利用無人機開展草原鼠害調查監(jiān)測的研究

連歡歡，侯秀敏，宜樹華

(1. 青海省草原總站，青海 西寧 810008；2. 南通大學脆弱生態(tài)環(huán)境研究所 南通大學地理科學學院，江蘇 南通 226000)

草原，是發(fā)展草原生態(tài)畜牧業(yè)的物質基礎，是廣大牧民群眾生活、生產的基本保障。草原鼠害不僅與家畜爭奪優(yōu)良牧草，影響草原載畜量，降低牧草利用率，嚴重制約著草原生態(tài)畜牧業(yè)發(fā)展。為有效應對草原鼠害，實時掌握草原鼠害的危害情況，草原鼠害的調查監(jiān)測就必不可少。無人機低空實時成像技術是一種可利用于草原鼠害大面積調查監(jiān)測的新思路新技術，該項技術以無人機云臺成像技術為基礎，通過無人機獲取高分辨率影像進行圖像拼接和融合后進行相關的數(shù)據(jù)分析，從而獲取單位面積害鼠洞口數(shù)、危害等級以及牧草生長狀況、植被蓋度等草原鼠害動態(tài)、牧草長勢的綜合情況。

圖1示出了描述車輪運動的坐標系統(tǒng)。坐標系OXYZ是以列車速度平動的慣性坐標系。坐標系oxyz與車輪剛性連接，其y軸與輪軸重合，因此坐標系oxyz以均勻的角速度Ωy(角速度等于列車速度除以車輪滾動圓半徑)繞y軸旋轉，而y軸只做垂向振動。在0時刻，兩個坐標系是重合的。在t時刻，y軸的垂向位移記為w0(t)，向下為正，車輪繞y軸旋轉了角度Ωyt。圖中的向量p0eiΩt 表示一個圓頻率為Ω的力向量，此處i是虛數(shù)單位。

社交娛樂方面，絕大多數(shù)學生參加各種社交娛樂的時間和頻次正常。學生談戀愛現(xiàn)象比較普遍，問卷表明，大三學生中談戀愛的已占到班級的七成以上。而認為談戀愛對自己產生積極影響、負面影響的，后者略高于前者，約各占三成左右。絕大多數(shù)學生在與親友QQ、微信或電話聊天，參加朋友聚會、聚餐，逛街、購物，節(jié)假日及假期外出旅游，到歌廳、茶室等公眾娛樂場所玩樂的時間和頻次，均在正常范圍之內。

女孩的身體還非常虛弱，但她仍然幫著青辰將天葬師背回了屋中。天葬師昏迷著，心口的刀傷已經(jīng)不再有鮮血流出，好似他的整個身體的血液，都已經(jīng)干涸。

1 基本情況

試驗地選擇在青海省剛察縣哈爾蓋鄉(xiāng)，草原鼠害發(fā)生面積1.33×104hm2的區(qū)域內。哈爾蓋鄉(xiāng)位于縣境西南部，距縣府駐地25 km。轄6個行政村，1個社區(qū)，有藏、漢、蒙、回、土、滿、東鄉(xiāng)、撒拉族8個民族，藏族占總人口的90 %?？衫貌輬?3.05×104hm2，其中：冬春草場6.21×104hm2，夏秋草場6.84×104hm2；農作物耕地209.87 hm2。經(jīng)營各類牲畜18.86萬只(頭、匹)，其中羊15.83萬只、牛2.71萬頭、馬3 204匹，畜牧業(yè)為主導產業(yè)。根據(jù)2018年秋季基數(shù)調查，哈爾蓋鄉(xiāng)高原鼠兔發(fā)生面積5.13×104hm2，危害面積2.93×104hm2，高原鼢鼠發(fā)生面積1.73×104hm2，危害面積1.07×104hm2，屬于中度危害區(qū)域。為此，通過走訪調查與實地勘察的方法，確定了哈爾蓋鄉(xiāng)1.33×104hm2鼠害試驗區(qū)，且這1.33×104hm2試驗區(qū)是鼠害防治后5年內未進行過防治的區(qū)域，見圖1。

