李剛勇,陳春波,李均力,彭 建

1 干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830049 2 新疆維吾爾自治區(qū)草原總站, 烏魯木齊 830049 3 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 干旱區(qū)生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011

草原是畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和重要的生態(tài)安全屏障,具有涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、固碳釋氧多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[1]。在環(huán)境變化及其對(duì)草原資源利用強(qiáng)度不斷增加的背景下,我國90%的天然草原發(fā)生了不同程度的退化[2]。為有效遏制草原退化國家頒布了一系列草原資源保護(hù)政策,但草原生態(tài)環(huán)境依然處于“總體惡化、局部改善”的趨勢[3]。當(dāng)前,以草原退化為核心的監(jiān)測評(píng)價(jià),仍是草原生態(tài)保護(hù)與綠色發(fā)展的重要工作;及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握草原生態(tài)狀況,既是林草行業(yè)摸清草原本底、提升草原科學(xué)化與精細(xì)化管理的需要,也是支撐草原保護(hù)、修復(fù)與合理利用的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的草原監(jiān)測為地面實(shí)測,雖精度高但耗費(fèi)大、時(shí)效性差,難以大范圍、高密度的開展監(jiān)測,無法全面獲取草原生態(tài)狀況時(shí)空變化。衛(wèi)星遙感能夠大范圍識(shí)別草原時(shí)空動(dòng)態(tài),但衛(wèi)星遙感的分辨率、精度及其固定的重返周期難以滿足中、小尺度草原監(jiān)測的應(yīng)用需求(如草原鼠害、毒害草時(shí)空監(jiān)測以及牲畜數(shù)量統(tǒng)計(jì)與空間分布)。近年來,低空無人機(jī)及其與之匹配的遙感傳感器的快速發(fā)展,無人機(jī)遙感已從研究研發(fā)跨越到行業(yè)試驗(yàn)和應(yīng)用階段,為草原監(jiān)測評(píng)價(jià)提供了新的技術(shù)手段,逐漸運(yùn)用在草原生態(tài)監(jiān)測、草原資源調(diào)查、草原巡護(hù)、草原災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警等方面,詳細(xì)如:草原地籍測量、草原植被高度與覆蓋度監(jiān)測、草原植被地上生物量估算、草原產(chǎn)草量與草畜平衡監(jiān)測、草原植被長勢與草原退化及其草原火災(zāi)、雪災(zāi)、毒害草、鼠害監(jiān)測等[4—6]。

圖1 低空無人機(jī)遙感在草原監(jiān)測評(píng)價(jià)應(yīng)用中的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Bibliographic statistics on the application of the low-altitude UAV remote sensing in grassland surveillance and assessment

在草原監(jiān)測評(píng)價(jià)中,低空無人機(jī)遙感提供了一種高效、低成本的解決途徑,逐漸被草原行業(yè)部門所關(guān)注。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的快速發(fā)展,草原立體觀測逐漸邁入智慧化時(shí)代,低空無人機(jī)遙感作為草原立體監(jiān)測的重要組成部分,迎來了一個(gè)全新的發(fā)展階段(圖1)。為此,本文將圍繞草原生態(tài)與資源綜合監(jiān)測評(píng)價(jià),總結(jié)低空無人機(jī)遙感針對(duì)草原基況調(diào)查、草原動(dòng)態(tài)監(jiān)測與草原應(yīng)急管理的應(yīng)用現(xiàn)狀,并面向大數(shù)據(jù)、人工智能與云計(jì)算等技術(shù)對(duì)低空無人機(jī)遙感關(guān)于草原監(jiān)測評(píng)價(jià)的應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 低空無人機(jī)載荷及用途

低空無人機(jī)遙感以無人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)為載體,通過搭載各類傳感器,獲取地面高分辨率遙感數(shù)據(jù)[7—8]。低空無人機(jī)包括固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)航速快,作業(yè)半徑廣闊,適合大范圍對(duì)地觀測;多旋翼無人機(jī)組裝、拆卸方便,可空中懸停并且靈活機(jī)動(dòng),適合小范圍、高精度、連續(xù)航拍[9]。低空無人機(jī)遙感包括光學(xué)遙感、熱紅外遙感與激光雷達(dá)遙感。光學(xué)遙感(可見光、多光譜與高光譜成像儀)采集草原水平方向的光譜信息;激光雷達(dá)具穿透能力,在獲取草原植被垂直結(jié)構(gòu)信息方面具有優(yōu)勢[10];熱紅外遙感(熱紅外成像儀)能快速獲取地表面狀溫度[11]。

