無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在海草床調(diào)查中的試點(diǎn)應(yīng)用

陳春華，蔡紹孟，劉建波，宋長(zhǎng)偉，丁翔宇

(1.海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院，海南 ?？?570126；2.海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 572022；3.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100)

海草床是典型海洋生態(tài)系統(tǒng)之一，廣布于熱帶和溫帶的海岸帶[1-2]，承擔(dān)著營養(yǎng)循環(huán)、潮間帶及潮下帶基質(zhì)沉積和穩(wěn)定、海洋生物棲息場(chǎng)所與食物來源等重要的生態(tài)服務(wù)功能，它們與海藻每年產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值高達(dá)1.9萬億美元[3]。海草研究正成為海洋生態(tài)與保護(hù)工作中關(guān)注的熱點(diǎn)，沿海各國紛紛進(jìn)行海草分布監(jiān)測(cè)[4]、種類調(diào)查[2]、修復(fù)重建[5]等研究工作。國內(nèi)海草研究工作起步晚，1979年開始才有零星報(bào)道[6-7]。近年來我國的海草研究報(bào)道較多[8-9]，海南島的潟湖、港灣、河口為海草的生長(zhǎng)繁衍提供了優(yōu)越的條件，使之成為我國海草種類最多、分布最廣的地區(qū)之一[8]，但面臨退化風(fēng)險(xiǎn)[9]；對(duì)海南省生態(tài)監(jiān)控區(qū)調(diào)查工作已持續(xù)了16 a，積累了海南海草床的生態(tài)狀況和時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，對(duì)于海草床生態(tài)監(jiān)控區(qū)的監(jiān)測(cè)方法以實(shí)地調(diào)查為主，通過布設(shè)斷面和拍攝統(tǒng)計(jì)采樣點(diǎn)信息，得到海草的分布狀況[10-14]，該方法局限在小范圍的空間內(nèi)調(diào)查，存在代表性和可比性差的問題。

隨著無人機(jī)航拍技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，國內(nèi)很多學(xué)者認(rèn)為可以將該技術(shù)應(yīng)用于森林和植被等領(lǐng)域[15-16]，但目前運(yùn)用無人機(jī)在監(jiān)測(cè)海草資源的報(bào)道較少，主要原因是：①受海面水體反射光的影響，出現(xiàn)高光、海面反射等因素干擾，影像數(shù)據(jù)圖像不能很好的反映水下監(jiān)測(cè)目標(biāo)的情況；②海面無特征點(diǎn)、潮汐、波浪動(dòng)態(tài)變化等問題導(dǎo)致拍攝的照片無法拼接成完整遙感圖。本研究通過飛行方案設(shè)計(jì)，采用無人機(jī)航拍技術(shù)得出高分辨率的海草資源分布航拍圖，并得到精確的海草分布情況和研究區(qū)域中海草集中分布區(qū)的占比，該方法可以應(yīng)用于海南省其它海域的海草分布調(diào)查，掌握海南省的海草分布情況，對(duì)海草床生態(tài)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南省文昌市東郊鎮(zhèn)南側(cè)東郊椰林近岸海域，寬度為1 000 m的礁砰上，本研究調(diào)查區(qū)范圍為500 m×300 m，其中選擇有代表性的100 m×100 m區(qū)塊作為研究區(qū)，如圖1所示。研究海域水深較淺，離岸500 m范圍內(nèi)水深淺于0.5 m，大潮低潮時(shí)海床露出水面。年平均溫度為24.4 ℃，年均降水量為1 529.8 mm，日照時(shí)數(shù)為2 026 h，位于熱帶北緣，屬于海洋季風(fēng)氣候，潮汐特征為不正規(guī)全日潮類型。常浪向?yàn)镾E向，夏半年SE—S向出現(xiàn)頻率較高，冬半年NE—SE向出現(xiàn)頻率較高。

圖1 研究區(qū)域地理位置Fig.1 Location of research area

1.2 無人機(jī)飛行方案設(shè)計(jì)

1.2.1 飛行參數(shù)、范圍確定和航線設(shè)計(jì) 收集東郊椰林近岸海域的歷史遙感圖，從圖中海草分布范圍選擇航測(cè)區(qū)域，東西向500 m，南北向300 m?；谡{(diào)查區(qū)域與相關(guān)資料進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，確定飛行起點(diǎn)坐標(biāo)并布設(shè)控制點(diǎn)，在遙控器上選取該區(qū)域3個(gè)點(diǎn)及以上即可自動(dòng)生成閉合的飛行區(qū)域，并自動(dòng)生成航線，航跡線如圖2所示。