2 試驗情況

(1)全部樣本量自動分析得出鼠害洞口數(shù) 調查拍攝后，將所取得的535個樣本數(shù)據(jù)資料整合到鼠洞洞口分析軟件-ProposalClassifierManual(簡稱：Mysql)中對每一張照片的鼠洞信息進行提取。首先，通過調整綠度指數(shù)、洞口區(qū)域的黑色程度、洞口大小等指數(shù)進行軟件自動分析識別，然后進行人工校正，得出項目區(qū)平均鼠害總洞口數(shù)約為528個/公頃。

圖1 勘察確定1.33×104hm2試驗區(qū)

圖2 無人機鼠害監(jiān)測照片

3 調查監(jiān)測結果

3.1 人工調查情況

在1.33×104hm2試驗區(qū)，選擇與無人機低空實時成像拍攝定位相同的30個樣地，進行人工堵洞開洞法調查。人工調查時每個樣方面積為0.067hm2。得出此30個樣地的總洞口數(shù)為2 161.5個/公頃，有效洞口數(shù)725.5個/公頃，有效洞口率為33.56%，見表1。

表1 人工鼠害調查洞口數(shù) 單位：(個/公頃)；%

3.2 無人機調查情況

(3)定點位置樣本人工計算得出鼠害洞口數(shù) 挑選出與人工調查法重合的30個樣地的照片，對應相同的樣地號，對每一張照片的鼠洞信息進行人工鼠害洞口數(shù)的統(tǒng)計計算工作，得出鼠害總洞口數(shù)為2 147個/公頃，見表3。

共設置工作點34個，圖3為無人機監(jiān)測鼠害的部分工作點分布圖。

應用宜樹華教授團隊自主開發(fā)的無人機航拍系統(tǒng)(FragMAPSetter-FragmapFlighter)進行鼠害調查監(jiān)測拍攝，無人機航拍系統(tǒng)設置步驟如下： (1)新建工作點或選擇已有工作點；(2)根據(jù)采樣點位置或選擇已存在航線；(3)設置無人機飛行高度(本研究中為20m)、飛行速度(本研究中為6m/s)及相機參數(shù)(白平衡，IOS等)；(4)上傳航點、飛行高度與速度；(5)無人機根據(jù)預設參數(shù)開始自主飛行與拍攝，對所有采樣點進行航拍，每個采樣點獲取航拍照片16張。

圖3 部分工作點的分布圖

試驗區(qū)典型鼠害類型空間分布情況如圖4所示，該區(qū)內大多數(shù)草地的危害等級為危害猖獗，其面積占整個試驗區(qū)面積的76.03%。而鼠害極重度的區(qū)域所占面積比例最小，零散分布于鼠害猖獗和鼠害中度危害之間的區(qū)域，面積僅占整個區(qū)域面積的0.89%。6種類型中輕度、中度和重度鼠害草地所占的面積比例較小且三者比較接近，其中，中度和重度無明顯分布規(guī)律，而輕度主要分布在該區(qū)的東北部和西南部地區(qū)。區(qū)內無鼠洞的區(qū)域所占面積比例較小，占整個試驗區(qū)面積的2.30%，主要零散的分布于試驗區(qū)的中部和東南部地區(qū)。

①化探綜合異常區(qū)內已發(fā)現(xiàn)多條Ag、Mo礦體，同時存在伴生的Pb、Zn礦體。因此，化探綜合異常區(qū)是找礦的主要地段。

多立克柱是古典建筑中常用的三種柱子樣式之一，起源于古希臘。另外兩種柱式為愛奧尼柱式和科林斯柱式。多立克柱粗大雄壯，柱頭沒有裝飾花紋，柱身有時雕刻有槽紋，有時為平滑的。雅典衛(wèi)城的帕特農神廟就采用了這種柱式。

2019年7月27日～8月2日，青海省草原總站草原有害生物防控部協(xié)同宜樹華教授團隊，利用大疆精靈Phantom 4 Pro和“御”Mavic Pro航拍無人機在海北州剛察縣哈爾蓋鄉(xiāng)貢公麻村1.33×104hm2區(qū)域，進行了為期7 d的無人機低空實時成像拍攝工作。在進行拍攝工作的同時，技術員隨機對單張照片拍攝點用人工堵洞法進行害鼠洞口數(shù)測定，測出有效洞口數(shù)和洞口系數(shù)，以便無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)得出的洞口數(shù)與人工堵洞法得出的洞口數(shù)進行比對。

