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(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱無(wú)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(guò)遙控設(shè)備自主飛行的不載人飛行器[1]。無(wú)人機(jī)與遙感技術(shù)的結(jié)合，即無(wú)人機(jī)遙感(unmanned aerial vehicle remote sensing，UAVRS)，是以無(wú)人機(jī)作為載體，通過(guò)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(lái)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(wú)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(wú)人機(jī)遙感無(wú)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(wú)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(lái)，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(wú)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(wú)人機(jī)技術(shù)存在的問(wèn)題、限制以及發(fā)展前景。

1 無(wú)人機(jī)遙感的系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)組成及工作流程

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要是以無(wú)人機(jī)為飛行和搭載平臺(tái)，通過(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)對(duì)比分析，得出最佳數(shù)據(jù)處理效果圖。

在無(wú)人機(jī)影片數(shù)據(jù)處理過(guò)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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)獲取森林植物生物量以及植被高度。

2 無(wú)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(wú)法獲取局部區(qū)域地面有效信息[34]。相比衛(wèi)星遙感，無(wú)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(wú)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)可提供高精度的地面蓋度信息。Chen等[42]采用無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)系統(tǒng)來(lái)收集馴鹿從維多利亞島遷徙到加拿大的航拍畫面，通過(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)目視解譯來(lái)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(wú)人機(jī)輔助無(wú)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(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)包，并將其發(fā)送給無(wú)人機(jī)，無(wú)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(lái)探究其活動(dòng)規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的最大視覺(jué)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(guò)無(wú)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(lái)定位野生動(dòng)物在其自然棲息地的位置，解決了無(wú)人機(jī)圖像中野生動(dòng)物自動(dòng)檢測(cè)的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，由于航空成像技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)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(lái)，由于全球氣候變化和人類過(guò)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(wú)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(lái)，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(guò)確定影響草原鼠害發(fā)生的生物及非生物因子，來(lái)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(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wèn)題、限制及展望、評(píng)價(jià)

3.1 問(wèn)題與限制

從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究來(lái)看，無(wú)人機(jī)信息的提取仍存在眾多問(wèn)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)遙感、衛(wèi)星航天遙感三位一體來(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來(lái)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(wú)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(wèn)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(wú)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(wú)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。