無人機遙測技術(shù)在黃河灘區(qū)植被群落監(jiān)測中的需求分析與引進模式探討

袁巧麗呂桂軍

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.河南省小流域生態(tài)水利工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004)

引言

黃河(開封段)灘區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，低海拔，地勢平坦，年平均氣溫約14℃，年日照時數(shù)多，無霜期長，年平均降水量為627.5～722.9mm。灘面寬闊，有高、中、低灘之分，由于主河槽屬于游蕩性河槽，擺動頻繁，洪水漫灘機會多，所以中灘和低灘水草植被豐富，而高灘區(qū)主要以果林、速生林為主。多年來，黃河(開封段)灘區(qū)面積始終在不斷變化中，呈現(xiàn)高、中灘地面積除個別年份減少外，均逐年增加，低灘地面積除個別年份外，均呈逐年減少的趨勢，但總體來說“三灘”在一定程度上其范圍是逐漸擴大的[1]。因此，灘區(qū)土地面積、利用類型、植被生長情況、新增綠化、植被覆蓋率、植被恢復(fù)率、建群種格局等都可能有所變化，這些變化很長時間都是依靠載人航空、衛(wèi)星遙感技術(shù)甚至是人工進行測量提取的，費時費工，也不夠準(zhǔn)確。

近些年，隨著無人機技術(shù)不斷進步與發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。由于無人機可以搭載不同性能的傳感器以便獲取不同時空下匹配的數(shù)據(jù)源，以彌補地面人工監(jiān)測及載人航空、衛(wèi)星遙感之間的尺度不足。所以很多省市的森林資源監(jiān)測包括森林防火、防病蟲害監(jiān)測、生境調(diào)查研究、森林參數(shù)信息的提取等都用到了無人機遙測技術(shù)，而且取得了良好的效果。因此，作為衛(wèi)星遙感與載人航空遙感的有力補充，無人機遙感可以對黃河(開封段)灘區(qū)土地利用類型及植被群落變化做全方位無死角的探測，可以充分彌補衛(wèi)星遙感與載人航空遙感的不足。

1 無人機遙測技術(shù)的優(yōu)點

1.1 無人機類型多，應(yīng)用廣泛

無人機的分類方法多樣，類型豐富，按平臺類型可分旋翼無人機、固定翼無人機、傘翼無人機、無人直升機等；按用途可分軍用無人機和民用無人機；按尺度可分為微輕型無人機、大小型無人機；按動力能源可分油動無人機和電動無人機。無論哪種類型，無人機遙測技術(shù)主要都是利用先進的無人駕駛飛行器和遙感傳感器設(shè)備，通過低空獲取地面影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合遙感技術(shù)完成數(shù)據(jù)處理和模型建立[2]。目前基于無人機的技術(shù)與特點，其已被廣泛應(yīng)用于軍用與民用的各個領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)植保、水土保持、災(zāi)難救援、城市規(guī)劃、國土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、邊防監(jiān)控等行業(yè)。目前應(yīng)用于森林植被領(lǐng)域的無人機主要有旋翼無人機、固定翼無人機、無人直升機等。其中，多旋翼無人機起降方便，無嚴(yán)格場地要求，可在空中精準(zhǔn)懸停，因此，在林區(qū)調(diào)查受限程度小，但其續(xù)航能力弱，適合小區(qū)域精細(xì)尺度的植被資源調(diào)查；固定翼無人機飛行速度快，但起降受環(huán)境限制，不能在空中精準(zhǔn)懸停，但其擅長長距離航行，適合大區(qū)域的植被資源調(diào)查。

1.2 信息、電子、智能化強

無人機遙測技術(shù)在信息采集方面能夠很快完成高精度采集和信息傳輸，在采集處理局部信息特別是重點核查范圍內(nèi)的影像信息，其傳輸效率較高、結(jié)果準(zhǔn)確。無人機遙測是以無線電操控設(shè)備，利用傳感器進行圖像信息的獲取并可無線傳輸數(shù)據(jù)，在飛行過程中若遇到故障，可啟動自檢功能自動返航以待工作人員排除故障。借助計算機技術(shù)對所獲取的圖像信息進行加工處理，因此其自動化、智能化強，優(yōu)越于傳統(tǒng)的圖像信息采集。

1.3 快捷靈活，持久性強

無人機體積小，組裝便利，攜帶方便，對起降場地要求不高，一人即可操作。無人機遙測自帶雷達(dá)，穿透能力強，可低空飛行，不受空間與地形限制，不受云層影響，可飛達(dá)人力無法達(dá)到的高度，可采集極度危險區(qū)域的信息數(shù)據(jù)。無人機還有連續(xù)作業(yè)強、獲取信息廣的特點，據(jù)報道在水土保持調(diào)查研究中，一臺無人機在12h內(nèi)可獲取近300km線狀工程的航空影像[3]。