圖2 無人機(jī)航拍航跡線Fig.2 Flight route of UAV

本研究試驗(yàn)采用大疆精靈Phantom 4 RTK無人機(jī)，配備1英寸2 000萬像素的相機(jī)。飛行參數(shù)：飛行高度為50 m (GSD 1.37 cm/像素)，速度為3.9 m/s，拍攝模式為定時(shí)拍攝，完成任務(wù)后自動(dòng)返航。相機(jī)設(shè)置：照片長(zhǎng)寬比例為3∶2，白平衡為晴天，測(cè)光模式為平均測(cè)光，云臺(tái)角度為-90°。重疊率設(shè)置：旁向重疊率為70 %，縱向重疊率為80 %，邊距設(shè)置為自動(dòng)。

1.2.2 潮汐條件確定 在高潮、中潮時(shí)經(jīng)多次飛行試驗(yàn)均拍攝不清楚海底的海草，本研究選擇在大潮低潮時(shí)進(jìn)行拍攝，表1為與調(diào)查區(qū)鄰近的清瀾站2021年9月至2022年8月的最低潮位數(shù)據(jù)，可以看出每個(gè)月最低潮潮位和對(duì)應(yīng)的時(shí)間，最低潮位范圍為-18～41 cm(理論深度基準(zhǔn)面)，根據(jù)研究區(qū)的水深情況，最低潮位低于30 cm以下，海草裸露，適合航拍。無人機(jī)拍攝適合于白天，即07：00至18:00之間，從表1知2021年9、11、12月，2022年5、6、7、8月是適合無人機(jī)拍攝的時(shí)間，遇到海況大于3級(jí)、下雨不能飛行作業(yè)，一年中可以航拍的天數(shù)有限，在選定的時(shí)間內(nèi)，一旦海況條件允許需做好飛行準(zhǔn)備實(shí)施航拍工作。本研究選取2021年9月5日16:52最低潮時(shí)間前后30 min實(shí)施了無人機(jī)拍攝。

表1 清瀾站一年最低潮位情況Tab.1 A year round monthly lowest tidal level at Qinglan station

飛行高度：飛行范圍為300 m×500 m，飛行高度選取100 m時(shí)需1個(gè)航次，潮汐動(dòng)態(tài)變化造成水深變化和顏色變化幅度小，色帶變化在合理范圍內(nèi)便于數(shù)據(jù)處理，但海底海草分布的清晰度不夠理想；同時(shí)還需考慮低潮時(shí)間只有1 h，潮汐動(dòng)態(tài)變化造成水深變化和顏色變化，選取飛行高度50 m時(shí)，潮汐動(dòng)態(tài)變化造成水深變化和顏色變化的幅度稍大，但海底海草分布的清晰度較理想，拍攝試驗(yàn)最終選取飛行高度為50 m。

1.3 海草航拍圖和海草分布圖的獲取方法

根據(jù)無人機(jī)飛行方案，本次50 m飛行高度獲得原始圖片共922 張，使用PIX4D軟件拼接處理后，生成帶坐標(biāo)信息的高精確海草航拍影像圖，幅面為300 m×500 m。將其分成了15個(gè)區(qū)塊，為了清楚地反映海草航拍效果，選取第7區(qū)塊(100 m×100 m)作為試點(diǎn)研究區(qū)域(圖1)，采用ArcGIS中的 ISO聚類非監(jiān)督分類工具，選取類別數(shù)量為6，對(duì)顏色相近的像元進(jìn)行歸類，利用三維數(shù)據(jù)分析中的等值線工具得出6種類型的等值線，通過屬性表中的折線長(zhǎng)度結(jié)合航拍圖篩選出海草的分布邊界，得出海草分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 海草分布特征

本研究海草床的無人機(jī)航拍結(jié)果如圖3所示。調(diào)查人員在大潮低潮水深小于0.5 m時(shí)，采用水下相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片如圖4所示。