(2)定點位置樣本自動分析得出鼠害洞口數(shù) 挑選出與進行人工調查法重合的30個樣地的照片，對應相同的樣地號，對每一張照片的鼠洞信息進行Mysql數(shù)據(jù)自動信息提取，得出鼠害總洞口數(shù)為2 159.5個/公頃，見表2。

表2 自動分析得出鼠害洞口數(shù) 單位：(個/公頃)

3.2.1 調查方法 利用大疆精靈Phantom 4 Pro和“御”Mavic Pro航拍無人機在試驗區(qū)進行了為期7 d的低空實時成像拍攝工作。拍攝時，我們沿主路、輔路、小路等交通工具可以到達的區(qū)域，間隔1 km設置高原鼠兔洞口密度調查樣地，選定工作點34個，每個工作點拍攝16張照片，每個拍攝點覆蓋約1.45 hm2，單張照片覆蓋約0.09 hm2。此次共拍攝可利用照片535張，相當于在試驗區(qū)隨機選擇樣地535個。

3.2.2 調查結果

表3 人工計算得出鼠害洞口數(shù) 單位：(個/公頃)

3.3 三種鼠害洞口數(shù)調查方法分析

以案例推動、示范引領抓落實，重點打造一批省內甚至國內叫得響、立得住、社會公認的水利工程先進典型，總結一批可復制、可借鑒、可推廣的成功經(jīng)驗。

4 結論

4.1 無人機調查監(jiān)測數(shù)據(jù)可信

將無人機鼠害調查和人工調查鼠害數(shù)據(jù)進行對比，得出兩種調查方法所取得的鼠害總洞口數(shù)基本相同，說明無人機鼠害調查所得的鼠害洞口數(shù)可信，用此方法進行無人機鼠害調查監(jiān)測可行。

4.2 危害等級

高原鼠兔有效洞口數(shù)將高寒草地鼠兔危害等級劃分為5個等級。即輕度：有效洞口數(shù)為9～30個/公頃，中度：有效洞口數(shù)為31～100個/公頃，重度：有效洞口數(shù)為101～170個/公頃，極重度：有效洞口數(shù)為171～240個/公頃和猖獗危害：有效洞口數(shù)>240個/公頃。

通過分析，試驗區(qū)洞口密度為0～4 500個/公頃，平均有效洞口數(shù)為528個/公頃。該區(qū)域的有效洞口率為33.5%。該區(qū)域鼠害狀態(tài)統(tǒng)計結果如表4所示。該區(qū)大多數(shù)調查樣地內的草地處于鼠害猖獗的階段，占所有航拍樣地的61.87%；其次為中度鼠害，占所有航拍樣地的12.52%；所有樣地中，無鼠洞(有效洞口數(shù)小于9個/公頃)的樣地所占比例最小，僅為3.55%；而輕度、重度和極重度鼠害的樣地所占比例較少，分別為5.05%、9.72%和7.29%。

實驗自2017年10月21日開始。摘除凌霄干花的花托后，將其余部分剪成2 cm長的小段。稱取50 g凌霄干花，置于1 000 mL燒杯中，加1 000 mL去離子水浸泡48 h，獲得浸泡液。制取凌霄干花水浸提液時，首先用四層紗布過濾浸泡液，將所得的濾液再經(jīng)六層紗布過濾，制取水浸提液；然后將第二次過濾獲得的水浸提液（0.05 g/mL）作為母液，進行4次稀釋，分別制取四種不同濃度（0.04 g/mL、0.03 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL)的凌霄干花水浸提液。

