利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展草原鼠害調(diào)查監(jiān)測(cè)的研究

連歡歡，侯秀敏，宜樹(shù)華

(1. 青海省草原總站，青海 西寧 810008；2. 南通大學(xué)脆弱生態(tài)環(huán)境研究所 南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226000)

草原，是發(fā)展草原生態(tài)畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是廣大牧民群眾生活、生產(chǎn)的基本保障。草原鼠害不僅與家畜爭(zhēng)奪優(yōu)良牧草，影響草原載畜量，降低牧草利用率，嚴(yán)重制約著草原生態(tài)畜牧業(yè)發(fā)展。為有效應(yīng)對(duì)草原鼠害，實(shí)時(shí)掌握草原鼠害的危害情況，草原鼠害的調(diào)查監(jiān)測(cè)就必不可少。無(wú)人機(jī)低空實(shí)時(shí)成像技術(shù)是一種可利用于草原鼠害大面積調(diào)查監(jiān)測(cè)的新思路新技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)以無(wú)人機(jī)云臺(tái)成像技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取高分辨率影像進(jìn)行圖像拼接和融合后進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析，從而獲取單位面積害鼠洞口數(shù)、危害等級(jí)以及牧草生長(zhǎng)狀況、植被蓋度等草原鼠害動(dòng)態(tài)、牧草長(zhǎng)勢(shì)的綜合情況。

圖1示出了描述車輪運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)系OXYZ是以列車速度平動(dòng)的慣性坐標(biāo)系。坐標(biāo)系oxyz與車輪剛性連接，其y軸與輪軸重合，因此坐標(biāo)系oxyz以均勻的角速度Ωy(角速度等于列車速度除以車輪滾動(dòng)圓半徑)繞y軸旋轉(zhuǎn)，而y軸只做垂向振動(dòng)。在0時(shí)刻，兩個(gè)坐標(biāo)系是重合的。在t時(shí)刻，y軸的垂向位移記為w0(t)，向下為正，車輪繞y軸旋轉(zhuǎn)了角度Ωyt。圖中的向量p0eiΩt 表示一個(gè)圓頻率為Ω的力向量，此處i是虛數(shù)單位。

社交娛樂(lè)方面，絕大多數(shù)學(xué)生參加各種社交娛樂(lè)的時(shí)間和頻次正常。學(xué)生談戀愛(ài)現(xiàn)象比較普遍，問(wèn)卷表明，大三學(xué)生中談戀愛(ài)的已占到班級(jí)的七成以上。而認(rèn)為談戀愛(ài)對(duì)自己產(chǎn)生積極影響、負(fù)面影響的，后者略高于前者，約各占三成左右。絕大多數(shù)學(xué)生在與親友QQ、微信或電話聊天，參加朋友聚會(huì)、聚餐，逛街、購(gòu)物，節(jié)假日及假期外出旅游，到歌廳、茶室等公眾娛樂(lè)場(chǎng)所玩樂(lè)的時(shí)間和頻次，均在正常范圍之內(nèi)。

女孩的身體還非常虛弱，但她仍然幫著青辰將天葬師背回了屋中。天葬師昏迷著，心口的刀傷已經(jīng)不再有鮮血流出，好似他的整個(gè)身體的血液，都已經(jīng)干涸。

