高娟婷，孫飛達(dá)*，霍 霏，張履冰，周 俗，楊廷勇，邊巴扎西

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，四川 成都 611130；2. 中山大學(xué)生態(tài)學(xué)院，廣東 深圳 518107；3. 四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都 611731；4. 四川省甘孜藏族自治州草原工作站，四川 康定 626000)

無人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)，是一種能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多領(lǐng)域任務(wù)并能通過遙控設(shè)備自主飛行的不載人飛行器[1]。無人機(jī)與遙感技術(shù)的結(jié)合，即無人機(jī)遙感(unmanned aerial vehicle remote sensing，UAVRS)，是以無人機(jī)作為載體，通過搭載相機(jī)(包括可見光相機(jī)、多光譜相機(jī)、熱紅外相機(jī)等)、激光雷達(dá)等各種傳感器，來獲取低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)的平臺(tái)[2]。與傳統(tǒng)的以衛(wèi)星為平臺(tái)的航天遙感相比，無人機(jī)遙感具有云下低空飛行、高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感受云層遮擋獲取不到清晰影像的缺陷，同時(shí)它高時(shí)效、高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)，也是重訪周期長(zhǎng)且離地幾百公里的傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感所不具備的[3-4]。與傳統(tǒng)地面野外調(diào)查相比,無人機(jī)遙感無需耗費(fèi)大量的人力物力、響應(yīng)快、成本低、時(shí)效性強(qiáng)且應(yīng)用范圍廣，是繼傳統(tǒng)航空、航天遙感平臺(tái)之后的第3代遙感技術(shù)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)在生態(tài)監(jiān)測(cè)[5]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[6]、災(zāi)害勘察[7-8]、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[9]、草地生態(tài)監(jiān)測(cè)[10]等領(lǐng)域迅速發(fā)展起來，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題。本文以無人機(jī)技術(shù)在草地資源監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用為前提，探究了該技術(shù)在該領(lǐng)域中的研究?jī)?nèi)容和方法，總結(jié)了目前無人機(jī)技術(shù)存在的問題、限制以及發(fā)展前景。

1 無人機(jī)遙感的系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)組成及工作流程

無人機(jī)遙感系統(tǒng)主要是以無人機(jī)為飛行和搭載平臺(tái)，通過搭載各類傳感器，結(jié)合地面控制與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，獲取地面或空中實(shí)時(shí)影像和各類遙感數(shù)據(jù)[11]。系統(tǒng)組成主要包括地面系統(tǒng)、任務(wù)載荷和飛機(jī)系統(tǒng)，基于其系統(tǒng)組成及工作原理，無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取流程綜合歸納如圖1所示。

圖1 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取流程Fig.1 UAV image data acquisition process

1.2 照片處理技術(shù)

隨著所需處理照片結(jié)果的不同，數(shù)據(jù)處理過程的復(fù)雜性進(jìn)一步加劇。草地動(dòng)植物資源數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在數(shù)據(jù)樣本本身，更體現(xiàn)在草地生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)異構(gòu)、多源和多空間的交叉互動(dòng)上[12]。在草地生態(tài)學(xué)的研究中，對(duì)不同領(lǐng)域不同類型數(shù)據(jù)的需求逐漸增加，這也使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理進(jìn)一步的精細(xì)和精準(zhǔn)化。隨著無人機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件處理技術(shù)的快速發(fā)展，更多的無人機(jī)影像處理研究開始借助軟件的自動(dòng)解譯功能，并通過對(duì)比分析，得出最佳數(shù)據(jù)處理效果圖。