圖3 試點(diǎn)區(qū)域的海草床航拍圖Fig.3 Aerial map of seagrass bed on research area

東郊椰林沿岸海草床位于離岸寬度1 000 m的礁砰上，分布范圍為離岸300 m、水深小于1.5 m的區(qū)域，活珊瑚分布在礁砰的邊緣附近，海草和活珊瑚分布位置不同，這與高隆灣和龍灣的海草分布調(diào)查結(jié)果類似[17]。海草床與珊瑚礁等生態(tài)系統(tǒng)共存，珊瑚礁坪寬廣，珊瑚礁碎屑較多，部分海草生長(zhǎng)在粗顆粒的珊瑚碎屑中。圖3為研究區(qū)的海草分布特征，海草床呈斑塊狀、間隔式分布，這與海南的后海灣、鐵爐港、鹿回頭、西瑁洲島和小東海等的調(diào)查結(jié)果[17]相近，與波浪和潮汐對(duì)海底沉積物塑造有關(guān)，在沖刷區(qū)因動(dòng)力篩選作用，粉砂淤泥量少，海草難于扎根生長(zhǎng)成活。

海草為綠色與海底顏色和大型藻類的顏色明顯不同，采用ArcGIS軟件的顏色分類工具可以獲取海草分布情況。從實(shí)地觀測(cè)到單脈二藥草(Haloduleuninervis)和卵葉喜鹽草(Halophilaovalis)一般在潮下帶較淺有淤泥分布的區(qū)域，海草上吸附著懸浮物，綠色夾雜灰色，采用ISO聚類非監(jiān)督分類方法時(shí)，其分布區(qū)域與其他海草分布區(qū)域顏色也有明顯差別。泰來草(Thalassiahemprichii)優(yōu)勢(shì)分布區(qū)域和珊瑚碎屑堆積的海草分布區(qū)顏色分布也有差別。鄭風(fēng)英等(2013)[18]對(duì)中國海草種類、面積及退化情況進(jìn)行了匯總分析，中國現(xiàn)有海草22種，隸屬于4科10屬，約占全球海草種類數(shù)目的30 %；黃小平等(2016)[19]將22種海草中的16種命名為“藻”，統(tǒng)一重新命名為“草”，并對(duì)個(gè)別種名進(jìn)行了規(guī)范化。根據(jù)這兩位學(xué)者的分類建議，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)東郊椰林近岸海域海草種類有5種，分別為圓葉絲粉草(Cymodocearotundata)、單脈二藥草、海菖蒲(Enhalusacoroides)、泰來草和卵葉喜鹽草，優(yōu)勢(shì)種為泰來草。

泰來草分布面積最大，調(diào)查區(qū)不同水深處均有分布，部分生長(zhǎng)在顆粒較粗的珊瑚碎屑中[圖4(a)、4(b)]；圓葉絲粉草主要在潮間帶低潮帶至潮下帶上部，海底堆積和沖刷區(qū)交界處是密集分布區(qū)域[圖4(c)]，單脈二藥草[圖4(d)]和卵葉喜鹽草主要在潮間帶低潮區(qū)有淤泥分布的區(qū)域，其表層吸附有懸浮物，從現(xiàn)場(chǎng)看卵葉喜鹽草匍匐生長(zhǎng)，航拍圖顏色可以明顯分辨卵葉喜鹽草的分布與其它海草不同，實(shí)地拍攝的照片如圖4(e)、4(f)所示。試驗(yàn)區(qū)海底在珊瑚礁盤的波浪和潮汐塑造作用下，海底主要分布有沙、珊瑚礁、礁石珊瑚碎屑，除海草外有零星珊瑚生長(zhǎng)[圖4(g)]，礁石上有馬尾藻(Sargassum)生長(zhǎng)，其顏色為褐色[圖4(h)]。