1 基本情況

試驗(yàn)地選擇在青海省剛察縣哈爾蓋鄉(xiāng)，草原鼠害發(fā)生面積1.33×104hm2的區(qū)域內(nèi)。哈爾蓋鄉(xiāng)位于縣境西南部，距縣府駐地25 km。轄6個(gè)行政村，1個(gè)社區(qū)，有藏、漢、蒙、回、土、滿、東鄉(xiāng)、撒拉族8個(gè)民族，藏族占總?cè)丝诘?0 %。可利用草場(chǎng)13.05×104hm2，其中：冬春草場(chǎng)6.21×104hm2，夏秋草場(chǎng)6.84×104hm2；農(nóng)作物耕地209.87 hm2。經(jīng)營(yíng)各類牲畜18.86萬(wàn)只(頭、匹)，其中羊15.83萬(wàn)只、牛2.71萬(wàn)頭、馬3 204匹，畜牧業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。根據(jù)2018年秋季基數(shù)調(diào)查，哈爾蓋鄉(xiāng)高原鼠兔發(fā)生面積5.13×104hm2，危害面積2.93×104hm2，高原鼢鼠發(fā)生面積1.73×104hm2，危害面積1.07×104hm2，屬于中度危害區(qū)域。為此，通過(guò)走訪調(diào)查與實(shí)地勘察的方法，確定了哈爾蓋鄉(xiāng)1.33×104hm2鼠害試驗(yàn)區(qū)，且這1.33×104hm2試驗(yàn)區(qū)是鼠害防治后5年內(nèi)未進(jìn)行過(guò)防治的區(qū)域，見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)情況

(1)全部樣本量自動(dòng)分析得出鼠害洞口數(shù) 調(diào)查拍攝后，將所取得的535個(gè)樣本數(shù)據(jù)資料整合到鼠洞洞口分析軟件-ProposalClassifierManual(簡(jiǎn)稱：Mysql)中對(duì)每一張照片的鼠洞信息進(jìn)行提取。首先，通過(guò)調(diào)整綠度指數(shù)、洞口區(qū)域的黑色程度、洞口大小等指數(shù)進(jìn)行軟件自動(dòng)分析識(shí)別，然后進(jìn)行人工校正，得出項(xiàng)目區(qū)平均鼠害總洞口數(shù)約為528個(gè)/公頃。

圖1 勘察確定1.33×104hm2試驗(yàn)區(qū)

圖2 無(wú)人機(jī)鼠害監(jiān)測(cè)照片

3 調(diào)查監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 人工調(diào)查情況

在1.33×104hm2試驗(yàn)區(qū)，選擇與無(wú)人機(jī)低空實(shí)時(shí)成像拍攝定位相同的30個(gè)樣地，進(jìn)行人工堵洞開(kāi)洞法調(diào)查。人工調(diào)查時(shí)每個(gè)樣方面積為0.067hm2。得出此30個(gè)樣地的總洞口數(shù)為2 161.5個(gè)/公頃，有效洞口數(shù)725.5個(gè)/公頃，有效洞口率為33.56%，見(jiàn)表1。

表1 人工鼠害調(diào)查洞口數(shù) 單位：(個(gè)/公頃)；%

3.2 無(wú)人機(jī)調(diào)查情況

(3)定點(diǎn)位置樣本人工計(jì)算得出鼠害洞口數(shù) 挑選出與人工調(diào)查法重合的30個(gè)樣地的照片，對(duì)應(yīng)相同的樣地號(hào)，對(duì)每一張照片的鼠洞信息進(jìn)行人工鼠害洞口數(shù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算工作，得出鼠害總洞口數(shù)為2 147個(gè)/公頃，見(jiàn)表3。

共設(shè)置工作點(diǎn)34個(gè)，圖3為無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)鼠害的部分工作點(diǎn)分布圖。

應(yīng)用宜樹(shù)華教授團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)(FragMAPSetter-FragmapFlighter)進(jìn)行鼠害調(diào)查監(jiān)測(cè)拍攝，無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)設(shè)置步驟如下： (1)新建工作點(diǎn)或選擇已有工作點(diǎn)；(2)根據(jù)采樣點(diǎn)位置或選擇已存在航線；(3)設(shè)置無(wú)人機(jī)飛行高度(本研究中為20m)、飛行速度(本研究中為6m/s)及相機(jī)參數(shù)(白平衡，IOS等)；(4)上傳航點(diǎn)、飛行高度與速度；(5)無(wú)人機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)開(kāi)始自主飛行與拍攝，對(duì)所有采樣點(diǎn)進(jìn)行航拍，每個(gè)采樣點(diǎn)獲取航拍照片16張。