在無人機(jī)影片數(shù)據(jù)處理過程中，PIX4D和Photoscan為最常用的數(shù)據(jù)處理軟件。Pix 4D軟件處理流程為：導(dǎo)入原始照片—填寫各種參數(shù)(照片GPS位置信息、拍攝高度、重疊度等)—獲得具有地理坐標(biāo)的數(shù)字正射影像(digital orthograph model，DOM)、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)、數(shù)字地表模型(digital surface model，DSM)和3D模型圖—軟件自動(dòng)鑲嵌勻色—完成影像的拼接。PhotoScan處理軟件流程為：主動(dòng)創(chuàng)建新項(xiàng)目，導(dǎo)入照片—多照片拼接處理—生成密集點(diǎn)云—結(jié)果輸出數(shù)字高程模型、數(shù)字正攝影像—導(dǎo)出拼接結(jié)果—生成專題圖。PhotoScan軟件根據(jù)圖片的重疊度、坐標(biāo)高程信息，完成圖片的拼接，主要在一些專題圖的生成中應(yīng)用較多，如水土流失面積圖、林草覆蓋圖、土壤侵蝕強(qiáng)度圖等。以上兩類圖片處理軟件中，Pix 4D具有專業(yè)化、簡(jiǎn)單化、一鍵自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，但不能完成照片中土丘、禿斑地的自動(dòng)勾選，PhotoScan主要具有操作簡(jiǎn)單、支持傾斜影像、支持多航高及多分辨率影像的空三處理等優(yōu)勢(shì)，但缺少正射影像編輯修改功能。因此在對(duì)照片信息的提取中，可運(yùn)用多種軟件進(jìn)行度量處理，從而導(dǎo)出可理解的數(shù)據(jù)信息。對(duì)于復(fù)雜草地資源動(dòng)植物數(shù)據(jù)信息的利用，不僅要生成和分析數(shù)據(jù)，而且要使大量數(shù)據(jù)能夠重復(fù)使用和循環(huán)利用[13]，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有資源共享，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1.3 常見傳感器及應(yīng)用領(lǐng)域

可見光、多光譜、高光譜、熱成像儀及激光雷達(dá)等高分辨率數(shù)碼相機(jī)為常見無人機(jī)傳感器[14]，各傳感器的產(chǎn)出結(jié)果、優(yōu)缺點(diǎn)及主要應(yīng)用領(lǐng)域歸納分類如表1所示。

表1 無人機(jī)常見傳感器的產(chǎn)出結(jié)果、優(yōu)缺點(diǎn)及在草地資源中的應(yīng)用Table 1 Output results,advantages and disadvantages of UAV common sensors and application in grassland resources

隨著相關(guān)研究的不斷深入，傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛。不同傳感器獲取的目標(biāo)數(shù)據(jù)不同，但總體而言，可見光相機(jī)、高光譜相機(jī)、多光譜相機(jī)在植物各項(xiàng)數(shù)據(jù)的獲取中應(yīng)用較多，熱紅外相機(jī)因與溫度圖譜密切相關(guān)，在動(dòng)物的研究中被普遍使用,而激光雷達(dá)在獲取植物冠層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，因而更多的用來獲取森林植物生物量以及植被高度。

2 無人機(jī)在草地動(dòng)植物資源監(jiān)測(cè)及管理中的應(yīng)用

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地上重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，在生態(tài)環(huán)境中起著舉足輕重的作用[29-30]。草地資源作為草地生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的一部分，在草地生態(tài)系統(tǒng)體系循環(huán)中具有重要作用。為了對(duì)草地資源進(jìn)行快速、便捷、精準(zhǔn)有效的監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始利用以衛(wèi)星為平臺(tái)的航天遙感進(jìn)行草地植被覆蓋度及生物量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究[31]、草地鼠害監(jiān)測(cè)[32]、草地有蹄類野生動(dòng)物[33]。然而傳統(tǒng)的中低分辨率的衛(wèi)星遙感影像獲取周期長(zhǎng)、易受氣候影響，無法獲取局部區(qū)域地面有效信息[34]。相比衛(wèi)星遙感，無人機(jī)遙感具有的高分辨率、云下獲取影像[35]等特點(diǎn)，能夠顯著降低混合效應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)精度的影響，有效彌補(bǔ)衛(wèi)星航天氣遙感系統(tǒng)在地表分辨率低、重訪周期長(zhǎng)、受水汽影響大等不足，為中小尺度的草地資源監(jiān)測(cè)遙感應(yīng)用研究提供了新的手段。