與衛(wèi)星遙感相比,無人機(jī)的飛行高度低于500 m,屬于低空域范圍,可以克服傳統(tǒng)遙感云遮擋、重訪周期、大氣條件等不利因素,能夠獲取更高精度的高分辨率影像[7]。與航空遙感相比,無人機(jī)對(duì)飛行條件要求低、時(shí)效性強(qiáng)[8—9],能夠搭載多種傳感器[12](如:可見光、多光譜、熱紅外、高光譜與激光雷達(dá))(表1)。低空無人遙感彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感與地面樣方間的尺度空缺,豐富了數(shù)據(jù)的多元化,拓展了數(shù)據(jù)的深度、廣度,針對(duì)草原監(jiān)測評(píng)價(jià)具優(yōu)勢。

表1 低空無人機(jī)遙感機(jī)載傳感器

2 無人機(jī)遙感監(jiān)測草原生態(tài)研究進(jìn)展

2.1 草原基況調(diào)查

2.1.1草原草層高度監(jiān)測

草原草層高度是草地退化、沙化的重要指標(biāo),也是估測草原蓄積量、地上生物量與碳儲(chǔ)量的主要因子。傳統(tǒng)的草層高度監(jiān)測,地面需布設(shè)大量樣方進(jìn)行測量(或刈割),對(duì)草地有一定破壞性,工作量大、耗時(shí)費(fèi)力,無法獲得較大范圍草層高度。多光譜衛(wèi)星遙感反演草層高度模型精度低,星載激光雷達(dá)因大光斑離散雷達(dá)數(shù)據(jù),無法在區(qū)域尺度上連續(xù)估算草層高度[13]。草層高度精細(xì)化監(jiān)測是草原遙感的難點(diǎn)。

SfM(Structure from Motion)攝影測量技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)遙感,使低空無人機(jī)遙感反演草層高度具有優(yōu)勢[13]。SfM基于特征匹配從重疊圖像中自動(dòng)化提取目標(biāo)地物數(shù)字三維模型[14],如Batistoti等采用無人機(jī)影像獲取了數(shù)字表面模型(DSM)與數(shù)字高程模型(DEM)后計(jì)算草層高度,結(jié)果顯示擬合優(yōu)度(R2)為0.8[15]。隨著低空無人機(jī)裝備輕小型激光雷達(dá)、高光譜傳感器,促進(jìn)了無人機(jī)獲取高分辨率草層高度,如Zhang等[16]、Sankey等[17]獲取并分析了草層高度、蓋度與地上生物量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)無人機(jī)(搭載激光雷達(dá))飛行高度(<200 m)對(duì)草層高度的精度沒有顯著影響,考慮了草層高度反演生物量的模型精度達(dá)到87%。

當(dāng)前,低空無人機(jī)遙感獲取草層高度已有初步應(yīng)用(表2)。無人機(jī)獲取高分辨率草層高度觀測技術(shù)的快速發(fā)展,與星載激光雷達(dá)、高光譜數(shù)據(jù)的有效銜接,逐漸填補(bǔ)地表樣方與衛(wèi)星遙感間的缺口,實(shí)現(xiàn)了草層高度的升尺度研究。

表2 低空無人機(jī)遙感監(jiān)測草原草層高度

2.1.2草原植被覆蓋度監(jiān)測

植被覆蓋度是觀測區(qū)域內(nèi)植被垂直投影面積占地表總面積的百分比,是表征植被群落生長狀況及生境質(zhì)量的重要參數(shù),反映了草原生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)狀況[23]。傳統(tǒng)的地面測量無法準(zhǔn)確獲得區(qū)域草原植被蓋度,衛(wèi)星遙感能快速估算區(qū)域植被覆蓋度,但較粗的分辨率無法表征稀疏的草地植被特征,低空無人機(jī)擁有靈活性并且時(shí)效性強(qiáng)與分辨率高等優(yōu)勢,可作為地面測量與衛(wèi)星遙感監(jiān)測草原植被蓋度的補(bǔ)充。

