無人機遙感技術在自然保護區資源調查中的應用初探

張何欣

(大連市自然資源事務服務中心，遼寧 大連 116000)

1 前言

自然保護區是具有典型性和特殊性的生態系統的天然分布區域，具有極高的科研價值，是自然資源統一管理的關鍵環節，是建設“美麗中國”的重要載體[1～4]，因此，定期開展自然保護區資源調查，獲取區域內詳實的自然資源本底數據，及時了解保護區內各類自然資源的動態變化信息，不僅是自然保護區管理的職責所在，更為保護區內自然資源的有序開發利用與科學合理保護提供數據支撐。

2 自然保護區資源調查現狀

自然保護區資源調查按內容可分為野外植被調查、野生動物調查以及其他(水、土壤、地質地貌、生態環境等)調查。當前常用的調查方法有路線踏勘法、樣方統計法、樣點統計法等[5]，但上述方法均是人工實地調查方法，且有各自的適用場景，在實際使用中會產生一些問題，在調查規劃階段，應規劃調查的路線并評估所覆蓋的范圍，但由于一些地理阻隔，保護區的部分區域難以進入，易導致覆蓋范圍缺失；在調查實施階段，調查人員更重視動植物名稱、數量以及屬性等信息，容易忽視資源空間分布以及聚集狀況；在數據匯總階段，由于原始數據大多是以表格、圖片、文字等載體記錄，細節信息缺失嚴重，且匯總工作量繁雜。為提高了資源調查的可行性和準確性，很多自然保護區都采用衛星遙感影像為地理底圖規劃調查方案、指導調查、管理調查數據，但衛星的重訪周期較長，影像的價格偏高，這使得獲取高時間分辨率的空間數據變得非常困難；另外，衛星拍攝的角度單一，不能實現無死角拍攝；更重要的是，衛星遙感影像分辨率較低，很難與自然保護區資源調查所需的空間尺度相匹配，容易遺漏細節信息，不利于保護區開展深入細致調查[6～8]。無人機(UAV)是更適合特定范圍內高精度時空數據的即時獲取的低空遙感平臺[9]，在自然保護區資源調查方面具有很強的技術優勢：一是無人機操作靈活，場地適應性強，在特定飛行軟件的控制下，可按照設定好的路線飛行，能在短時間內實現保護區全區域覆蓋，徹底解決人工調查覆蓋不全面的問題；二是無人機遙感可拍攝保護區高精度、高分辨率的影像圖，為資源的空間分布與聚集情況調查提供了地理底圖；三是無人機可根據需要搭載多種傳感器，獲取的數據信息更豐富(影像、點云、雷達數據等)，為動態分析保護區及其周邊地區土地利用變化、植被分布、生態環境等信息及其相互關系提供了數據來源。本文在研究無人機遙感應用于自然保護區資源調查關鍵技術的基礎上，嘗試為自然保護區資源調查提供更有效、更靈活的解決方案。

3 無人機遙感應用技術流程

基于無人機遙感的自然保護區資源調查通常由3個階段組成，分別是調查規劃階段、調查實施階段以及數據匯總階段。各階段主要內容如圖1所示。

圖1 基于無人機遙感的自然保護區資源調查流程

由圖1可知，調查規劃階段有兩部分內容：資料搜集、航線及飛行參數設計。其中，資料搜集應掌握保護區的面積、功能區劃(含邊界)、氣象、地形、主要植被分布、主要動物分布、飛行限制區域等資料，為航線及飛行參數設計提供準確詳實的參考。航線及飛行參數設計環節重點在于航線設計，根據保護區地形圖確定調查范圍，在避開調查范圍內飛行限制區域(如高壓線、民航航線、軍事設施等)前提下，確保飛行路線為直線，并將調查區域劃分為若干作業段，每個作業段再分為若干航帶，在選定航帶之后應在設控制點，為確保控制點布設均勻且覆蓋全面，可以調查區域的地形圖為依據，將調查區劃分為5 km×5 km的格網，每個格網內選擇有代表性的地物(或自行設置標識)作為控制點，并且在海岸線、耕地、坑塘水庫以及邊角等容易發生幾何畸變的地區要適當加密。在飛行參數設計方面，應根據航線及調查內容的要求選擇拍攝儀器，確定成圖比例尺，進而確定飛行高度。在外業飛行前，應根據調查區域的氣象資料和太陽高度角變化情況選擇最有利的氣象條件和飛行作業時間，確保航攝數據能夠真實反映地面細節。