2.1 無人機(jī)在草地植物資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1.1草地植被覆蓋度監(jiān)測(cè) 草地生態(tài)系統(tǒng)需要垂直的植被結(jié)構(gòu)來評(píng)價(jià)草地的健康狀況。植被蓋度指觀測(cè)區(qū)域內(nèi)植被垂直投影面積占觀測(cè)區(qū)地表總面積的百分比，是反映植被生長(zhǎng)狀況的直接定量指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)及其功能的關(guān)鍵參數(shù)[36]。植被覆蓋度及其隨時(shí)間的變化也被直接用作草地退化、土壤侵蝕和荒漠化的指標(biāo)[37]。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用無人機(jī)遙感對(duì)草地植被覆蓋度監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究。葛靜等[38]在黃河源東部地區(qū)利用無人機(jī)(UAV)、普通數(shù)碼相機(jī)(Canon)、農(nóng)業(yè)多光譜相機(jī)(Agricultural digital camera,ADC)等設(shè)備獲取高寒草地大量相片，結(jié)合相應(yīng)的MODIS NDVI(歸一化植被指數(shù))和EVI(增強(qiáng)型植被指數(shù))數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于UAV,Canon及ADC相片的植被蓋度與MODIS植被指數(shù)之間的反演模型，采用留一法交叉驗(yàn)證方法評(píng)價(jià)各種模型的精度，確立無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)構(gòu)建的草地蓋度反演模型為黃河源區(qū)遙感監(jiān)測(cè)的最優(yōu)模型。宋清潔等[39]在甘南州高寒草地以EVI和NDVI兩種植被指數(shù)為自變量，以無人機(jī)獲取的草地植被覆蓋度數(shù)據(jù)為因變量建立兩種植被指數(shù)間的回歸模型，并以Canon數(shù)碼相機(jī)獲取的草地植被覆蓋度數(shù)據(jù)為真實(shí)值，對(duì)建立的回歸模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，從而篩選出基于EVI構(gòu)建的對(duì)數(shù)模型為研究區(qū)草地植被覆蓋度最優(yōu)反演模型。

考慮到模型精度和穩(wěn)定性對(duì)草地覆蓋監(jiān)測(cè)的影響，Meng等人[40]使用無人機(jī)技術(shù)對(duì)甘南地區(qū)高寒草地覆蓋狀況進(jìn)行了反演模型的比較性研究，基于14個(gè)與草地覆蓋相關(guān)的因子，分別建立了單因素、多因素參數(shù)反演模型和多因素非參數(shù)反演模型，通過交叉驗(yàn)證得出，相對(duì)于單因素和多因素參數(shù)模型，多因素非參數(shù)模型的精度和穩(wěn)定性都較高。在無人機(jī)航拍獲得的植被蓋度和地面測(cè)量的植被蓋度擬合比較好的基礎(chǔ)上，宜樹華等[41]對(duì)比分析了使用無人機(jī)獲取的植被蓋度和地面測(cè)得樣方平均后的植被蓋度與遙感指數(shù)相關(guān)系數(shù)的大小，發(fā)現(xiàn)前者的相關(guān)系數(shù)更大，從而表明使用無人機(jī)可提供高精度的地面蓋度信息。Chen等[42]采用無人機(jī)航測(cè)和地面樣方調(diào)查相結(jié)合的方法，獲得了兩種空間尺度(衛(wèi)星圖像像素尺度和地面樣方尺度)下的植被覆蓋度，并在衛(wèi)星圖像像素尺度下評(píng)估了基于地面采樣法估算的部分植被覆蓋度(FVCground)和無人機(jī)采樣法估算的部分植被覆蓋度(FVCUAV)的精度，同時(shí)選擇了NDVI,EVI,RVI(比值植被指數(shù))、MSAVI(修正型土壤調(diào)整植被指數(shù))等植被指數(shù)，分析了植被指數(shù)與FVC的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)FVCUAV在衛(wèi)星圖像像素尺度上是最精確的。這些研究都使得無人機(jī)技術(shù)在草地植被蓋度監(jiān)測(cè)中得到了進(jìn)一步的應(yīng)用發(fā)展。