蔡棟等[24]、宋清潔等[25]、冷若琳等[26]和Meng等[27]分別以甘南藏族自治州為研究區(qū)域,分析了草地野外實(shí)測樣方蓋度、低空無人機(jī)影像提取的蓋度與多源遙感(Landsat 8、MODIS)植被指數(shù)間的相關(guān)性,構(gòu)建了草地植被蓋度回歸模型并進(jìn)行了精度驗(yàn)證。蔡棟等[28]構(gòu)建的無人機(jī)照片與Landsat 8影像的草地植被蓋度模型精度為93.6%,宋清潔等[25]采用無人機(jī)與MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建的最優(yōu)反演模型精度可達(dá)88%。Meng等[27]構(gòu)建了單因子參數(shù)、多因子參數(shù)/非參數(shù)反演模型,發(fā)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為草地植被蓋度的最佳模型(R2=0.72,RMSE=13.38%)。劉艷慧等基于遺傳算法采用無人機(jī)影像構(gòu)建的過綠指數(shù)、顏色指數(shù)估算了草原植被覆蓋度,發(fā)現(xiàn)過綠指數(shù)估算植被覆蓋度精度較高(P=0.272,RMSE=6.63),株高與覆蓋度的交叉變量擬合精度為83.41%(R2=0.8536,RMSE=2.442 g/m2)[29]。

近年來,低空無人機(jī)遙感監(jiān)測草原植被蓋度主要表現(xiàn)在以下方面(表3):①建立無人機(jī)遙感與地面實(shí)證調(diào)查的方法;②結(jié)合多種統(tǒng)計(jì)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,構(gòu)建低空無人機(jī)遙感獲取的草地蓋度與衛(wèi)星遙感植被指數(shù)(如EVI、NDVI與SAVI等)間的關(guān)系;③地面樣地樣方測量仍是低空無人機(jī)遙感與衛(wèi)星遙感估算草原植被蓋度的重要驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

表3 低空無人機(jī)遙感監(jiān)測草原植被覆蓋度

2.1.3草原地上生物量估算

地上生物量為植被地上部分光合產(chǎn)物的積累量,是草原生態(tài)監(jiān)測、健康評(píng)價(jià)的重要依據(jù)和草原生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)[32]。以往多采用樣方統(tǒng)計(jì)、回歸模型、物理模型并結(jié)合衛(wèi)星遙感估算生物量,但傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感分辨率粗、易受大氣影響等限制,導(dǎo)致草原地上生物量估算精度低、誤差大與時(shí)序不連續(xù),難以滿足草原監(jiān)測評(píng)價(jià)的實(shí)際需求。

低空無人機(jī)以其影像獲取速度快、空間分辨率高和云下采集等優(yōu)勢,可以快速、有效地估算草原地上生物量。孫世澤等[33]、張正健等[34]開展了無人機(jī)影像獲取的植被指數(shù)與樣方實(shí)測生物量的相關(guān)性分析,結(jié)果顯示天山北坡比值植被指數(shù)(RVI)擬合精度為0.75[33],若爾蓋高原NGRDI模型擬合精度為0.86[34]。Wengert等[35]、Kang等[36]基于無人機(jī)高光譜遙感估算了草原植被地上生物量。李淑貞等采用無人機(jī)高光譜、Sentinel-2多光譜影像與實(shí)測生物量,建立、驗(yàn)證了植被指數(shù)回歸模型,發(fā)現(xiàn)NDRE模型具有更高的擬合精度(R2=0.71)與較低的均方根誤差(RMSE=18%)[37]。Zhao等[38]、da Costa等[39]與zhang等[16]采用無人機(jī)載激光雷達(dá)獲取草原點(diǎn)云數(shù)據(jù)估算地上生物量,分析了激光雷達(dá)信息丟失及其對(duì)估算地上生物量精度的影響,da Costa等[39]的估算精度為0.79。Zhang等[40]、Taugourdeau等[41]與Barnetson等[42]基于機(jī)器學(xué)習(xí)(隨機(jī)森林)結(jié)合地面采樣與無人機(jī)影像估算了草原地上生物量,結(jié)果顯示隨機(jī)森林估算結(jié)果R2=0.78、RMSE=24.80 g/m2[40],濕重相對(duì)誤差20%、干重25%[41]。

總體來看,基于無人機(jī)遙感和地表樣方數(shù)據(jù),構(gòu)建地上生物量與植被指數(shù)的回歸模型,隨著低空無人機(jī)載荷提高,高光譜、激光雷達(dá)逐漸用于估算草原地上生物量(表4)。

