無人機遙感技術在陸地生態系統監測與評價中的應用

王飛 李偉 趙文植 李衛英 辛培堯

摘 要：陸地生態系統對人類生存和社會發展極為重要，進行陸地生態系統綜合監測與生態環境評價是解決和治理生態問題的前提。傳統地面監測方法由于視角問題很難滿足綜合監測與評價的要求，而衛星遙感監測又存在監測精度低、時效性差等問題。無人機靈動性好、便于操作，經搭載各類型遙感傳感器，可實現陸地生態系統動態連續監測。基于此，無人機遙感技術在森林、草原、荒漠及農田生態系統的監測與生態環境評價中已得到了廣泛應用。

關鍵詞：無人機遙感技術;陸地生態系統;陸地生態系統監測;生態環境評價

中圖分類號 S771.8文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）10-0115-05

Application of UAV Remote Sensing Technology in Land Ecosystem Monitoring and Evaluation

WANG Fei1 et al.

（1Southwest Forestry University， Kunming 650224， China）

Abstract： Terrestrial ecosystem is very important for human survival and social development. Comprehensive monitoring and evaluation of terrestrial ecosystem is the premise of solving and managing ecological problems. The traditional ground monitoring method is difficult to meet the requirements of comprehensive monitoring and evaluation because of the angle of view， and there are some problems such as low monitoring accuracy and poor timeliness in satellite remote sensing monitoring. But， the UAV is light and flexible， simple to operate， and can carry different types of remote sensing sensors to realize dynamic continuous monitoring of different types of ecosystems. Based on this， UAV remote sensing technology is widely used in forest， grassland， desert and farmland ecosystem monitoring and ecological environment evaluation.

Key words： UAV remote sensing technology; Terrestrial ecosystem; Monitoring of terrestrial ecosystems; Ecological environment assessment

陸地生態系統作為地表的重要組成部分，按照內部環境和植被特點的不同，可分為森林、草原、荒漠以及農田4類子系統，其在源源不斷地向人類提供食物、用材、工業原料、藥材等實物產品的同時，還以生態服務的形式在極大程度地改善了人類賴以生存的地球生態環境，如調節氣候、保持水土、固碳釋氧、維護生物多樣性等[1]。做好陸地生態系統的監測與評價工作，對于了解生態系統的資源現狀、結構、功能以及存在的問題等具有重要的意義，可為生態系統的管理、政策制定及生態環境的治理提供可靠的依據[2]。

傳統的監測方法大多是通過人工外業的形式進行實地測量，由于受視角及地形環境的限制等，監測結果往往不理想，且耗時耗力。而無人機技術及遙感傳感器的研發與應用，為陸地生態系統的動態綜合監測與評價提供了可能性[3]。無人機遙感技術是一種結合無人機、遙感遙控、遙感傳感器、通訊以及GPS分差定位等技術于一體的新型技術。與傳統技術相比，由于無人機遙感技術具有體積小、重量輕、使用方便、數據獲取精度高等優勢，近年來無人機遙感技術已經作為一種新型的探測技術被廣泛應用于各行各業，近地面、低速飛行的無人機通過搭載不同類型的遙感傳感器，能夠快速獲取空間遙感信息，被廣泛應用于處理突發災害、工程測繪、土地利用調查、開采項目監測和動植被識別監測等方面。另外，無人機遙感技術能夠對水資源、大氣以及固體污染物等情況進行高效判讀，有利于工作人員全面評估區域環境狀況[4]。

本文主要從4類陸地生態系統的子系統出發，闡述了無人機遙感的應用與發展，并結合目前對生態環境影響較大的幾項項目工程，論述了無人機遙感在環境影響評價中發揮的作用。基于此，本文展望了無人機遙感在陸地生態系統監測與生態環境影響評價中的應用前景。

1 陸地生態系統監測及生態環境評價體系

1.1 陸地生態系統監測 陸地生態系統監測指標體系龐大，主要分為氣象要素指標監測、水文要素指標監測、土壤要素指標監測、植物要素指標監測、動物要素指標監測及微生物要素指標監測等[5]。每個要素的常規監測指標見表1。諸多的監測指標給監測工作者帶來了很大的挑戰，無人機利用自身高視角、靈活便捷的優勢通過搭載不同類型的遙感傳感器，可大大節約監測成本，提高監測效率及精度。