2.1.2草地植物地上生物量估算 草地地上生物量是天然草地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究的重要衡量指標(biāo)，是草地資源合理利用和載畜平衡監(jiān)測(cè)的重要依據(jù)[43]。地上生物量可以評(píng)價(jià)草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，評(píng)估草原長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量[44]。在實(shí)際生產(chǎn)條件下，地上生物量的變化可以反映草地生長(zhǎng)及利用程度，可以為草地保護(hù)與管理提供早期預(yù)警和參考閾值。因此，大面積草地地上生物量的精確估算，對(duì)評(píng)估草地資源的應(yīng)用狀況和管理具有重要意義[45]。

Lussem等[46]應(yīng)用低成本UAV圖像數(shù)據(jù)得出的高度特征和紅綠藍(lán)(RGB)波段的植被指數(shù)特征作為估算草地生物量的預(yù)測(cè)指標(biāo),并與通過光譜儀測(cè)量得到的窄帶植被指數(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明通過基于UAV圖像SFM-MVS(Structure from Motion-Multi View Stereo)推導(dǎo)的草皮高度估算草地生物量是可行的。因此，基于無人機(jī)成像傳感器的應(yīng)用是一種具有高時(shí)空分辨率且快速的無損數(shù)據(jù)采集方法。張正健等[47]基于地面實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)和無人機(jī)可見光影像獲取了研究區(qū)草地地上生物量分布，建立了生物量與綠紅比值指數(shù)(GRRI)、綠藍(lán)比值指數(shù)(GBRI)、歸一化綠紅差異指數(shù)(NGRDI)、歸一化綠藍(lán)差異指數(shù)(NGBDI)等的指數(shù)回歸模型；對(duì)比不同波段建立的植被指數(shù)模型，確定了基于紅綠波段的GRRI和NGRDI植被指數(shù)回歸模型對(duì)生物量的模擬和預(yù)測(cè)精度較好，可用于區(qū)域草地生物量的估算。為了快速、有效、準(zhǔn)確的估算天然草地地上生物量，孫世澤等[48]根據(jù)陰陽(yáng)坡不同草地類型和植被種類，運(yùn)用多旋翼大疆無人機(jī)獲取含近紅外波段的高分辨率多光譜影像，結(jié)合地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)草地地上生物量和NDVI,RVI,VDVI,MSAVI,DVI(差值植被指數(shù))5種植被指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析并建立估算模型，結(jié)果表明RVI與陰陽(yáng)坡的草地地上生物量擬合最好、精度最高。無人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)地觀測(cè)的宏觀性、動(dòng)態(tài)性和綜合性使其優(yōu)于傳統(tǒng)的由點(diǎn)到面的野外調(diào)查方法[49]，已成為人類獲取大面積宏觀草地資源信息的重要手段。

2.2 無人機(jī)在草地動(dòng)物資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.2.1草地有蹄類野生動(dòng)物的監(jiān)測(cè) 草地有蹄類野生動(dòng)物的監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)重要而又具有挑戰(zhàn)性的工作，需要投入大量的時(shí)間和資源。傳統(tǒng)野外調(diào)查數(shù)據(jù)的分辨率或比例尺往往與遙感方法獲得的數(shù)據(jù)不匹配[50]，當(dāng)在不同空間尺度內(nèi)對(duì)物種和棲息地進(jìn)行測(cè)試時(shí)，常常導(dǎo)致兩者之間關(guān)系模式的不一致[51]。大量研究表明，在草地有蹄類野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)遙感技術(shù)是可行高效的監(jiān)測(cè)工具[52]。