表4 低空無人機(jī)遙感估算草原地上生物量的研究

2.2 草原動(dòng)態(tài)監(jiān)測

2.2.1草原植被長勢監(jiān)測

草原植被長勢為植被的生長狀況,監(jiān)測草原植被長勢對(duì)草地管理、保護(hù)及其生境改善具有現(xiàn)實(shí)意義[48]。以往采用人工調(diào)查,測量、記錄草地植被長勢信息(高度、蓋度、地上生物量與牧草發(fā)育期等)[49]。人工監(jiān)測方法耗時(shí)費(fèi)力、覆蓋范圍有限、代表性較差,衛(wèi)星遙感能多時(shí)段、大范圍監(jiān)測草原植被長勢[50]。然而,多數(shù)星載影像的空間分辨率不足以開展精細(xì)化的草原植被長勢監(jiān)測。當(dāng)前,低空無人機(jī)遙感以其機(jī)動(dòng)靈活、較低的成本和高時(shí)空分辨率等優(yōu)勢成為近地遙感觀測的有效工具。

針對(duì)草原植被長勢,國內(nèi)采用低空無人機(jī)開展監(jiān)測的研究鮮有報(bào)道。固定站點(diǎn)(國家站點(diǎn)、草原行業(yè)部門站點(diǎn)以及科研實(shí)驗(yàn)站點(diǎn))仍是草原植被長勢的主要監(jiān)測方式,部分站點(diǎn)已采用物候相機(jī)不間斷監(jiān)測,在草地生長初期的監(jiān)測時(shí)段需要清理草原上層覆蓋的積雪開展監(jiān)測。采用無人機(jī)監(jiān)測草原植被長勢國外已有探索,如Possoch等[51]、Lussem等[52]與Bareth等[53]分別采用低空無人機(jī)在德國波恩、德國埃菲爾山區(qū)與加拿大安大略省科夫勒保護(hù)區(qū)監(jiān)測了草原牧草植被長勢。

總體來看,低空無人機(jī)能根據(jù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝,可彌補(bǔ)地面、衛(wèi)星觀測梯度的過渡;建立草原植被長勢地面觀測、無人機(jī)觀測與衛(wèi)星遙感觀測的相關(guān)關(guān)系,能提高草原植被長勢監(jiān)測的準(zhǔn)確率。

2.2.2草原產(chǎn)草量估測

草地產(chǎn)草量是牲畜可食用的草產(chǎn)量,直接影響著草原的載蓄量,是草原生產(chǎn)利用的重要指標(biāo)[54]。及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握草原產(chǎn)草量,是草原資源監(jiān)測評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容[48]。通常,草原產(chǎn)草量估測包括地面樣地監(jiān)測與衛(wèi)星遙感估算,利用草原植被光譜數(shù)據(jù)、草原產(chǎn)草量、衛(wèi)星影像與氣象數(shù)據(jù),構(gòu)建草原產(chǎn)草量與植被光譜指數(shù)間的統(tǒng)計(jì)模型、遙感模型與氣象模型[55]。然而,因氣象數(shù)據(jù)插值導(dǎo)致的尺度、精度問題,以及衛(wèi)星影像分辨率的限制,以上模型估算的產(chǎn)草量精度有待提高[56]。

在中、小尺度,低空無人機(jī)遙感獲取草原植被生物物理參數(shù)估算產(chǎn)草量,克服了人工調(diào)查效率低,彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感的分辨率、云層等外界條件限制。Jenal等[57]、Lussem等[58]與de Oliveira等[59]采用低空無人機(jī)載多光譜分別在德國科隆、德國波恩與巴西估算了草原產(chǎn)草量,Jenal等[57]估算的精度0.75(R2)、0.17(RMSE),Lussem等[58]為0.65(R2)、956.57 kg/hm2(RMSE),de Oliveira等[59]使用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)估算了草原植被總干物質(zhì)產(chǎn)量(R2=0.76、RMSE=413.07 kg/hm2)與葉片干物質(zhì)產(chǎn)量(R2=0.79、RMSE=286.24 kg/hm2)。Wengert等[35]與Feng等[60]采用無人機(jī)載高光譜估算了草原產(chǎn)草量,Wengert等[35]估算的鮮草產(chǎn)草量精度0.87(R2)、7.6%(RMSE),干重精度0.75(R2)、12.9%(RMSE),Feng等[60]基于集成學(xué)習(xí)后估算苜蓿產(chǎn)量的擬合精度為0.87。

綜上來看,低空無人機(jī)遙感擴(kuò)展了草原樣地樣方空間范圍,通過多種傳感器獲取草原草層光譜、空間結(jié)構(gòu)信息,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等方法能客觀估測草原產(chǎn)草量。