1.2 生態環境評價 生態環境評價包括生態環境質量評價和生態環境影響評價，是指對生態系統內部的環境狀況、現存問題及其造成的影響進行定性或定量描述。生態環境質量評價是在一定時間和空間范圍內對生態環境現狀進行分析，以定性或定量的方法判別生態環境的優劣程度，按照環境要素可分為大氣環境質量評價、水環境質量評價、土壤環境質量評價及噪聲環境質量評價;而生態環境影響評價則是以評價其環境服務功能為主，探究各項人類建設活動對生態系統所產生的影響，并基于此制定合理的防治措施和應對策略，是環評工作的重要部分[2]。隨著人類社會的不斷發展，陸地生態系統在自然和人類活動的影響下隨時發生著復雜的變化，做好具有時效性的生態環境影響評價就顯得尤為重要。目前，我國生態環境影響評價中的數據調查多采用資料收集法、現地勘察法、咨詢法等傳統的調查方法，不但效率低、時效性差，而且無法進行量化分析。而無人機遙感技術的引進，可以在很大程度上避免這些問題，進一步推動生態環境評價工作的進程。

2 無人機遙感技術在陸地生態系統監測中的應用

陸地生態系統監測指標繁雜，單純地依靠人力很難實現監測目的。地面監測、調查監測、資料分析等傳統監測方法多是通過人為野外觀測實現，容易受外界因素的影響，監測結果通常存在較大誤差并且監測效率不高。而興起的無人機遙感技術結合了低空航拍測量和遙感數據處理分析技術，可以利用較短的時間，更加高效地完成對規定地域內各項監測指標原始數據的采集，在保證監測效率的同時保證監測結果的準確性。

2.1 森林生態系統監測 森林生態系統有著“地球之肺”之稱。近年來，國家層面越來越注重天然林和人工林的保護和培育問題，加強了森林經營管理，運用科學的營林措施有效地促進了森林資源的發展。據森林資源連續清查結果顯示，我國森林資源數量逐年增加、質量逐步提高，其效能也在不斷增強，森林資源整體呈現良好的發展態勢。而森林生態系統監測一直是林業發展和生態建設的基礎性工作，監測結果直接關乎國家林業建設和發展的方向。隨著森林經濟效益、社會效益和生態效益的進一步發掘，如森林康養、森林旅游等一批新型產業越來越被人們所關注，我國森林不再是以單純的提供木材來換取經濟發展為主要導向，森林所帶來的生態和社會效益也成為了森林服務功能的重要部分，這種轉變使得森林監測工作必須做到森林資源和生態狀況的綜合監測，而森林資源本身又具有層次性強、動態變化快等特點，因此，森林資源監測工作也就面臨著信息量大、內容復雜等難題。想要做到大范圍、高精度的森林資源動態性綜合監測僅靠傳統的監測方法已經遠遠不能滿足監測的需要。另外，我國前些年大面積營造結構單一的人工純林，導致林地生產力下降，森林病蟲害、火災頻發，并且部分地區缺乏森林保護意識，存在亂砍濫伐、不合法征占用林地等現象，而傳統的監測方法不可能做到實時監測數據的反饋，以致相關部門對這些破壞森林資源的因素不能及時管控。為了解決以上問題，無人機遙感技術在森林資源調查及生態環境監測領域迅速崛起并廣泛應用，在中小領域森林資源調查和生態環境監測方面發揮了重要的作用，大幅節省了傳統森林資源監測工作對財力、人力及物力的消耗，很大程度上克服了地理環境對監測過程的影響，提高了監測效率和監測結果的準確度[6，7]。

