基于無人機(jī)遙感的黑龍江南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)駝鹿種群數(shù)量及空間分布調(diào)查

王劭文，王東亮 ，凌成星，張 軍，金 躍，劉曙光

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院，阜新，123000；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100101；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京，100091；4.大興安嶺林業(yè)集團(tuán)公司，大興安嶺地區(qū)，165000；5.黑龍江南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，大興安嶺地區(qū)，165000）

目前，野生動(dòng)物數(shù)量調(diào)查主要分為地面調(diào)查和遙感調(diào)查，其中地面調(diào)查包括樣線法、樣帶法、大樣方法和非損傷性CMR 法等。從20 世紀(jì)90 年代開始陸續(xù)有學(xué)者對(duì)有蹄類動(dòng)物的種群數(shù)量開展調(diào)查［1-4］。劉輝等［5］對(duì)比了4 種數(shù)量調(diào)查方法對(duì)北方冬季有蹄類動(dòng)物種群數(shù)量的估算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大樣方法和非損傷性CMR法的估算結(jié)果較為準(zhǔn)確。吳娛等［6］采用樣帶法和樣方法調(diào)查得到阿爾金山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)藏野驢（Equus kiang）、野牦牛（Bos grunniens）的種群數(shù)量。上述研究表明，采用地面調(diào)查方法調(diào)查野生動(dòng)物可準(zhǔn)確地獲取動(dòng)物棲息地的環(huán)境參數(shù)，但大范圍地面調(diào)查耗費(fèi)的人力和時(shí)間成本均較高，也易受地形和環(huán)境因素的影響。

隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。在野生動(dòng)物調(diào)查領(lǐng)域中，遙感監(jiān)測調(diào)查可分為衛(wèi)星遙感調(diào)查和航空遙感調(diào)查，其中衛(wèi)星遙感調(diào)查具有快速、宏觀的特點(diǎn)，多用于野生動(dòng)物生境分析、空間分布預(yù)測和棲息地生態(tài)容量分析等［7-8］。陳智等［9］通過對(duì)MSS 影像和TM 影像的處理及分析，總結(jié)了白頭葉猴（Trachypithecus leucocephalus）棲息地景觀格局的變化特征；Platonov 等［10］使用GeoEye 高分辨率衛(wèi)星影像檢測海洋哺乳動(dòng)物及其活動(dòng)痕跡?；诤娇者b感的野生動(dòng)物調(diào)查是利用有人飛機(jī)或無人機(jī)獲取航空影像作為調(diào)查數(shù)據(jù)，通過處理和解譯影像識(shí)別動(dòng)物個(gè)體，具有調(diào)查效率高、影像空間分辨率高和樣帶布設(shè)不受地形和環(huán)境限制的優(yōu)勢，但有人飛機(jī)的野生動(dòng)物調(diào)查存在成本較高、噪音干擾野生動(dòng)物和起降條件要求較為嚴(yán)格等缺點(diǎn)［11］，而無人機(jī)遙感（unmanned aerial vehicle remote sensing，UAVRS）調(diào)查具有高空間分辨率、可在云下飛行觀測、靈活高效和對(duì)調(diào)查對(duì)象無干擾等優(yōu)勢，如Hodgson 等［12］將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于熱帶和極地環(huán)境中的野生動(dòng)物監(jiān)測上；邵全琴等［13］利用固定翼無人機(jī)對(duì)瑪多縣內(nèi)食草動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查研究；Prosekov等［14］在俄羅斯薩拉伊爾自然保護(hù)區(qū)使用搭載熱紅外相機(jī)的無人機(jī)監(jiān)測駝鹿。無人機(jī)在動(dòng)植物監(jiān)測和生物多樣性保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊［15-17］，能夠?yàn)橐吧鷦?dòng)植物調(diào)查提供一種高效便捷的方式。

