Cyanobacteria monitoring;Phantom 4 RTK UAV;Supervised classification

藍(lán)藻水華是全球環(huán)境學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)，近年來，隨著我國水體的富營養(yǎng)化發(fā)展，藍(lán)藻水華防治已經(jīng)成為企事業(yè)單位、科研院所研究的熱點(diǎn)問題[1-2]。防治藍(lán)藻水華，一般需要專業(yè)人員進(jìn)行藍(lán)藻水華現(xiàn)象的識(shí)別、預(yù)測以及控制。傳統(tǒng)水華識(shí)別與防治主要依賴于實(shí)地采樣和對區(qū)域環(huán)境監(jiān)測站內(nèi)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，一般通過確定水中藻類細(xì)胞數(shù)目、葉綠素濃度、氨氮含量等來實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法可以實(shí)現(xiàn)定量監(jiān)測，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且采用離散樣點(diǎn)觀測，無法確定藍(lán)藻的整體分布情況。隨著遙感科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)藻水華問題的區(qū)域性監(jiān)測成為可能，眾多學(xué)者開展的遙感技術(shù)對藍(lán)藻水華問題的研究，彌補(bǔ)了常規(guī)監(jiān)測手段的不足[3]。藍(lán)藻暴發(fā)時(shí)藻類生物高度聚集，其光譜特征與典型植被光譜特征相似，而與水體背景有較大差異，因此借助衛(wèi)星遙感技術(shù)可以進(jìn)行藍(lán)藻水華的記錄與識(shí)別。目前，影像的空間分辨率基本可以滿足大范圍水域藍(lán)藻識(shí)別的需求，但藍(lán)藻受氣象因素尤其是風(fēng)速、風(fēng)向的影響較大，其在水中的狀態(tài)更迭快速，而衛(wèi)星遙感平臺(tái)存在作業(yè)不靈活、分辨率低等特點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻的精細(xì)化監(jiān)測，此外衛(wèi)星遙感回訪的周期性特點(diǎn)，加上云霧遮擋的影響，往往使藍(lán)藻水華影像無法及時(shí)獲取[4-5]。

近年來，無人機(jī)遙感技術(shù)受到廣泛關(guān)注，無人機(jī)遙感集成遙感技術(shù)和測繪平臺(tái)形成了一套作業(yè)靈活、成本低、分辨率高的專業(yè)化低空遙感系統(tǒng)。相對于衛(wèi)星遙感，無人機(jī)遙感的優(yōu)勢還體現(xiàn)在以下方面：航線自主規(guī)劃、作業(yè)簡單，易于操作、可搭載多類型高精度傳感器，影像分辨率可達(dá)厘米級(jí)[6-7]。目前，無人機(jī)系統(tǒng)可內(nèi)置小型機(jī)載GPS板卡，采用基于載波相位差分技術(shù)（real-time kinematic，RTK）的無人機(jī)定位系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，通過差分解算、內(nèi)插處理等精確獲取無人機(jī)拍攝相片的定位信息，為最終成圖提供精度保證[8]。筆者利用小型無人機(jī)獲取試驗(yàn)區(qū)可見光影像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)快速獲取試驗(yàn)區(qū)藍(lán)藻分布，并與目視解譯結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證提取方法的有效性，探索利用無人機(jī)遙感開展藍(lán)藻水華監(jiān)測的新方法。

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