1.4 測量數(shù)據(jù)全面，精確度高

無人機在飛行時獲得的圖像數(shù)據(jù)是實時傳輸?shù)?，可以第一時間獲取最新信息，真正做到了數(shù)據(jù)獲取的實時性和全面性。無人機在航拍時可以是宏觀的，可以高空大面積航拍，得到想要的各個角度的高清影像，也可低空選擇某一拍攝地段有針對性地實施拍攝。無論是低空還是高空均可獲得高清晰度的視頻、照片及數(shù)字正射影像，且對應(yīng)的成果可達(dá)到分米級或厘米級，提高了相關(guān)數(shù)據(jù)的精度。

2 無人機遙測技術(shù)監(jiān)測黃河(開封段)植被群落的必要性分析

2.1 影像資料獲取容易

黃河大堤(開封段)植物延綿百十公里，植被類型豐富，以農(nóng)作物為主，喬灌草搭配，果林、木材林居多，多年來一直依靠人工進行長度、寬度、面積、土地利用類型、植被恢復(fù)率、覆蓋率等的測量，人力物力耗資大，計算復(fù)雜、時間長且不精確。黃河灘區(qū)緊靠黃河，開封段又屬于游蕩性河床，用地類型、植被占地面積、類型都可能隨著黃河的游蕩而發(fā)生變化。黃河大堤兩側(cè)特別是灘區(qū)立地條件差異性大，有些地方危險系數(shù)高，人力難以到達(dá)。采用無人機技術(shù)可以搭載多種不同類型的傳感器，如高分相機可獲取高達(dá)厘米級的清晰影像，間接提取樹冠參數(shù)信息等；多光譜相機獲取的多光譜影像可進行林木植被生長的監(jiān)測；高光譜成像儀可獲取高光譜的遙感影像用于灘區(qū)生物多樣性及植被病蟲害的監(jiān)測等。除此之外，搭載熱成像儀傳感器可獲取熱紅外波段信息，對研究灘區(qū)農(nóng)作物抗旱性指標(biāo)及預(yù)防森林火災(zāi)有重要的意義。利用無人機攝影測量系統(tǒng)和無人機激光雷達(dá)系統(tǒng)高空或低空飛行航拍可以很好地完成大范圍的土地、植被類型等的監(jiān)測調(diào)查。清晰展示灘區(qū)林木區(qū)域范圍、樹種及伐區(qū)情況，減少外業(yè)工作的強度和危險系數(shù)[4]。

2.2 指標(biāo)信息豐富，精確度高

采用無人機遙測技術(shù)對黃河大堤(開封段)灘區(qū)植被的面積、類型、植被覆蓋率、植被恢復(fù)率等數(shù)據(jù)可直接提取，原有面積、新增綠化面積可間接得到。植物類型群落所處的坡向、坡度、維度、經(jīng)度均可通過無人機矢量化遙測技術(shù)實現(xiàn)。通過無人機的低空攝影測量和遙感技術(shù)也可對黃河大堤兩側(cè)植物群落和種群格局進行研究，其具有獲取植被林冠層影像圖分辨率高、精確度高、重疊率大、姿態(tài)角大、相幅小、數(shù)量多等特點[5]，并已經(jīng)成為了許多學(xué)科工作發(fā)展的方向。通過拍攝林木的樹冠遙感影像，可以對樹冠面積、直徑大小、樹維進行分析和研究，來預(yù)測和評估整個灘區(qū)林木材積等生物量信息[6]。

2.2.1 灘區(qū)林分樹種組成信息獲取

早在2016年，國內(nèi)就有基于微型無人機遙感的亞熱帶林冠物種識別報道，通過無人機平臺搭載的相機提取林冠層輪廓、紋理、顏色、結(jié)構(gòu)等信息可識別多種甚至幾十種冠層物種[7]。也有國外報道可在無人機上同時搭載激光雷達(dá)和高光譜相機以獲取更準(zhǔn)確的樹種組成信息[8]。黃河(開封段)灘區(qū)林分多集中在中高灘地，分布比較均勻，有利于無人機對其冠幅輪廓、紋理、顏色、結(jié)構(gòu)、物候等空中監(jiān)測，以便更好地進行物種識別。

2.2.2 灘區(qū)林分冠層結(jié)構(gòu)指標(biāo)測定

森林冠層信息可通過無人機搭載激光雷達(dá)集成高分辨率無人機影像和激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)獲取。黃河(開封段)高灘林分主要以速生林和果林為主，背景簡單，可利用無人機配備高分?jǐn)?shù)碼相機獲取真彩無人機圖像，從無人機影像中得到其冠層蓋度面積、葉聚叢和葉面積指數(shù)等估計值，間接預(yù)測樹木的胸徑。