將人工調查得出的鼠害總洞口數(shù)、無人機調查的定點位置樣本自動分析得出鼠害洞口數(shù)及定點位置樣本人工計算得出鼠害洞口數(shù)，這三種數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，得出：P-value﹥0.05， F值﹤P-value值，即三種調查方法所得出的鼠害洞口數(shù)兩兩間無差異，這說明三種調查方法得出的鼠害洞口數(shù)基本相同，相互吻合，無人機調查鼠害洞口數(shù)自動分析數(shù)據(jù)可信。根據(jù)全部樣本量自動分析得出鼠害總洞口數(shù)及人工鼠害調查得出的鼠害有效洞口率，得出1.33×104hm2試驗區(qū)鼠害平均總洞口數(shù)為528個/公頃。平均有效洞口數(shù)為177個/公頃。

表4 剛察縣貢公麻村典型鼠害區(qū)域草地有效洞口統(tǒng)計結果

4.3 試驗區(qū)草原鼠害危害現(xiàn)狀

每張照片覆蓋面積約為26m×35 m，每個像素的分辨率大約為1 cm，高原鼠兔的洞口的直徑約為6 cm，調查過后，將數(shù)據(jù)整合到Mysql數(shù)據(jù)庫中。

圖4 剛察縣典型鼠害區(qū)鼠害類型空間分布圖

5 討論

5.1 無人機調查鼠害的特點

5.1.1 具有技術機動性 靈活性 便捷性 無人機具有靈活機動的特點，受空中管制和地形的影響較小，與人工監(jiān)測相比，能夠在平地和斜坡直接獲取影像，機動便捷。

5.1.2 能夠精準拍攝 低空作業(yè) 自動避障、無地形限制 無人機自動飛行高度在2～150 m，手動飛行可低至0～2 m，可以精確拍攝不同高度的影像，且不同機型具有自動避障和地形跟隨功能，保障飛行安全和拍攝的相對穩(wěn)定。

5.1.3 具有成本相對較低 操作簡單的特性 無人機低空攝影系統(tǒng)使用成本低，耗費低，對操作員的培養(yǎng)周期相對較短，系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡便，可以無需機場起降。

5.1.4 大面積作業(yè)省時省力 效率高 單個無人機只需要一個操作員，且能在短時間內快速大量拍攝影像，加大鼠害調查監(jiān)測的區(qū)域，且在陰天、輕霧天也能獲取合格的影像，從而將大量的野外工作轉入內業(yè)，既能減輕野外工作的勞動強度，減少工作時間，又能提高作業(yè)的效率和精度，更精準的掌握鼠害危害動態(tài)情況。

5.1.5 GPS精準定位 形成記憶性監(jiān)測 無人機攜帶GPS，對監(jiān)測過的工作點的時間，地點及范圍形成準確記憶，從而形成草原鼠害監(jiān)測動態(tài)網(wǎng)絡，增加草原鼠害監(jiān)測的全面性、實時性。

5.2 無人機調查鼠害的不足

電池續(xù)航能力差，無人機單塊電池在正常的情況下飛行18～23 min，可拍攝約2個拍攝點，但單塊電池充電要1 h左右。

5.3 前景展望

無人機低空實時成像技術現(xiàn)如今已經(jīng)逐步成為一種新興測量監(jiān)測技術，多學科相互交叉，目前在城市規(guī)劃建設、勘察地質災害、防災減災、林業(yè)、國土等多個方面進行了廣泛的應用，利用無人機進行草原鼠害監(jiān)測還屬于探索階段，但在實際應用中已發(fā)現(xiàn)諸多優(yōu)勢。

草原有害生物野外調查監(jiān)測一直以來依靠于傳統(tǒng)的人工調查方法，不僅費時費力，由于缺少專業(yè)技術人員，受季節(jié)性影響等原因，調查精度不高、區(qū)域受限，不能實時有效的掌握有害生物的危害情況。利用無人機開展草原鼠害野外調查監(jiān)測，不僅能克服傳統(tǒng)人工調查方法的缺點，還可節(jié)約成本、對監(jiān)測地形成動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，增加鼠害監(jiān)測的聯(lián)結性。通過對此項技術的探索應用，它不僅可以用于草原鼠害的調查監(jiān)測，還可用于草原蟲害、草原毒害草、退化草地、地上生物量等的調查監(jiān)測，打破了草原長久以來的調查監(jiān)測瓶頸，開辟了草原有害生物調查監(jiān)測的新途徑、新方法，具有獨特的優(yōu)勢和前瞻性。