本研究利用無人機(jī)搭載可見光傳感器生成調(diào)查樣帶，根據(jù)樣帶解譯結(jié)果估算南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)駝鹿種群數(shù)量，結(jié)合保護(hù)區(qū)的數(shù)字高程模型（digital elevation model）、土地覆蓋數(shù)據(jù)等，利用Arc-GIS軟件統(tǒng)計(jì)分析駝鹿的生境選擇，以期為野生動(dòng)物保護(hù)及棲息地監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（51°6′～51°40′ N，125°8′～125°50′ E）是我國唯一的寒溫帶水域內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護(hù)區(qū)，是大興安嶺生態(tài)示范區(qū)重要組成部分，位于大興安嶺東部林區(qū)東南部（圖1），地處大興安嶺山脈伊勒呼里山南麓，屬寒溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季變化顯著，年均氣溫-3 ℃，最高氣溫37.5 ℃，年均風(fēng)速2.0 m/s。保護(hù)區(qū)屬低山丘陵地貌，北部高聳，南部平緩，海拔370～ 1 044 m，面積為2 283.24 km2，駝鹿分布核心區(qū)約為542.48 km2。保護(hù)區(qū)內(nèi)植物61 科442 種，其中國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物6 種，蘭科（Orchidaceae）植物 6種；野生動(dòng)物309種，其中獸類49種、鳥類216種、兩棲爬行類和魚類44種，國家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物9種，國家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物47種［18］。

圖1 研究區(qū)位置及紅外相機(jī)拍攝的駝鹿Fig.1 Location of the study area and moose photographed by infrared camera

2 研究方法

2.1 無人機(jī)航拍作業(yè)

2022年3月23日—4月1日，在南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)利用無人機(jī)對(duì)駝鹿開展調(diào)查。航拍作業(yè)選擇在天氣晴朗、低空和無云霧的適宜條件下進(jìn)行，無人機(jī)飛行高度為300～380 m，影像空間分辨率為5～ 7 cm。采用系統(tǒng)分層抽樣法布設(shè)樣帶，航拍共布設(shè)23 條調(diào)查樣帶，核心區(qū)布設(shè)17 條樣帶，金礦區(qū)域布設(shè)6 條樣帶。調(diào)查樣帶長4～11 km，寬1.2～2.0 km，樣帶總長為187 km。由于受南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)冬季自然條件的限制，綜合考慮無人機(jī)起降位置、搭載設(shè)備車輛的可達(dá)性和無人機(jī)作業(yè)能力等因素，無人機(jī)飛行作業(yè)主要沿河流沿線開展。

調(diào)查樣帶設(shè)計(jì)依據(jù)2011 年國家林業(yè)局發(fā)布的“全國第二次陸生野生動(dòng)物資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程”（http：//www.forestry.gov.cn/sites/main/main/gov/content.jsp？TID=1817），綜合考慮地形、土地覆蓋數(shù)據(jù)、植被覆蓋度、植被類型及保護(hù)區(qū)內(nèi)紅外相機(jī)捕捉到的駝鹿點(diǎn)位（圖1）等因素，將駝鹿已知出現(xiàn)點(diǎn)位作為重點(diǎn)調(diào)查區(qū)域，選用垂起固定翼無人機(jī)作為數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)，該機(jī)翼展2.2 m，有效荷載3.0 kg，續(xù)航時(shí)間1.5 h。

2.2 無人機(jī)影像拼接及解譯

將無人機(jī)影像進(jìn)行正射糾正、拼接和勻色等影像數(shù)據(jù)處理，得到樣帶的數(shù)字正射影像（圖2），拼接完成的有效面積為206.9 km2。

圖2 樣帶拼接結(jié)果Fig.2 Sample tape splicing results

在建立駝鹿解譯標(biāo)志庫的基礎(chǔ)上，使用目視解譯方式識(shí)別和統(tǒng)計(jì)駝鹿種群個(gè)體，估計(jì)種群數(shù)量。在目視解譯中，按照遙感解譯的色調(diào)、顏色、紋理和陰影等要素特征，結(jié)合駝鹿活動(dòng)規(guī)律和習(xí)性，建立駝鹿影像解譯標(biāo)志（表1）。

表1 春季駝鹿及易混淆的地物識(shí)別特征Tab.1 Identification characteristics of spring moose and other confusing features

根據(jù)解譯結(jié)果，發(fā)現(xiàn)駝鹿多單獨(dú)活動(dòng)，偶爾聚集呈小群（多數(shù)群體為2～7 只），常見單獨(dú)、2 或3 只活動(dòng)個(gè)體。駝鹿主體呈棕褐色、灰色等保護(hù)色，與枯樹樁及土墩顏色較接近。群體較分散。

2.3 駝鹿數(shù)量估算

根據(jù)樣帶調(diào)查結(jié)果，采用直接估算法估算南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)駝鹿的種群數(shù)量，估算方法為：