2.2.3草畜平衡監(jiān)測

草畜平衡是一定時(shí)間內(nèi)草原可利用飼草飼料總量與飼養(yǎng)牲畜所需的飼草飼料量間的動(dòng)態(tài)平衡,區(qū)域草原產(chǎn)草量與牲畜數(shù)量是草畜平衡的研究基礎(chǔ)。通常,草原產(chǎn)草量采用地面樣方采樣、遙感與生態(tài)模型估算,牲畜數(shù)量多采用統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)(即牲畜年末存欄數(shù))。以往沒有考慮到牲畜數(shù)量的時(shí)序變化與空間分布,在一定程度上限制了草畜平衡的估算精度。

近年來,低空無人機(jī)遙感逐漸成為調(diào)查牲畜時(shí)空特征新的技術(shù)手段。Barbedo等基于無人機(jī)影像提高動(dòng)物與背景的對(duì)比度,采用優(yōu)化的深度學(xué)習(xí)算法識(shí)別出成簇牲畜的數(shù)量,精度為90%[61]。Kellenberger等采用改進(jìn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提高了無人機(jī)影像識(shí)別牲畜的精度[62]。Zhao等基于無人機(jī)獲取高分辨率影像采用多種算法(MCNN,CSRNeT,SFANeT與貝葉斯網(wǎng)絡(luò))識(shí)別綿羊數(shù)量及其空間分布[63]。Sarwar等基于無人機(jī)高清視頻采用區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)圍場中綿羊進(jìn)行檢測與計(jì)數(shù),然后將結(jié)果與其他技術(shù)進(jìn)行比較以評(píng)估其性能[64]。

采用低空無人機(jī)遙感開展草畜平衡的研究已有應(yīng)用,如楊帆等基于樣方采樣、MOD13A1遙感數(shù)據(jù)估算瑪多縣(青海省果洛藏族自治州)草原產(chǎn)草量,結(jié)合無人機(jī)遙感影像,預(yù)測了包括野生動(dòng)物和家畜在內(nèi)的草畜平衡狀況[65—67]。郭興健等基于無人機(jī)遙感調(diào)查了黃河瑪多縣域內(nèi)巖羊種群數(shù)量及其分布規(guī)律,為青藏高原地區(qū)大型野生動(dòng)物及草畜平衡研究提供了新思路[68];邵全琴利用無人機(jī)遙感建立家畜(牦牛、藏羊和馬等)與野生動(dòng)物(藏野驢、藏原羚和巖羊等)的無人機(jī)圖像解譯標(biāo)志庫,客觀調(diào)查了樣帶內(nèi)的種群數(shù)量[69]。

可以看出,低空無人機(jī)遙感具有操作靈活、分辨率高等優(yōu)勢;在調(diào)查牲畜數(shù)量的作業(yè)中,低空無人機(jī)調(diào)查范圍廣、對(duì)牲畜干擾小、能進(jìn)入不易到達(dá)的區(qū)域,能夠客觀獲取牲畜數(shù)量[70]。

2.3 草原應(yīng)急管理監(jiān)測

火災(zāi)、雪災(zāi)與生物災(zāi)害是草原應(yīng)急管理的重要組成。關(guān)于草原行業(yè)部門的應(yīng)急管理,低空無人機(jī)遙感提供了一種新型手段,解決了人工監(jiān)測的缺點(diǎn)(費(fèi)時(shí)費(fèi)力、精度低與范圍小),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)草原應(yīng)急管理的不足。同衛(wèi)星遙感相比,低空無人機(jī)遙感獲取影像快,尤其在中小尺度具有顯著優(yōu)勢,可持續(xù)監(jiān)測人工勘察不易到達(dá)區(qū)域[56]。近年來,低空無人機(jī)遙感已應(yīng)用到草原應(yīng)急管理。

2.3.1草原火災(zāi)與雪災(zāi)監(jiān)測

草原火災(zāi)是一種破壞性極強(qiáng)的自然災(zāi)害,人工監(jiān)測成本高、效率低、實(shí)效性差,難以達(dá)到完全監(jiān)測;航天遙感因受制于衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)行周期,監(jiān)測頻率有限,難以實(shí)時(shí)監(jiān)測;點(diǎn)域無線傳感器由于感應(yīng)范圍、能耗與價(jià)格限制,無法大規(guī)模應(yīng)用于草原火災(zāi)監(jiān)測。近年來,為降低草原火災(zāi)危害,需針對(duì)草原火災(zāi)開展信息化監(jiān)測[71]。無人機(jī)能快速獲取火場實(shí)時(shí)高分?jǐn)?shù)據(jù),準(zhǔn)確把握火情動(dòng)態(tài),為火災(zāi)蔓延提供可靠的初始場數(shù)據(jù)[72—73]。無人機(jī)能攜帶多種傳感器,采集多源遙感數(shù)據(jù),快速、準(zhǔn)確地評(píng)估草原火災(zāi)受損程度[74],定量預(yù)測災(zāi)后草原植物-土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)[17]。