圖3 部分工作點(diǎn)的分布圖

試驗(yàn)區(qū)典型鼠害類型空間分布情況如圖4所示，該區(qū)內(nèi)大多數(shù)草地的危害等級(jí)為危害猖獗，其面積占整個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積的76.03%。而鼠害極重度的區(qū)域所占面積比例最小，零散分布于鼠害猖獗和鼠害中度危害之間的區(qū)域，面積僅占整個(gè)區(qū)域面積的0.89%。6種類型中輕度、中度和重度鼠害草地所占的面積比例較小且三者比較接近，其中，中度和重度無(wú)明顯分布規(guī)律，而輕度主要分布在該區(qū)的東北部和西南部地區(qū)。區(qū)內(nèi)無(wú)鼠洞的區(qū)域所占面積比例較小，占整個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積的2.30%，主要零散的分布于試驗(yàn)區(qū)的中部和東南部地區(qū)。

①化探綜合異常區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多條Ag、Mo礦體，同時(shí)存在伴生的Pb、Zn礦體。因此，化探綜合異常區(qū)是找礦的主要地段。

多立克柱是古典建筑中常用的三種柱子樣式之一，起源于古希臘。另外兩種柱式為愛(ài)奧尼柱式和科林斯柱式。多立克柱粗大雄壯，柱頭沒(méi)有裝飾花紋，柱身有時(shí)雕刻有槽紋，有時(shí)為平滑的。雅典衛(wèi)城的帕特農(nóng)神廟就采用了這種柱式。

2019年7月27日～8月2日，青海省草原總站草原有害生物防控部協(xié)同宜樹(shù)華教授團(tuán)隊(duì)，利用大疆精靈Phantom 4 Pro和“御”Mavic Pro航拍無(wú)人機(jī)在海北州剛察縣哈爾蓋鄉(xiāng)貢公麻村1.33×104hm2區(qū)域，進(jìn)行了為期7 d的無(wú)人機(jī)低空實(shí)時(shí)成像拍攝工作。在進(jìn)行拍攝工作的同時(shí)，技術(shù)員隨機(jī)對(duì)單張照片拍攝點(diǎn)用人工堵洞法進(jìn)行害鼠洞口數(shù)測(cè)定，測(cè)出有效洞口數(shù)和洞口系數(shù)，以便無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的洞口數(shù)與人工堵洞法得出的洞口數(shù)進(jìn)行比對(duì)。

(2)定點(diǎn)位置樣本自動(dòng)分析得出鼠害洞口數(shù) 挑選出與進(jìn)行人工調(diào)查法重合的30個(gè)樣地的照片，對(duì)應(yīng)相同的樣地號(hào)，對(duì)每一張照片的鼠洞信息進(jìn)行Mysql數(shù)據(jù)自動(dòng)信息提取，得出鼠害總洞口數(shù)為2 159.5個(gè)/公頃，見(jiàn)表2。

表2 自動(dòng)分析得出鼠害洞口數(shù) 單位：(個(gè)/公頃)

3.2.1 調(diào)查方法 利用大疆精靈Phantom 4 Pro和“御”Mavic Pro航拍無(wú)人機(jī)在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了為期7 d的低空實(shí)時(shí)成像拍攝工作。拍攝時(shí)，我們沿主路、輔路、小路等交通工具可以到達(dá)的區(qū)域，間隔1 km設(shè)置高原鼠兔洞口密度調(diào)查樣地，選定工作點(diǎn)34個(gè)，每個(gè)工作點(diǎn)拍攝16張照片，每個(gè)拍攝點(diǎn)覆蓋約1.45 hm2，單張照片覆蓋約0.09 hm2。此次共拍攝可利用照片535張，相當(dāng)于在試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選擇樣地535個(gè)。

3.2.2 調(diào)查結(jié)果

表3 人工計(jì)算得出鼠害洞口數(shù) 單位：(個(gè)/公頃)

3.3 三種鼠害洞口數(shù)調(diào)查方法分析

以案例推動(dòng)、示范引領(lǐng)抓落實(shí)，重點(diǎn)打造一批省內(nèi)甚至國(guó)內(nèi)叫得響、立得住、社會(huì)公認(rèn)的水利工程先進(jìn)典型，總結(jié)一批可復(fù)制、可借鑒、可推廣的成功經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