數據采集階段采用無人機遙感與人工調查相結合的方式。為確保各種調查方法采集的信息能夠無縫銜接，實時匯總，應采用統一信息平臺實施調查，本文以“國土調查云”平臺為例，闡述數據采集過程，共分為4個環節：①無人機應用模塊需實現“國土調查云”平臺提供的接口；②在手持移動設備安裝無人機模塊并確認能夠被“國土調查云”平臺檢測到；③在“國土調查云”平臺啟動無人機任務，并按照設定的飛行參數實施調查；④無人機調查完成數據回傳至“國土調查云”平臺。人工調查是無人機遙感調查的補充，在一些限制飛行區域或被地表植被覆蓋，難以拍攝的區域，應派出調查組有針對性的進行補充調查，在調查中同時采用“國土調查云”平臺，記錄調查的內容以及地理位置信息，并能實時將數據匯總至管理端，減少了數據匯總的工作量，保留了更多的細節信息，提高了數據的準確性。

數據匯總階段主要對航拍的影像進行處理并匯總其他外業調查資料。圖像處理主要主要有5個環節：航測數據預處理，影像匹配、空中三角形測量、生成數字高程模型(DEM)以及生成數字正射影像(DOM)。航測數據預處理有三項內容，一是坐標系轉換，即將原始數據進行投影變換，將其轉換為平面坐標；二是幾何校正，即對像片畸變進行改正，提高數據精度；三是色彩處理，即使像片勻光勻色。影像匹配是尋找航向或旁向影像中同名像點的過程，為三維重建等高級應用打基礎。空中三角形測量即按照數學模型解算出全部控制點坐標以及影像的外方位元素。在此基礎上，生成數字高程模型(DEM)和數字正射影像(DOM)，為匯總其他調查資料提供了統一的地理基礎。人工等方式調查的資料可按照地理位置分類整理，并標識在圖中，為分析資源的分布規律與集聚性提供依據。

4 應用領域

(1)野外植被調查。搭載光學傳感器的無人機獲取的影像數據分辨率可達0.2 m，這些數據足以反映野外植被的形狀、色彩等特征，通過影像的目視解譯與人工調查相結合的方式，可以獲取植被的種類、生長情況等信息，將影像進行分類后，可計算植被郁閉度、林分密度等指標，實現保護區植被的高效、全面、準確調查。搭載LiDAR的無人機可高速獲取保護區內大范圍的植被三維結構信息，為植被垂直估計提供了可靠的數據。搭載高光譜以及SAR的無人機獲取的數據能更好的描述植被理化性質，為監測植被生長提供依據[10]。

(2)野生動物調查。野生動物具有空間分布廣、聚集程度低、環境敏感度高、棲息地難以發現或難以抵達的特點。在大型恒溫哺乳動物調查應用方面，可采用搭載熱紅外傳感器的無人機在不同高度采集數據，只要動物的溫度與環境有差異，即可使隱藏在林中的動物顯現出來，極大的擴大了調查范圍，同時也可以檢測野生動物的棲息地和活動范圍，為進一步的保護及科研活動提供指導；在變溫動物(蛇、蜥蜴等)調查應用方面，由于動物的體溫隨周圍環境變化而變化，難以通過熱成像的方式調查，可以以無人機遙感影像為基礎數據，合理劃分調查作業區域，指導調查人員開展實地調查，并采用統一的信息平臺匯總數據，確保調查覆蓋全面，數據準確。

(3)資源動態變化調查。自然保護區大規模資源調查不能頻繁開展，導致調查數據時效性不強，應采用無人機進行高頻飛行，采集保護區高時間分辨率的影像數據，分析動態變化情況，具體可分為兩個方面。一是水資源動態變化調查，水資源是動植物賴以生存的根本，應對水資源變化情況開展檢測，重點分析水質以及水量變化；二是土地利用動態檢測，很多保護區與居民點很近，受到人類活動影響較大，因此，需要加強管理，監測保護區面積的變化情況，確保保護區核心區不受人類活動干擾，同時也可及時發現保護區內存在的違法行為，并依法予以制止。

5 結語

本文在分析自然保護區資源調查現狀的基礎上提出了無人機遙感應用于自然保護區資源調查的技術方案，并闡述了應用場景。通過分析可知，無人機遙感在自然保護區野外植被調查、野生動物調查等方面具有廣泛的適用性，切實提升了自然保護區資源調查準確性與工作效率，為自然保護區動態監測與科學規劃提供了豐富的數據來源。未來應加強無人機遙感在變溫動物調查中的應用研究，開發有效的算法，推動自然保護區信息化、智慧化管理。