草原雪災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、危害大,直接影響牧區(qū)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。以往雪災(zāi)監(jiān)測采用地面觀測,收集、整理速度慢,偏遠(yuǎn)地區(qū)不易到達(dá)無法開展觀測,難以全面了解雪災(zāi)受損范圍、程度[75]。關(guān)于草原雪災(zāi)監(jiān)測,一定時(shí)空范圍內(nèi)無人機(jī)不接觸也不破壞草原,但可以獲得更多積雪數(shù)據(jù),低空無人機(jī)遙感更加準(zhǔn)確便于計(jì)算、分析與數(shù)據(jù)挖掘,雪災(zāi)經(jīng)客觀評(píng)估后能為牧區(qū)畜牧業(yè)生產(chǎn)提供幫助。目前,低空無人機(jī)多與航天遙感結(jié)合定量評(píng)估區(qū)域雪災(zāi)時(shí)空分布[76],與生物/氣象數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)結(jié)合預(yù)測草原雪災(zāi)[77]。

2.3.2草原生物災(zāi)害監(jiān)測

生物災(zāi)害是影響草原生態(tài)平衡的重要因素,鼠害、蟲害為草原生物災(zāi)害的重要組成。傳統(tǒng)調(diào)查費(fèi)時(shí)費(fèi)力、資金投入大,較難快速、準(zhǔn)確地識(shí)別災(zāi)害的發(fā)生范圍與危害程度。低空無人機(jī)遙感是一種新型的草原生物災(zāi)害監(jiān)測手段,具有高分辨率、高時(shí)效、低成本與低損耗特點(diǎn),在草原鼠害、蟲害監(jiān)測中已有示范[6,78](表5)。

表5 低空無人機(jī)遙感關(guān)于草原生物災(zāi)害監(jiān)測

Wen等基于無人機(jī)遙感監(jiān)測鼠害,分析了嚙齒類動(dòng)物的空間分布、爆發(fā)規(guī)律及其危害程度[79]。孫姍姍等采用無人機(jī)調(diào)查鼴鼠種群,結(jié)果顯示最佳尺度的飛行高度為50 m,最小取樣面積2.21 hm2[80]。馬濤等[81]、軒俊偉等[82]在新疆驗(yàn)證了低空無人機(jī)遙感針對(duì)鼠害監(jiān)測的有效性;馬濤等[81]識(shí)別的鼠洞洞群覆蓋率為19.4%,具有明顯的聚集特征與帶狀分布特征;軒俊偉等[82]識(shí)別的中度、輕度危害區(qū)約占試驗(yàn)區(qū)的72%,極度危害區(qū)占比3%?；ㄈ锏韧ㄟ^無人機(jī)遙感獲取了高原鼠兔洞口數(shù)量與植被蓋度,精度分別為95%與93%;經(jīng)可見光差值植被指數(shù)估算地上生物量,精度為86.54%[83]。張濤等利用無人機(jī)載高光譜監(jiān)測荒漠化草原鼠洞數(shù)量與分布,提出鼠洞指數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測草原鼠洞,精度可達(dá)97%[84]。

鄭永軍等采用低空機(jī)載蝗蟲預(yù)警系統(tǒng)開展了草原蝗蟲識(shí)別與計(jì)數(shù),準(zhǔn)確率達(dá)89%[85]。高姻燕等提出并驗(yàn)證了一種基于無人機(jī)遙感監(jiān)測草原毛蟲的方法,在監(jiān)測效率、對(duì)草地破壞性及提高時(shí)效性、可預(yù)報(bào)性等方面更優(yōu)于傳統(tǒng)方法,在草原毛蟲幼蟲信息提取、災(zāi)害預(yù)警與高效防控等方面具有應(yīng)用潛力[86]。王佳宇等闡述了草原蝗蟲監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究進(jìn)展,指出在小區(qū)域和飛行困難區(qū)域無人機(jī)能夠快速獲取草原蝗蟲高分影像,構(gòu)建蝗災(zāi)分析預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)蝗蟲密度的監(jiān)測與預(yù)警[87]。