4.1 無(wú)人機(jī)調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信

將無(wú)人機(jī)鼠害調(diào)查和人工調(diào)查鼠害數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出兩種調(diào)查方法所取得的鼠害總洞口數(shù)基本相同，說(shuō)明無(wú)人機(jī)鼠害調(diào)查所得的鼠害洞口數(shù)可信，用此方法進(jìn)行無(wú)人機(jī)鼠害調(diào)查監(jiān)測(cè)可行。

4.2 危害等級(jí)

高原鼠兔有效洞口數(shù)將高寒草地鼠兔危害等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)。即輕度：有效洞口數(shù)為9～30個(gè)/公頃，中度：有效洞口數(shù)為31～100個(gè)/公頃，重度：有效洞口數(shù)為101～170個(gè)/公頃，極重度：有效洞口數(shù)為171～240個(gè)/公頃和猖獗危害：有效洞口數(shù)>240個(gè)/公頃。

通過(guò)分析，試驗(yàn)區(qū)洞口密度為0～4 500個(gè)/公頃，平均有效洞口數(shù)為528個(gè)/公頃。該區(qū)域的有效洞口率為33.5%。該區(qū)域鼠害狀態(tài)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。該區(qū)大多數(shù)調(diào)查樣地內(nèi)的草地處于鼠害猖獗的階段，占所有航拍樣地的61.87%；其次為中度鼠害，占所有航拍樣地的12.52%；所有樣地中，無(wú)鼠洞(有效洞口數(shù)小于9個(gè)/公頃)的樣地所占比例最小，僅為3.55%；而輕度、重度和極重度鼠害的樣地所占比例較少，分別為5.05%、9.72%和7.29%。

實(shí)驗(yàn)自2017年10月21日開(kāi)始。摘除凌霄干花的花托后，將其余部分剪成2 cm長(zhǎng)的小段。稱取50 g凌霄干花，置于1 000 mL燒杯中，加1 000 mL去離子水浸泡48 h，獲得浸泡液。制取凌霄干花水浸提液時(shí)，首先用四層紗布過(guò)濾浸泡液，將所得的濾液再經(jīng)六層紗布過(guò)濾，制取水浸提液；然后將第二次過(guò)濾獲得的水浸提液（0.05 g/mL）作為母液，進(jìn)行4次稀釋，分別制取四種不同濃度（0.04 g/mL、0.03 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL)的凌霄干花水浸提液。

將人工調(diào)查得出的鼠害總洞口數(shù)、無(wú)人機(jī)調(diào)查的定點(diǎn)位置樣本自動(dòng)分析得出鼠害洞口數(shù)及定點(diǎn)位置樣本人工計(jì)算得出鼠害洞口數(shù)，這三種數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，得出：P-value﹥0.05， F值﹤P-value值，即三種調(diào)查方法所得出的鼠害洞口數(shù)兩兩間無(wú)差異，這說(shuō)明三種調(diào)查方法得出的鼠害洞口數(shù)基本相同，相互吻合，無(wú)人機(jī)調(diào)查鼠害洞口數(shù)自動(dòng)分析數(shù)據(jù)可信。根據(jù)全部樣本量自動(dòng)分析得出鼠害總洞口數(shù)及人工鼠害調(diào)查得出的鼠害有效洞口率，得出1.33×104hm2試驗(yàn)區(qū)鼠害平均總洞口數(shù)為528個(gè)/公頃。平均有效洞口數(shù)為177個(gè)/公頃。

表4 剛察縣貢公麻村典型鼠害區(qū)域草地有效洞口統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.3 試驗(yàn)區(qū)草原鼠害危害現(xiàn)狀

每張照片覆蓋面積約為26m×35 m，每個(gè)像素的分辨率大約為1 cm，高原鼠兔的洞口的直徑約為6 cm，調(diào)查過(guò)后，將數(shù)據(jù)整合到Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖4 剛察縣典型鼠害區(qū)鼠害類型空間分布圖

5 討論

5.1 無(wú)人機(jī)調(diào)查鼠害的特點(diǎn)