目前，無人機遙感技術在林分樹高及冠層結構測定、森林生物量測定、森林病蟲害和森林火災監測等方面均取得了顯著成效[8]。在研究對林分樹高測定時，Chen等[9]采用無人機搭載激光雷達生成仿真波形，建立森林高度模型，得到較高的測量精度，證明了無人機遙感技術可用于估計林分樹高。張煜星等[10]結合無人機遙感得到的數字表面模型和數字高程模型來提取林分樹高，并計算林分平均高，其測定結果與森林資源二類調查數據相比，精度達到了75.1%。Otero等[11]利用無人機遙感與野外調查數據相結合的方式，測定紅樹林保護區內的樹高和生物量，通過傳統調查數據與無人機調查數據的對比分析，來檢驗利用無人機遙感技術調查紅樹林森林特征（高度和地面生物量）的準確性，結果表明，無人機可以用于該地區紅樹林樹高及生物量的監測，尤其是適用于相對均勻且林層結構較為單一的生產性林分。鄧小玲等[12]利用無人機搭載高光譜遙感對柑橘患病植株分類并進行特征波段的提取，使用相關算法建立分類模型，結果表明，分類準確率達95%以上，證明了特征波長的有效性。曾全等[13]利用無人機遙感技術對因松材線蟲病致死的松樹精確定位，其監測結果與野外實測只相差1棵，通過實地驗證，定位的水平誤差在0.86～4.20m，監測結果較為準確，為松材線蟲病的監測提供提了新的方法。在森林火災監測中，無人機遙感能實時回傳的圖像和紅外熱成像信息，有利于第一時間發現森林火情，了解火情信息，及時做出反應，將損失降到最低[14]。例如，2019年3月，在北京密云、平谷地區的林火救災中，無人機在火災發生后迅速抵達火災現場上空進行火情偵察，利用高空視角，提供了火災發生后各個階段的可見光，實時地將火勢蔓延情況傳送至防火指揮室，對擬定最佳救火方案意義重大。

2.2 用于草原生態系統監測 草原生態系統是以草本植物為主體的，與其周圍環境共同形成的整體。草原在為畜牧業生產提供牧草的同時，還是重要的生態屏障，在生態環境保護中有調節氣候，防風固沙，保持水土及維護生態多樣性等功能。長期以來，由于畜牧業的快速發展及病蟲害的發生，我國草原面積持續減少，部分草地甚至面臨沙漠化的威脅，因此，及時監測草原生態系統的動態變化做到合理利用和保護就顯得尤為重要。傳統的監測方法局限于小范圍的特定草原，對于大面積的草原生態系統無法做到準確的宏觀監測，但無人機遙感技術由于具有高分辨率、高實時性、高靈活性等特點就能克服草原面積大、分布廣泛及氣候和地理環境復雜多變等困難，在較短時間內對草原生態系統的現狀進行實時動態監測，可為相關部門對草原生態系統進行合理利用和保護提供方向[15]。

無人機遙感技術可較為高效地對牧草生長、草地蓋度、生物量及草地健康狀況等進行動態監測，這對維持草畜平衡以及草原的可持續發展大有裨益。利用無人機進行草地監測和生態評估可以拓寬無人機的應用范圍，彌補傳統植被識別手段的局限性，可以獲得更高精度的結果，且省時省力。歸一化植被指數（NDVI）是反映植被生長狀態和生產力的定量指標，潘影等[16]基于Landsat遙感影像和無人機多光譜影像研究不同尺度西藏草地NDVI的影響因子，結果表明，多個明顯影響草地NDVI的因子，如地形、土地利用類型、石堆和小路等較明顯的地物等，無人機遙感技術的應用為該研究相關定量指數的獲取提供了更便捷的途徑。有關研究發現，利用無人機RGB影像監測植被高度及生物量時，多時相CSM模型效果很好[17]。將此模型用于草原生態系統的生物量監測中，其監測結果與樣地實測數據進行對比分析，結果表明，無人機RGB影像結合CSMs模型適用于草地植被高度和生物量的監測[18]。

2.3 荒漠生態系統監測 荒漠生態系統是由于常年降水稀少、蒸發力強盛而導致嚴重干旱缺水的一類典型的退化生態系統，按年降水量劃分為半荒漠（200～100mm）、普通荒漠（100～50mm）和極度荒漠（50mm以下）3類。主要分布在我國西北部，總面積192萬km2，約占國土面積的20%。該生態系統內植被稀疏、土壤貧瘠、生物量和生物多樣性低，主要以耐旱性強的半喬木、灌木、半灌木、多年生草本及肉質植物為主。近年來，受各種人為活動以及氣候變化、土地沙化等自然因素的影響，荒漠化現象仍時有發生。做好生態系統監測工作是解決上述問題的前提，而生態監測站則是監測工作的主要執行單位。另外，荒漠生態系統作為陸地生態系統的重要組成部分，除蘊藏著許多珍貴的動植物資源，在調節氣候、調控水文、防風固沙等方面也發揮著重要的作用，開展荒漠生態系統服務功能監測對整治和改善荒漠化意義重大。但荒漠生態系統自然環境惡劣、植物資源稀少、分布廣泛，且多呈斑塊狀分布，這給生態系統的監測工作帶來了相當大的挑戰。因此，將無人機遙感用于荒漠生態系統監測勢在必行[19]。