3 展望

3.1 問題與挑戰(zhàn)

草原監(jiān)測評(píng)價(jià)的難點(diǎn)仍是無法及時(shí)、有效、客觀準(zhǔn)確地獲取、分析與挖掘監(jiān)測區(qū)域內(nèi)草原植被生境狀況。無人機(jī)是低空域靈活、準(zhǔn)確與高效獲取高分遙感影像的重要平臺(tái),目前已應(yīng)用于林草行業(yè),在中、小尺度草原監(jiān)測評(píng)價(jià)與智慧草原中發(fā)揮了重要作用。但是,低空無人機(jī)遙感在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些局限:

(1)低空無人機(jī)重量較輕,易受微氣象條件影響,雖然已設(shè)計(jì)有抗抖穩(wěn)定系統(tǒng),但實(shí)際獲取的影像依然存在質(zhì)量不足,增加了影像后期的處理難度。

(2)低空無人機(jī)可搭載多源傳感器(如可見光、多光譜、熱紅外、高光譜與激光雷達(dá)),但傳感器尚沒有采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和考慮產(chǎn)品的通用性;輕小型化傳感器的定量精度有待提高,多數(shù)研究中采用的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傳感器光譜響應(yīng)曲線的校準(zhǔn)有待提高。

(3)海量數(shù)據(jù)的處理效率具有滯后性,沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化處理,缺乏與之配套的國產(chǎn)化數(shù)據(jù)處理、挖掘與可視化分析軟件,在草原監(jiān)測行業(yè)尚沒有形成完善的軟、硬件技術(shù)體系。

(4)草原監(jiān)測周期長、范圍大,行業(yè)內(nèi)廣泛采用的無人機(jī)受飛行電池容量或燃料搭載量的限制,導(dǎo)致無人機(jī)的作業(yè)半徑及面積有限,尤其在環(huán)境復(fù)雜及其地形崎嶇的區(qū)域,增加了無人機(jī)的操作難度。沒有長期穩(wěn)定連續(xù)的草原觀測數(shù)據(jù),缺少與之匹配的地面調(diào)查數(shù)據(jù)與參考標(biāo)準(zhǔn),降低了遙感解譯的精度。

3.2 發(fā)展趨勢

(1)跨領(lǐng)域與交叉學(xué)科,深度整合無人機(jī)平臺(tái)與遙感傳感器,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行平臺(tái)與載荷的一體化、嵌入式和組件式。低空無人機(jī)遙感是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,在草原監(jiān)測評(píng)價(jià)中的成功應(yīng)用是跨領(lǐng)域與交叉學(xué)科的有效整合,主要包括無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)、遙感、地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)、地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、草原與草地等學(xué)科。未來低空無人機(jī)遙感的普適性將會(huì)逐漸提高,更多地面向行業(yè)部門與普通用戶,進(jìn)一步降低無人機(jī)采集數(shù)據(jù)的門檻。低空無人機(jī)發(fā)展的總體趨勢為輕小型、標(biāo)準(zhǔn)化與市場化應(yīng)用,無人機(jī)傳感器是向多任務(wù)、模塊化與組件式架構(gòu)發(fā)展。低空無人機(jī)搭載多傳感器或集成傳感器的數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)處理尚在探索階段?；诟呖臻g、高光譜、多維度的低空無人機(jī)遙感將成為今后發(fā)展的熱點(diǎn)和趨勢

(2)推動(dòng)“星-空-地”一體化監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)草原監(jiān)測的時(shí)間尺度延續(xù)與空間范圍擴(kuò)展。草原植被生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng),是土壤-草原植被-大氣-水分的連續(xù)體,全面、系統(tǒng)的草原生態(tài)監(jiān)測應(yīng)當(dāng)是時(shí)序變化與空間格局演替的統(tǒng)一。短期、小尺度的監(jiān)測不能全面地解釋草原生態(tài)系統(tǒng)的演變,也不能客觀詮釋草原的時(shí)空變化;草原監(jiān)測的本質(zhì)是客觀、準(zhǔn)確地采集當(dāng)前草原生態(tài)環(huán)境狀況表征指標(biāo),以期為今后的草原資源可持續(xù)利用做出有效預(yù)測。因此,結(jié)合地面樣方測量,耦合低空無人機(jī)遙感與衛(wèi)星遙感實(shí)現(xiàn)草原資源空間對(duì)地觀測,彌補(bǔ)人工監(jiān)測與航天遙感時(shí)效性、準(zhǔn)確性及其精細(xì)度方面的缺陷。擴(kuò)展草原生態(tài)監(jiān)測的空間尺度,在個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)甚至景觀、區(qū)域尺度上,開展“星-空-地”一體化草原生態(tài)監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)時(shí)間尺度延續(xù)與空間范圍的擴(kuò)展,為草原的現(xiàn)狀與變化趨勢做出正確的評(píng)價(jià)與預(yù)測。