5.1.1 具有技術(shù)機(jī)動(dòng)性 靈活性 便捷性 無(wú)人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，受空中管制和地形的影響較小，與人工監(jiān)測(cè)相比，能夠在平地和斜坡直接獲取影像，機(jī)動(dòng)便捷。

5.1.2 能夠精準(zhǔn)拍攝 低空作業(yè) 自動(dòng)避障、無(wú)地形限制 無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行高度在2～150 m，手動(dòng)飛行可低至0～2 m，可以精確拍攝不同高度的影像，且不同機(jī)型具有自動(dòng)避障和地形跟隨功能，保障飛行安全和拍攝的相對(duì)穩(wěn)定。

5.1.3 具有成本相對(duì)較低 操作簡(jiǎn)單的特性 無(wú)人機(jī)低空攝影系統(tǒng)使用成本低，耗費(fèi)低，對(duì)操作員的培養(yǎng)周期相對(duì)較短，系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡(jiǎn)便，可以無(wú)需機(jī)場(chǎng)起降。

5.1.4 大面積作業(yè)省時(shí)省力 效率高 單個(gè)無(wú)人機(jī)只需要一個(gè)操作員，且能在短時(shí)間內(nèi)快速大量拍攝影像，加大鼠害調(diào)查監(jiān)測(cè)的區(qū)域，且在陰天、輕霧天也能獲取合格的影像，從而將大量的野外工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，既能減輕野外工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少工作時(shí)間，又能提高作業(yè)的效率和精度，更精準(zhǔn)的掌握鼠害危害動(dòng)態(tài)情況。

5.1.5 GPS精準(zhǔn)定位 形成記憶性監(jiān)測(cè) 無(wú)人機(jī)攜帶GPS，對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)的工作點(diǎn)的時(shí)間，地點(diǎn)及范圍形成準(zhǔn)確記憶，從而形成草原鼠害監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，增加草原鼠害監(jiān)測(cè)的全面性、實(shí)時(shí)性。

5.2 無(wú)人機(jī)調(diào)查鼠害的不足

電池續(xù)航能力差，無(wú)人機(jī)單塊電池在正常的情況下飛行18～23 min，可拍攝約2個(gè)拍攝點(diǎn)，但單塊電池充電要1 h左右。

5.3 前景展望

無(wú)人機(jī)低空實(shí)時(shí)成像技術(shù)現(xiàn)如今已經(jīng)逐步成為一種新興測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)，多學(xué)科相互交叉，目前在城市規(guī)劃建設(shè)、勘察地質(zhì)災(zāi)害、防災(zāi)減災(zāi)、林業(yè)、國(guó)土等多個(gè)方面進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行草原鼠害監(jiān)測(cè)還屬于探索階段，但在實(shí)際應(yīng)用中已發(fā)現(xiàn)諸多優(yōu)勢(shì)。

草原有害生物野外調(diào)查監(jiān)測(cè)一直以來(lái)依靠于傳統(tǒng)的人工調(diào)查方法，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，由于缺少專業(yè)技術(shù)人員，受季節(jié)性影響等原因，調(diào)查精度不高、區(qū)域受限，不能實(shí)時(shí)有效的掌握有害生物的危害情況。利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展草原鼠害野外調(diào)查監(jiān)測(cè)，不僅能克服傳統(tǒng)人工調(diào)查方法的缺點(diǎn)，還可節(jié)約成本、對(duì)監(jiān)測(cè)地形成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，增加鼠害監(jiān)測(cè)的聯(lián)結(jié)性。通過(guò)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的探索應(yīng)用，它不僅可以用于草原鼠害的調(diào)查監(jiān)測(cè)，還可用于草原蟲(chóng)害、草原毒害草、退化草地、地上生物量等的調(diào)查監(jiān)測(cè)，打破了草原長(zhǎng)久以來(lái)的調(diào)查監(jiān)測(cè)瓶頸，開(kāi)辟了草原有害生物調(diào)查監(jiān)測(cè)的新途徑、新方法，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和前瞻性。