2.2 海草分布面積計(jì)算

采用ArcGIS中的 ISO聚類非監(jiān)督分類工具得出的分類結(jié)果如圖5所示。

圖3的航拍影像圖上半部和下半部顏色有明顯不同，這是不同飛行航次、潮高不同、海水顏色變化引起的，從圖5也相應(yīng)看出，同一海底類型有不同的顏色，這會(huì)影響分類結(jié)果。由此得到啟示：無人機(jī)航拍技術(shù)可以應(yīng)用于海草床生態(tài)監(jiān)控工作，合理選擇飛行高度和拍攝范圍確保航拍一架次完成，東郊椰林近岸海域選擇飛行高度50 m，300 m×300 m范圍作為海草床生態(tài)監(jiān)控樣方是合適的，分類結(jié)果才能應(yīng)用于海草蓋度指標(biāo)計(jì)算，進(jìn)而根據(jù)分類矢量數(shù)據(jù)集，利用三維數(shù)據(jù)分析中的等值線工具得出6種類型的等值線，通過屬性表中的折線長(zhǎng)度篩選海草分布邊界，在航拍過程中持續(xù)近1 h，潮高處于動(dòng)態(tài)變化過程，海草分布區(qū)的等值線類別也相應(yīng)變化，一般在2、3、4的等值線，結(jié)合手動(dòng)篩選，篩選出海草密集分布區(qū)后，將等值線轉(zhuǎn)換成等值面，計(jì)算各海草密集分布區(qū)的面積(圖6、表2)。從圖6和表2可知，總面積為10 000.0 m2的試驗(yàn)區(qū)中海草分布面積為2 449.6 m2，占比為24.5 %，海草密集分布區(qū)19的面積最大，為294.8 m2，大于100.0 m2的有8個(gè)，10.0～100.0 m2的有29個(gè)，小于10.0 m2的有91個(gè)?？梢钥闯鲈囼?yàn)區(qū)內(nèi)海草呈塊狀而非連續(xù)成片分布，海底海草分布與波浪和潮汐塑造的海底沙堆積和沖刷的分布狀況有關(guān)，在瑚湖碎屑、沙、淤泥堆積區(qū)適合海草生長(zhǎng)，在沖刷沒有淤泥的區(qū)域基本無海草分布，由此可以推斷海草移植如不考慮這種分布規(guī)律是難以成功的。

圖5 ISO聚類非監(jiān)督分類結(jié)果Fig.5 Results of ISO clustering unsupervised classification

表2 各海草密集分布區(qū)面積的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of seagrass intensive distribution areas

3 結(jié)論

(1)無人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用在海草調(diào)查中，一般情況下存在水面反射、水面動(dòng)態(tài)變化和海面無特征點(diǎn)的影響，航拍圖片無法拼接成影像圖。但海草分布在淺水區(qū)，選擇大潮低潮海草露出水面時(shí)，設(shè)計(jì)飛行高度、飛行時(shí)間，采用無人機(jī)可以拍攝獲得清晰的海草分布影像圖，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以應(yīng)用于海草床調(diào)查。

(2)利用拍攝的影像圖，采用ArcGIS中的 ISO聚類非監(jiān)督分類工具和三維數(shù)據(jù)分析中的等值線工具，結(jié)合手工篩選方法，可以獲取海草分布區(qū)域邊界、斑塊狀邊界和斑塊式邊界內(nèi)海草的分布比例，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證和低空拍攝，得出了海草分布特征，東郊椰林近岸海域海草分布在離岸300 m范圍內(nèi)的珊瑚礁砰上，呈斑塊狀、間隔式分布，在100 m×100 m樣方中海草分布面積為2 449.6 m2,占比為24.5 %。

(3)調(diào)查區(qū)有圓葉絲粉草、單脈二藥草、海菖蒲、泰來草和卵葉喜鹽草等5種海草，泰來草為優(yōu)勢(shì)種。單脈二藥草和卵葉喜鹽草主要在潮間帶有淤泥分布的低潮區(qū)，圓葉絲粉草分布在潮間帶的低潮帶至潮下帶上部，海底堆積和沖刷區(qū)的交界處，泰來草在不同水深處有分布，分布面積最大。

(4)海南海草床生態(tài)監(jiān)控持續(xù)了16 a，調(diào)查采取實(shí)地調(diào)查方法，僅反映出局部區(qū)域的海草床生態(tài)狀況，采用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以覆蓋大面積的海草調(diào)查，得出區(qū)域的總體情況，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以推廣應(yīng)用于海草床生態(tài)監(jiān)控工作。

(5)無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在應(yīng)用于海草床生態(tài)監(jiān)控時(shí)，應(yīng)合理選擇飛行高度和監(jiān)控范圍，確保航拍工作一架次完成。針對(duì)東郊椰林近岸海域選擇飛行高度50 m，飛行范圍300 m×300 m，以便采用聚類非監(jiān)督分類技術(shù)進(jìn)行海草蓋度指標(biāo)計(jì)算。