(3)融合多源遙感數(shù)據(jù),融入大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù),提高無人機(jī)海量數(shù)據(jù)的處理效率,挖掘影像的應(yīng)用價(jià)值。多源、多尺度與多維數(shù)據(jù)融合是低空無人機(jī)遙感應(yīng)用的發(fā)展方向,能夠客服因單一數(shù)據(jù)源無法系統(tǒng)地捕捉目標(biāo)區(qū)域信息。在數(shù)據(jù)采集階段,采用搭載的多源傳感器或一體化集成多源傳感器采集數(shù)據(jù),能夠避免多次飛行,同時(shí)克服不同遙感影像的地理位置精度差。在數(shù)據(jù)處理階段,數(shù)據(jù)融合包括:①不同時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)融合,②不同尺度(分辨率)數(shù)據(jù)融合,③不同維度數(shù)據(jù)融合。在此基礎(chǔ)上,積極融入大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù),提升低空無人機(jī)遙感針對(duì)草原生態(tài)監(jiān)測的智能化交互水平,在草原生態(tài)監(jiān)測中實(shí)現(xiàn)智慧化監(jiān)測。低空無人機(jī)遙感為草原生態(tài)智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)開辟了一個(gè)實(shí)際、準(zhǔn)確的方向,即物聯(lián)感知自動(dòng)監(jiān)測草原生態(tài)狀況、動(dòng)態(tài)評(píng)估草原生態(tài)健康、實(shí)現(xiàn)草原多災(zāi)種早期預(yù)報(bào),精準(zhǔn)促進(jìn)草原智能化監(jiān)測、評(píng)估與預(yù)警。

(4)構(gòu)建無人機(jī)遙感光譜數(shù)據(jù)與草原植被生理參數(shù)關(guān)系,增強(qiáng)草原植被的自動(dòng)化識(shí)別。低空無人機(jī)遙感采集的光譜數(shù)據(jù)估算草原植被冠層生理參數(shù),是草原定量遙感的難點(diǎn),截至目前尚沒有一種通用、穩(wěn)定的光譜指數(shù)能夠準(zhǔn)確表征草原植被特征,受大氣光照、無人機(jī)飛行高度、草原植被類型與土壤等影響,各種遙感光譜指數(shù)與草原植被生理參數(shù)間的關(guān)系不穩(wěn)定。構(gòu)建草原植被無人機(jī)遙感解譯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,包括典型草原植被波普標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集、不同航拍高度典型草原植被紋理特征數(shù)據(jù)集,建立草原植被冠層形態(tài)、物候與光譜特征庫,促進(jìn)草原植被的自動(dòng)化識(shí)別,是低空無人機(jī)遙感急需解決的問題。

4 結(jié)語

在草原監(jiān)測評(píng)價(jià)中,低空無人機(jī)遙感處于快速發(fā)展階段。低空無人機(jī)遙感時(shí)效性高,在光譜、空間分辨率方面具有明顯優(yōu)勢,促進(jìn)了草原基況調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測與應(yīng)急管理監(jiān)測,提高了草原生態(tài)保護(hù)與管理水平。但是,現(xiàn)階段常用的無人機(jī)續(xù)航時(shí)間有待進(jìn)一步提高,在復(fù)雜地形作業(yè)中關(guān)于通信穩(wěn)定性有待提升。另外,面向草原大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)背景,低空無人機(jī)遙感在高端技術(shù)自動(dòng)化、實(shí)時(shí)處理、精準(zhǔn)解譯等方面仍有局限?；鶎硬菰袠I(yè)部門對(duì)低空無人機(jī)遙感技術(shù)的理論素養(yǎng)與高效應(yīng)用有待突破。新時(shí)代繼續(xù)推進(jìn)完善草原生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的背景下,低空無人機(jī)遙感以其固有的優(yōu)勢推動(dòng)著草原監(jiān)測由傳統(tǒng)的地面觀測(樣地樣方的位置、質(zhì)量、指標(biāo)方面)向空間定量遙感發(fā)展。