無人機操作靈活，可根據監測需要由地面操作人員手動升高或或降低，高空視野，所受的干擾因素少，可在較短的時間內實現大范圍監測，特別是在資源稀少且分布廣泛的荒漠生態系統的日常巡護管理和動植物資源動態監測過程中，可極大地提高巡護管理和資源動態監測工作的效率。在荒漠植被覆蓋度的監測中，高永平等[20]利用無人機可見光波段對沙坡頭植被覆蓋度進行了提取，通過ENVI軟件對無人機拍攝的可見光影像分析和計算，結果表明，該方法提取精度高，植被與非植被區分明顯，能高效地實現荒漠植被蓋度的動態監測，這為當地荒漠生態系統后期的管護工作提供了實踐指導。荒漠生態系統白天溫度高、蒸發強，因此，荒漠中的大部分動物多有“晝伏夜出”的生活習性，這給荒漠珍稀動物的研究帶來了極大的不便。而無人機通過搭載熱紅外相機，可從較大的空間尺度上對瀕危、危險性高的動物及外來物種進行追蹤觀察與研究，實時了解動物種群分布、生長狀況等信息[21]。另外，無人機搭載的可見光相機可快速、準確的實現對我國荒漠化界限、面積的動態監測，監測結果可為荒漠化治理提供參考。

2.4 農田生態系統監測 農田生態系統是自然環境、生物與人類生產活動的綜合體，是人類長期適應自然所形成的一種半自然半人工系統，其主要功能是按照人類生活需要進行農作物的生產，以滿足人們對糧食的需要。由于農田生態系統半自然半人為的特殊性，導致農業在發展過程中受多方面因素的影響，如自然規律的制約、人類活動的影響及社會經濟規律的支配等，過去的傳統農業一直是落后生產力的代表。但近年來，隨著科技的迅速發展以及在農業領域的廣泛應用，農業的機械化、規模化取得了長足的進步。現階段，精準農業、智慧農業、互聯網+農業等現代農業很大程度提高了我國的農業生產力。尤其是無人機遙感技術，在農作物識別分類、產量預估、農田水熱條件分析、生長狀況及病蟲害探測等諸多方面被廣泛應用[22，23]，如表2所示。

3 無人機遙感技術在生態環境評價中的應用

陸地生態系統是陸生生物與其所處環境相互作用的整體，因此，除了對森林、草原、濕地、荒漠、農田等陸地生態系統中的生物資源進行綜合監測之外，對陸地生態系統內部的生態環境評價也是必不可少的環節。隨著人居環境的不斷提高，單方面的環境影響評價已無法滿足人們對美好生活環境的期望和要求，必須向區域環境的綜合評價過渡。在這方面，相比于歐美國家，我國尚處于發展初期，評價體系尚不完善，還有很長的路要走[24]。目前，我國生態環境影響評價中主要以定性描述為主，定量化評價指標很少。雖然很多地區都積極營建了生態環境監測站，但生態環境評價是從宏觀角度對生態環境進行全面、綜合的評價工作，傳統的地面調查方法不能實現生態環境的動態化監視，而無人機遙感具高靈動性、高分辨率等優勢，能更好地適應地域性強、結構復雜的生態環境，以便從整體、全局的角度滿足生態環境影響評價的需求，利用更高的視角優勢去獲取更全面、更具時效性的評價參數，填補了生態環境評價過程中定量化評價指標的不足[25，26]。無人機遙感技術作為大區域、定點生態環境影響評價的主要手段，具先進性，有著廣闊的應用前景。