式中：為調(diào)查區(qū)域內(nèi)駝鹿平均密度，zi為無人機(jī)調(diào)查樣帶面積，yi為無人機(jī)調(diào)查樣帶中駝鹿數(shù)量；為駝鹿分布密度的置信區(qū)間（置信概率取80%，自由度為n-1），t為分布表中的值，SD為標(biāo)準(zhǔn)差；N為調(diào)查區(qū)域內(nèi)駝鹿種群數(shù)量的估算結(jié)果，A為調(diào)查區(qū)域的總面積；P為調(diào)查精度。

2.4 棲息地生態(tài)因子

選取地形因子、植被因子、水源和道路分析駝鹿的棲息地選擇性。生態(tài)因子數(shù)據(jù)來源：30 m 分辨率DEM 數(shù)據(jù)來源于ASTER GDEM；坡度根據(jù)DEM 數(shù) 據(jù)提取；植被類型根據(jù)1∶100 萬中國植被圖提取，1∶100 萬中國植被圖來源于國家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”（http：//westdc.westgis.ac.cn）；土地覆蓋數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)網(wǎng)站（http：//www.globeland30.org）；中國多年度地市行政區(qū)劃邊界數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)注冊(cè)與出版系統(tǒng)［19］。

3 結(jié)果

3.1 樣帶調(diào)查結(jié)果

利用2022 年春季獲取的17 818 張無人機(jī)航拍影像統(tǒng)計(jì)駝鹿的種群數(shù)量。如圖3 所示，在保護(hù)區(qū)核心區(qū)布設(shè)17 條無人機(jī)樣帶（樣帶1～14 和21～23），在金礦區(qū)域布設(shè)6條無人機(jī)樣帶（樣帶15～20），種群密度為0.354只/km2，其中，樣帶18內(nèi)發(fā)現(xiàn)駝鹿數(shù)量最多（6只），占總數(shù)的16.7%，種群密度為0.462只/km2；樣帶17 內(nèi)發(fā)現(xiàn)駝鹿4 只，該架次的駝鹿種群密度最大，為0.620 只/km2；樣帶2、4、5、12、13、19、21、22 和23中未發(fā)現(xiàn)駝鹿。

圖3 駝鹿調(diào)查點(diǎn)位分布Fig.3 Moose distribution sites

3.2 駝鹿種群數(shù)量

共布設(shè)23 條無人機(jī)樣帶，樣帶長4～11 km，寬1.2～2.0 km。根據(jù)無人機(jī)樣帶調(diào)查結(jié)果，置信概 率選取80%，通過統(tǒng)計(jì)分析得到研究區(qū)面積為 2 283.24 km2，共發(fā)現(xiàn)駝鹿36 只，駝鹿種群密度為（0.174±0.038）只/km2，種群數(shù)量為310～484 只，調(diào)查精度P=78.11%。

3.3 駝鹿分布規(guī)律

按照上述估算方法對(duì)生態(tài)因子的區(qū)間進(jìn)行分類，計(jì)算柵格數(shù)據(jù)提取駝鹿點(diǎn)位的生態(tài)因子（圖4），駝鹿分布點(diǎn)位疊加棲息地環(huán)境因素柵格數(shù)據(jù)分析得到駝鹿空間分布。

圖4 駝鹿分布點(diǎn)位的生態(tài)因子分析Fig.4 Analysis of ecological factors of the moose distribution sites

利用選擇指數(shù)計(jì)算得出樣帶內(nèi)駝鹿對(duì)生態(tài)因子的選擇傾向，將地形因子和植被因子按等級(jí)區(qū)間統(tǒng)計(jì)駝鹿的選擇偏好指數(shù)（表2），結(jié)果表明：根據(jù)地形因子分析，春季駝鹿偏好選擇在海拔400～500 m 的區(qū)域內(nèi)活動(dòng)，該區(qū)間內(nèi)駝鹿的數(shù)量占總數(shù)的77.8%，海拔超過600 m 區(qū)域沒有駝鹿分布；在坡度0°～6°區(qū)域，駝鹿數(shù)量占總數(shù)的86.1%，在坡度＞6°～9°區(qū)域駝鹿數(shù)量占總數(shù)的8.3%。根據(jù)植被因子分析，駝鹿對(duì)溫帶落葉闊葉林有偏好，占總數(shù)的72.2%，在寒溫帶和溫帶山地針葉林內(nèi)有少量駝鹿分布，占總數(shù)的19.5%。對(duì)于水源地和公路，駝鹿偏好選擇距水源1～3 km、距公路超過5 km的區(qū)域。