Torney等[53]部署無人機(jī)系統(tǒng)來收集馴鹿從維多利亞島遷徙到加拿大的航拍畫面，通過對(duì)遷徙馴鹿運(yùn)動(dòng)軌跡的貝葉斯分析[54]，揭示了遷徙馴鹿相互吸引、復(fù)制鄰居方向選擇的精細(xì)互動(dòng)規(guī)律。羅巍等[55]以青海三江源地區(qū)為研究區(qū)，以藏野驢為研究對(duì)象，探討了從無人機(jī)影像中自動(dòng)獲取野生食草動(dòng)物信息并統(tǒng)計(jì)數(shù)量的方法具有速度快、精度高的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，邵全琴等[56]利用無人機(jī)航拍調(diào)查黃河源瑪多縣的藏野驢、藏原羚、藏羊、牦牛等有蹄類動(dòng)物的圖像解譯標(biāo)志庫(kù)，通過人機(jī)交互方式解譯，獲取調(diào)查樣帶內(nèi)的種群數(shù)量。郭興建等[57]使用2臺(tái)無人機(jī)對(duì)黃河源瑪多縣內(nèi)的巖羊進(jìn)行航拍，并利用軟件Pix4Dmapper，LiMapper對(duì)照片拼接處理，通過目視解譯來估算研究區(qū)內(nèi)巖羊的種群數(shù)量和密度，結(jié)合軟件ArcGIS和3S技術(shù)對(duì)其生境進(jìn)行研究分析，從而為高原地區(qū)大型野生動(dòng)物調(diào)查研究提供了新思路。在對(duì)斑馬棲息地的監(jiān)測(cè)中，Xu等[58]利用無人機(jī)輔助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法，將觀測(cè)區(qū)域統(tǒng)一劃分為虛擬網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格包含一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)集群，選擇其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為集群頭接收無線傳感器的數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送給無人機(jī)，無人機(jī)作為一個(gè)移動(dòng)接收器收集數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)模型利用斑馬的真實(shí)移動(dòng)軌跡來探究其活動(dòng)規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的最大視覺感知。仿真結(jié)果表明，該路徑規(guī)劃方法的性能優(yōu)于隨機(jī)和基于TSP的路徑規(guī)劃方法(圖2)。Luis等[59]通過無人機(jī)與熱成像能力和人工智能圖像處理相結(jié)合的系統(tǒng)來定位野生動(dòng)物在其自然棲息地的位置，解決了無人機(jī)圖像中野生動(dòng)物自動(dòng)檢測(cè)的挑戰(zhàn)。近年來，由于航空成像技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)在專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的可能性增加。航空成像可提供詳細(xì)的草原圖像并對(duì)大面積分布的動(dòng)物群落進(jìn)行快速檢測(cè)，是解決草原大型野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)非常有效的工具。

2.2.2草原嚙齒類小型動(dòng)物的監(jiān)測(cè) 近年來，由于全球氣候變化和人類過度利用等綜合因素致使全球草地存在不同程度的退化并日趨嚴(yán)重，鼠害頻發(fā)，因此對(duì)草地害鼠發(fā)生的時(shí)空動(dòng)態(tài)及分布規(guī)律亟待科學(xué)認(rèn)識(shí)和量化評(píng)估。將無人機(jī)運(yùn)用于高寒草地的鼠害面積調(diào)查、鼠害分布監(jiān)測(cè)及評(píng)估是一種新的研究思路。

20世紀(jì) 80年代以來，學(xué)者們陸續(xù)開展了大面積草地遙感技術(shù)應(yīng)用研究和草地鼠害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究，但仍處于探索階段。李博等[60]應(yīng)用“3S”技術(shù)建立了中國(guó)溫帶草地草畜平衡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為探究草地鼠害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了重要基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，一些研究利用“3S”技術(shù)與地面調(diào)查相結(jié)合的方法，通過確定影響草原鼠害發(fā)生的生物及非生物因子，來構(gòu)建基于3S 技術(shù)的鼠類密度監(jiān)測(cè)模型[61]；另有學(xué)者分析了“3S”技術(shù)對(duì)草原鼠害進(jìn)行監(jiān)測(cè)的原理及應(yīng)用，并指出TM遙感影像可作為草原鼠害研究的主要數(shù)據(jù)來源[62]；李培先等[63]運(yùn)用“3S 技術(shù)”結(jié)合實(shí)地采集的GPS數(shù)據(jù)對(duì)阿爾金山草地鼠荒地和鼠害發(fā)生區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和解譯，獲得鼠害發(fā)生面積和分布，并參照鼠害發(fā)生區(qū)植被覆蓋度和海拔等生境特點(diǎn)，來分析鼠荒地和鼠害發(fā)生區(qū)的空間分布特征。還有學(xué)者采用動(dòng)力三角翼和數(shù)碼相機(jī)構(gòu)建的低空遙感平臺(tái)對(duì)鼠荒地進(jìn)行航拍獲取高分辨率草原鼠害影像數(shù)據(jù)，在遙感目視解譯的基礎(chǔ)上利用GIS空間插值和統(tǒng)計(jì)方法獲得了試驗(yàn)區(qū)鼠害的空間分布及危害程度情況[64]；此外，何詠琪等[65]采用“3S”技術(shù)，確定了高程、坡度、坡向、草地類型、土壤類型、EVI 6個(gè)鼠害監(jiān)測(cè)模型主要因子，建立基于“3S”技術(shù)的草原鼠害監(jiān)測(cè)模型，提取了不同鼠害發(fā)生區(qū)和危害區(qū)的閾值。