3.1 礦產和石油開采 礦產和石油資源的開采是人為對周圍生態環境強制性改造的過程，為了利益的最大化而對礦產和石油資源進行無節制的開發，將會給開采區及周圍的自然環境造成不可逆轉的破壞，引起當地水源、土壤污染，地表沉陷、地下水位下降等。如部分地區過度的煤炭開采活動導致山體空虛、地表塌陷，進而引發嚴重的水土流失，甚至是山體滑坡等自然災害。無人機遙感技術可以在短時間內獲取大量開采區及周邊地區的地形地貌和植被分布信息，通過這些相關數據的分析可較為客觀地對開采區進行生態環境影響評價，進而為后期制定生態管護、恢復等方案提供參考。

3.2 道路建設工程 與礦產和石油資源開采相比，道路建設過程中對生態環境的影響較小，但道路建設工程量大、線路長，會將原來整個自然生態系統分隔，這對地面動物的遷徙和道路兩側植被生存環境的影響不容小覷，而且道路施工涉及大量的林木采伐，對于一些生態脆弱的地區會造成嚴重的生態問題。若采用傳統的現場調查方法，很難從宏觀上把握整條道路沿線的植被狀況，不能進行有效的生態環境影響評估。而利用低速飛行的無人機通過搭載不同的遙感傳感器就能夠從更高的視角對施工路線范圍內的環境情況進行全面評估，從而避開生態脆弱區，減輕道路施工對當地生態環境的破壞，也可為野生動物及周邊居民穿越道路開設便利通道。另外，還可以掌握道路施工過程中臨時搭建的工棚、施工便道、棄土堆放區等位置參數，便于建設后的生態修復。例如：在京滬鐵路修建中，環保部門就采用了無人機遙感技術對施工項目全程跟蹤，及時反饋施工造成的生態環境破壞情況并進行施工前后地區生態環境變化的總結評價，為環保部門針對性的采取環境保護措施提供了方向。

3.3 水利工程項目 從古至今，水利工程都是我國最貼切民生的基礎性建設工程之一。如南水北調工程，它對我國水資源在南北方的平均分配起到了至關重要的調節作用。但不可忽略的是其導致的生態問題，水利工程的建設最先影響的是水環境生態系統，其次是水域兩岸的植被、土地。應用無人機遙感能夠及時發現水利工程建設、使用對周邊生態環境的影響，提早發現生態環境向不良方向發展的趨勢，及時采取科學的措施，降低水利工程建設造成的不利影響。除此之外，無人機遙感技術還可以隨時監督工程進度，實時掌握水利工程建設對土壤、植被帶來的影響，準確估算出影響區域的面積及影響程度，提前制定有關的防治方案和措施。

3.4 水土污染觀測 隨著工業化、城市化的發展，水資源和土壤資源的各種污染也在日益加劇。工廠廢棄物的不達標排放、農藥的過度使用等，導致水質富營養化。土地生產力下降等一系列的生態環境問題。利用無人機遙感技術通過直接或間接的方式可實時地對水土的污染現狀進行動態觀測，提供準確的水土污染觀測結果，明確污染程度及污染物分布狀況，有利于當地環保部門做出準確的水土污染評價，制定有效的污染治理方案。

4 展望

無人機遙感技術的興起為陸地生態系統的監測和生態環境評價提供了新的思路和方法，在很大程度上避免了地理環境條件對生態系統的監測和生態環境評價工作的限制，極大地提高了工作的效率和質量，既讓陸地生態系統的監測結果更具綜合性、時效性，又使得陸地生態環境影響評價更全面、更可靠、更具說服力。目前，諸多學者提出并設計實驗驗證了無人機遙感技術在資源調查、監測及生態環境影響評價等各個領域中的可行性，并附有相關的技術指導。但我國真正將無人機遙感技術運用到實際調查、監測及評價工作中的案例卻依然少見，這主要是由于宣傳和推廣力度不夠，并且缺乏專業的技術操作人員。相信隨著科學技術的不斷創新和發展以及人才強國戰略的實施，無人機遙感技術將會得到進一步的開發和推廣，逐漸走向完善和成熟，必將在生態系統監測及生態環境影響評價等實踐領域內大放光彩，其應用領域也將會越來越廣闊。

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（責編：張宏民）