表2 駝鹿春季生境選擇中生態(tài)因子的分布頻次Tab.2 Frequency of distribution of ecological factors in spring habitat selection of moose

4 討論

無人機(jī)遙感是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源、環(huán)境和事件等空間遙感信息的優(yōu)勢，并能實(shí)時(shí)處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案［20］。與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，無人機(jī)遙感技術(shù)在對(duì)中大型動(dòng)物的監(jiān)測中，具有對(duì)外界干擾因素的抵抗能力更強(qiáng)，不易受氣候、天氣和地面植被等因素的干擾和影響等特點(diǎn)，從而能有效實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測。但該技術(shù)也存在不足，如熱紅外成像、激光雷達(dá)等傳感器與可見光傳感器的圖幅不一致，缺乏準(zhǔn)確的棲息地動(dòng)植物分布、植被生長信息及地形地貌數(shù)據(jù)，不能充分為野生動(dòng)物的分布規(guī)律提供參考依據(jù)。

為了解南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)駝鹿的種群數(shù)量及空間分布，采用無人機(jī)遙感調(diào)查代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工地面調(diào)查，提高了調(diào)查效率。本次航拍時(shí)間為 3—4月，大興安嶺地區(qū)地表大部分區(qū)域被雪覆蓋，有少量土堆、木樁等地物在可見光影像中易與駝鹿混淆，后期可考慮搭載熱紅外相機(jī)同步獲取可見光和熱紅外影像，作為影像解譯的輔助手段，提升駝鹿辨識(shí)準(zhǔn)確率。此外，本次調(diào)查受新冠疫情等影響，未同步開展地面調(diào)查，后期將考慮增加地面與無人機(jī)同步調(diào)查，相互驗(yàn)證提升結(jié)果的可靠性。

本調(diào)查結(jié)果表明，南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)駝鹿的種群密度為（0.174±0.038）只/km2，種群數(shù)量為310～484 只。金礦區(qū)域（樣帶15～20）發(fā)現(xiàn)17 只駝鹿，種群密度為0.354 只/km2，種群密度遠(yuǎn)高于整個(gè)保護(hù)區(qū)的駝鹿平均種群密度，表明駝鹿在金礦附近活動(dòng)較為頻繁。由于受南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)冬季自然條件的限制，綜合考慮無人機(jī)起降位置、搭載設(shè)備車輛的可達(dá)性和無人機(jī)的作業(yè)能力等因素，樣帶主要分布在核心區(qū)及東部金礦區(qū)域。由于樣帶的不均勻分布，無法確定其他未抽樣區(qū)域的駝鹿種群密度，導(dǎo)致估算結(jié)果可能存在一定偏差。采用目視解譯的方式識(shí)別動(dòng)物的識(shí)別精度較高，但解譯時(shí)間較長，未來可擴(kuò)大調(diào)查區(qū)域面積以獲取足夠的駝鹿樣本，利用目標(biāo)檢測算法等深度學(xué)習(xí)方法自動(dòng)識(shí)別及提取動(dòng)物個(gè)體樣本，以提高解譯工作的效率。

5 結(jié)論

本研究提出一種基于無人機(jī)遙感調(diào)查大型野生動(dòng)物種群數(shù)量和分布規(guī)律的方法，進(jìn)而分析野生動(dòng)物對(duì)相關(guān)生態(tài)因子的選擇，提供一種適用于大面積區(qū)域野生動(dòng)物種群數(shù)量調(diào)查的技術(shù)手段。本研究利用2022 年春季開展的無人機(jī)航拍調(diào)查結(jié)果，估算了南甕河國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)駝鹿的空間分布和生境選擇偏好，23 個(gè)調(diào)查樣帶中，樣帶18 發(fā)現(xiàn)的駝鹿數(shù)量最多，占所有樣帶發(fā)現(xiàn)駝鹿總數(shù)的16.7%，該樣帶內(nèi)駝鹿的種群密度為0.462 只/km2，樣帶1、3、6、7、8、9、10、11、14、15、16、17、18 和20 中存在駝鹿分布（圖3）。在無人機(jī)調(diào)查樣帶中共發(fā)現(xiàn)36 只駝鹿，駝鹿的種群密度為（0.174±0.038）只/km2。通過直接估算法計(jì)算出保護(hù)區(qū)內(nèi)駝鹿的種群數(shù)量為310～484只。