圖2 無人機(jī)拍攝的4匹斑馬在Nanyuki,Kenya附近3天內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Movement tracks of four zebras in vicinity of Nanyuki Kenya,in 3 days taken by UAV注：Sn表示研究區(qū)域劃分的虛擬網(wǎng)格Note:Sn represents the virtual grid divided by the research area

無人機(jī)遙感能夠靈活的獲取多尺度、多時(shí)相的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以更好的運(yùn)用于鼠害調(diào)查研究中。以大疆公司精靈系列無人機(jī)為例，能高效準(zhǔn)確地提供地面草地植被蓋度、斑塊、鼠洞等信息(圖3)，并將無人機(jī)航拍得到的圖片進(jìn)行手工標(biāo)記以識(shí)別高原鼠兔或鼢鼠形成的禿斑地[66]；董光[67]以若爾蓋縣瞎曼鄉(xiāng)鼠害發(fā)生嚴(yán)重區(qū)為實(shí)驗(yàn)研究地，使用精靈4Pro獲取春夏兩季鼢鼠和旱獺鼠害區(qū)的航拍影片，并利用軟件Pix4Dmapper生成數(shù)字正射影像，通過灰度閾值分割、面向?qū)ο蠓?、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)選色彩紋理4種方法獲取圖片鼠害信息，對(duì)比得出不同處理在不同季節(jié)中提取圖片鼠害信息的最佳方法，從而為草原鼠害后續(xù)監(jiān)測(cè)研究奠定基礎(chǔ)。在對(duì)三江源瑪多縣典型區(qū)鼠洞的監(jiān)測(cè)識(shí)別中，周曉琳等[68]以可見光波段的無人機(jī)影像為數(shù)據(jù)源，在研究區(qū)建立了支持向量機(jī)法和面向?qū)ο蟮哪０迤ヅ浞ǖ氖蠖醋R(shí)別研究。結(jié)果表明，在不同植被蓋度的草地上基于面向?qū)ο蟮哪０迤ヅ浞▽?duì)鼠洞的識(shí)別精度更高。馬濤等[69]利用無人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行的兩次航拍，探討低空遙感在大沙鼠空間密度分布監(jiān)測(cè)方面的有效性，并對(duì)該區(qū)域鼠害程度進(jìn)行評(píng)定，為荒漠林大沙鼠科學(xué)防治提供依據(jù)。但是，基于無人機(jī)遙感的草地鼠害監(jiān)測(cè)研究尚處在起步階段，為了充分發(fā)揮無人機(jī)快速獲取高分辨率影像的明顯優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)草原地理地形特征，結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)并建立模型，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行草原生態(tài)鼠害監(jiān)測(cè)。

圖3 使用大疆Mavic 2無人機(jī)調(diào)查若爾蓋高寒草地鼠害分布Fig.3 DJI Mavic 2 UAV was used to investigate the distribution of rodents damage in the alpine grassland注：A-拍攝高度10m;a-鼠洞放大圖；B-拍攝高度20m;b-禿斑地放大圖Note:A-the height of flight is about 10 m；a-holes of Plateau Pika enlarged figure;B-the height of flight is about 20 m；b-enlarged figure of barren patches

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在草地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)中存在的問題、限制及展望、評(píng)價(jià)