2.2.3 灘區(qū)林分樹高及生物量測定

目前報道最多最新的是利用無人機攝影測量系統(tǒng)和激光雷達(dá)來測定林分樹高指標(biāo)，以便估測林分生物量、蓄積量和儲碳量等。一般所指的林分樹高提取是指單木和林分樣地水平。有報道通過無人機攝影測量系統(tǒng)拍攝的影像可以還原樹木3D密集點云，再通過算法自動識別樹冠以及樹木周圍地面點高程估測樹木高度，且樹高估測誤差較小[9]?；跓o人機可以獲取林冠幅度面積、胸徑、林分樹高等數(shù)據(jù)信息，通過建立樹冠面積和地上生物量回歸模型，可精確算出單木地上生物量，間接得到總生物量。

2.2.4 灘區(qū)植被病蟲害監(jiān)測

黃河(開封段)灘區(qū)高灘以林木為主，中低灘除了濕地以水草為主外，大面積都種植農(nóng)作物，包括小麥、油菜、豌豆、花生等。無論哪種生態(tài)系統(tǒng)每年都面臨著病蟲害的侵?jǐn)_，因此灘區(qū)植被病蟲害監(jiān)測特別是農(nóng)林作物是灘區(qū)植被病蟲害防治的基礎(chǔ)。病蟲害發(fā)生期，受影響的農(nóng)林作物會表現(xiàn)出相應(yīng)的病理變化，如黑斑、葉枯、萎蔫、倒伏、黃化以及冠層異常反射特征變化等。對于這些病蟲害監(jiān)測通常采用地面人工調(diào)查方法，費時費力費錢，采用無人機遙感通過搭載高分辨率相機和多種傳感器，可精確及時地捕捉到這些異常影像，及時采取治療措施，既達(dá)到了防治效果又節(jié)約了人力資源。

2.3 為林業(yè)生態(tài)工程規(guī)劃和設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐

僅依靠傳統(tǒng)的方法和技術(shù)手段對黃河生態(tài)修復(fù)建設(shè)進行規(guī)劃和設(shè)計，就會出現(xiàn)對實際情況掌握有偏差，對一些規(guī)劃編制基礎(chǔ)資料掌握不夠詳細(xì)，不夠準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致規(guī)劃設(shè)計可能出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象。利用無人機和遙感技術(shù)可快速準(zhǔn)確獲取影像數(shù)據(jù)，再通過計算機及后期的軟件處理，可實現(xiàn)水文水資源、地形地貌、植被、土地利用類型等自然環(huán)境地表信息的提取，為黃河(開封段)生態(tài)修復(fù)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)提供第一手前期調(diào)研基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)，以便于更好地進行森林景觀三維重建、植被物候變化分析和樹種分類[6]，增強林業(yè)生態(tài)工程的預(yù)見性、計劃性和目標(biāo)性，為更好地編制立地類型表、林業(yè)生態(tài)工程典型設(shè)計和森林經(jīng)營類型表提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3 無人機遙測技術(shù)引進模式探討

無人機的引進方式有多種，相關(guān)的林業(yè)部門可以建議政府采購，單獨引進，供應(yīng)商負(fù)責(zé)培訓(xùn)；也可以和相關(guān)的農(nóng)業(yè)科研院所及測繪單位進行項目合作引進；或者和高校單位進行科研項目合作引進。筆者在高校從事多年的教學(xué)與科研工作，知曉很多高校特別是以培養(yǎng)技能性人才為主的職業(yè)院校，更注重創(chuàng)建“校企融合，學(xué)工一體”的人才培養(yǎng)模式。對于具有測量專業(yè)的高校來說，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的測繪知識，無人機的引入，能使學(xué)生從理論知識學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)入到技能實踐操作，更好地將其所學(xué)發(fā)揮到極致。并且很多高校有自己的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，學(xué)生也更愿意去探索，加入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，組建創(chuàng)新團隊、社團等。與高校合作，引入無人機，在學(xué)生進行操作學(xué)習(xí)的過程中，更能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性，實現(xiàn)校企的優(yōu)勢互補，走向產(chǎn)學(xué)研的合作道路?？梢試L試在高等院校構(gòu)建校企無人機航拍培訓(xùn)體系，既解決了學(xué)生從培訓(xùn)到就業(yè)的整個過程，又達(dá)到學(xué)生畢業(yè)后能被企業(yè)“拿來就用”的需求[10]。同時“工學(xué)結(jié)合”、“校企聯(lián)合”、“項目引入”又能讓學(xué)生為林業(yè)部門等企事業(yè)單位更好地開展相關(guān)無人機遙測任務(wù)，滿足植被群落監(jiān)測及相關(guān)科研任務(wù)的需要。

4 結(jié)語

黃河(開封段)處于黃河的下游，河灘面積廣大，植被群落較好。為了能更好地保護其生態(tài)環(huán)境，造就人民的幸福河，要更好對其進行合理的設(shè)計規(guī)劃。無人機小巧便捷、靈活機動、目標(biāo)性強、受天氣干擾小、分辨率高、精確度好，能夠迅速準(zhǔn)確得到目標(biāo)影像數(shù)據(jù)，為黃河(開封段)灘區(qū)植被群落格局合理的分布及人們生產(chǎn)生活生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化提供可靠依據(jù)。