3.1 問題與限制

從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究來看，無人機(jī)信息的提取仍存在眾多問題與限制，主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1)復(fù)雜地形效應(yīng)：跨區(qū)域的空間變異性大、地面的異質(zhì)性、地面采樣不全面等導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺乏完整性。此外，野外調(diào)查分辨率極高，枯葉和植被可以被區(qū)分，而航拍圖像只能區(qū)分植被斑塊，導(dǎo)致無人機(jī)測(cè)得的植被蓋度一般高于野外調(diào)查。

2)建立模型繁多：由于不同研究區(qū)水熱條件、植被特征、土壤因素等條件不同，最終采用無人機(jī)數(shù)據(jù)確定的模型不同，導(dǎo)致草地遙感植被的監(jiān)測(cè)和估算精度低，穩(wěn)定性差。

3)照片識(shí)別軟件開發(fā)：無人機(jī)獲取的草地圖片信息中，時(shí)常由于障礙物的遮擋獲取不到某些目標(biāo)信息，需要研究者肉眼觀測(cè)，這大大降低了工作效率，同時(shí)也限制了影像圖片中其他信息的獲取。因此，開發(fā)更簡(jiǎn)單高效的圖片自動(dòng)識(shí)別處理軟件顯得尤為重要。

4)傳感器設(shè)備匹配限制：無人機(jī)在草地資源監(jiān)測(cè)方面研究較少，雖然已有少量學(xué)者開始這方面的研究，但由于先進(jìn)的傳感器設(shè)備成本昂貴以及缺少與無人機(jī)遙感高度匹配的地面調(diào)查數(shù)據(jù)，而極大地限制了無人機(jī)在草地資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

3.2 評(píng)價(jià)與展望

隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)草地動(dòng)植物資源的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段，結(jié)合地面采樣、衛(wèi)星遙感，實(shí)時(shí)、全面、有效、準(zhǔn)確的對(duì)草地資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1)多尺度、多層次監(jiān)測(cè)：針對(duì)草地分布的水平和垂直地帶性特點(diǎn)、局域性小環(huán)境差異以及草地植物生長(zhǎng)的季節(jié)性變化，可結(jié)合地面調(diào)查、無人機(jī)遙感、衛(wèi)星航天遙感三位一體來實(shí)現(xiàn)小、中、大尺度范圍內(nèi)草地資源的多層次監(jiān)測(cè)，提高不同空間區(qū)域的數(shù)據(jù)匹配度，縮小無人機(jī)遙感獲取數(shù)據(jù)與實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)之間的差異。

2) 多元數(shù)據(jù)的時(shí)效性融合：利用無人機(jī)監(jiān)測(cè)草地資源的大多數(shù)研究仍依賴于傳統(tǒng)的地面調(diào)查或者“3S”衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)。地面調(diào)查作為草地生態(tài)學(xué)研究的重要手段，具有不可替代的作用，而無人機(jī)遙感在一定程度上提高了數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性。因此，可通過多元數(shù)據(jù)融合的方法，將地面調(diào)查所得數(shù)據(jù)與無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源的不足，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間分辨率和時(shí)間分辨率的相互補(bǔ)充，為草地資源監(jiān)測(cè)提供更系統(tǒng)、更科學(xué)有效的支撐。

3)不同傳感器的應(yīng)用普及：隨著集成技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)可搭載的傳感器更加多樣。草地類型豐富多樣，可以針對(duì)不同草地資源的特點(diǎn)，選擇合適的傳感器，有針對(duì)性地解決所需要監(jiān)測(cè)的對(duì)象與問題。這對(duì)于構(gòu)建精準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

總體而言，基于高時(shí)空分辨率的無人機(jī)草地生態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制將成為今后發(fā)展的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。無人機(jī)遙感以其衛(wèi)星遙感和地面人工調(diào)查所不及的諸多優(yōu)勢(shì)，為草地資源監(jiān)測(cè)的研究提供了新的技術(shù)平臺(tái)，尤其是在草地植物季相、草地植物蓋度、生物產(chǎn)量、草地家畜、草地嚙齒動(dòng)物種群等方面，可以有針對(duì)性地進(jìn)行大面積航空監(jiān)測(cè)及小范圍定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，對(duì)草地合理利用和健康管理非常有實(shí)用價(jià)值。