無人機航測技術在海草床調查中的試點應用

陳春華，蔡紹孟，劉建波，宋長偉，丁翔宇

(1.海南省海洋與漁業科學院，海南 海口 570126；2.海南熱帶海洋學院，海南 三亞 572022；3.中國海洋大學，山東 青島 266100)

海草床是典型海洋生態系統之一，廣布于熱帶和溫帶的海岸帶[1-2]，承擔著營養循環、潮間帶及潮下帶基質沉積和穩定、海洋生物棲息場所與食物來源等重要的生態服務功能，它們與海藻每年產生的生態服務功能價值高達1.9萬億美元[3]。海草研究正成為海洋生態與保護工作中關注的熱點，沿海各國紛紛進行海草分布監測[4]、種類調查[2]、修復重建[5]等研究工作。國內海草研究工作起步晚，1979年開始才有零星報道[6-7]。近年來我國的海草研究報道較多[8-9]，海南島的潟湖、港灣、河口為海草的生長繁衍提供了優越的條件，使之成為我國海草種類最多、分布最廣的地區之一[8]，但面臨退化風險[9]；對海南省生態監控區調查工作已持續了16 a，積累了海南海草床的生態狀況和時間變化的數據，對于海草床生態監控區的監測方法以實地調查為主，通過布設斷面和拍攝統計采樣點信息，得到海草的分布狀況[10-14]，該方法局限在小范圍的空間內調查，存在代表性和可比性差的問題。

隨著無人機航拍技術的應用越來越廣，國內很多學者認為可以將該技術應用于森林和植被等領域[15-16]，但目前運用無人機在監測海草資源的報道較少，主要原因是：①受海面水體反射光的影響，出現高光、海面反射等因素干擾，影像數據圖像不能很好的反映水下監測目標的情況；②海面無特征點、潮汐、波浪動態變化等問題導致拍攝的照片無法拼接成完整遙感圖。本研究通過飛行方案設計，采用無人機航拍技術得出高分辨率的海草資源分布航拍圖，并得到精確的海草分布情況和研究區域中海草集中分布區的占比，該方法可以應用于海南省其它海域的海草分布調查，掌握海南省的海草分布情況，對海草床生態的監測和保護管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于海南省文昌市東郊鎮南側東郊椰林近岸海域，寬度為1 000 m的礁砰上，本研究調查區范圍為500 m×300 m，其中選擇有代表性的100 m×100 m區塊作為研究區，如圖1所示。研究海域水深較淺，離岸500 m范圍內水深淺于0.5 m，大潮低潮時海床露出水面。年平均溫度為24.4 ℃，年均降水量為1 529.8 mm，日照時數為2 026 h，位于熱帶北緣，屬于海洋季風氣候，潮汐特征為不正規全日潮類型。常浪向為SE向，夏半年SE—S向出現頻率較高，冬半年NE—SE向出現頻率較高。

圖1 研究區域地理位置Fig.1 Location of research area

1.2 無人機飛行方案設計

1.2.1 飛行參數、范圍確定和航線設計 收集東郊椰林近岸海域的歷史遙感圖，從圖中海草分布范圍選擇航測區域，東西向500 m，南北向300 m。基于調查區域與相關資料進行航線設計，確定飛行起點坐標并布設控制點，在遙控器上選取該區域3個點及以上即可自動生成閉合的飛行區域，并自動生成航線，航跡線如圖2所示。

圖2 無人機航拍航跡線Fig.2 Flight route of UAV

本研究試驗采用大疆精靈Phantom 4 RTK無人機，配備1英寸2 000萬像素的相機。飛行參數：飛行高度為50 m (GSD 1.37 cm/像素)，速度為3.9 m/s，拍攝模式為定時拍攝，完成任務后自動返航。相機設置：照片長寬比例為3∶2，白平衡為晴天，測光模式為平均測光，云臺角度為-90°。重疊率設置：旁向重疊率為70 %，縱向重疊率為80 %，邊距設置為自動。

1.2.2 潮汐條件確定 在高潮、中潮時經多次飛行試驗均拍攝不清楚海底的海草，本研究選擇在大潮低潮時進行拍攝，表1為與調查區鄰近的清瀾站2021年9月至2022年8月的最低潮位數據，可以看出每個月最低潮潮位和對應的時間，最低潮位范圍為-18～41 cm(理論深度基準面)，根據研究區的水深情況，最低潮位低于30 cm以下，海草裸露，適合航拍。無人機拍攝適合于白天，即07：00至18:00之間，從表1知2021年9、11、12月，2022年5、6、7、8月是適合無人機拍攝的時間，遇到海況大于3級、下雨不能飛行作業，一年中可以航拍的天數有限，在選定的時間內，一旦海況條件允許需做好飛行準備實施航拍工作。本研究選取2021年9月5日16:52最低潮時間前后30 min實施了無人機拍攝。

表1 清瀾站一年最低潮位情況Tab.1 A year round monthly lowest tidal level at Qinglan station

飛行高度：飛行范圍為300 m×500 m，飛行高度選取100 m時需1個航次，潮汐動態變化造成水深變化和顏色變化幅度小，色帶變化在合理范圍內便于數據處理，但海底海草分布的清晰度不夠理想；同時還需考慮低潮時間只有1 h，潮汐動態變化造成水深變化和顏色變化，選取飛行高度50 m時，潮汐動態變化造成水深變化和顏色變化的幅度稍大，但海底海草分布的清晰度較理想，拍攝試驗最終選取飛行高度為50 m。

1.3 海草航拍圖和海草分布圖的獲取方法

根據無人機飛行方案，本次50 m飛行高度獲得原始圖片共922 張，使用PIX4D軟件拼接處理后，生成帶坐標信息的高精確海草航拍影像圖，幅面為300 m×500 m。將其分成了15個區塊，為了清楚地反映海草航拍效果，選取第7區塊(100 m×100 m)作為試點研究區域(圖1)，采用ArcGIS中的 ISO聚類非監督分類工具，選取類別數量為6，對顏色相近的像元進行歸類，利用三維數據分析中的等值線工具得出6種類型的等值線，通過屬性表中的折線長度結合航拍圖篩選出海草的分布邊界，得出海草分布圖。

2 結果與討論

2.1 海草分布特征

本研究海草床的無人機航拍結果如圖3所示。調查人員在大潮低潮水深小于0.5 m時，采用水下相機現場拍攝的照片如圖4所示。

圖3 試點區域的海草床航拍圖Fig.3 Aerial map of seagrass bed on research area

東郊椰林沿岸海草床位于離岸寬度1 000 m的礁砰上，分布范圍為離岸300 m、水深小于1.5 m的區域，活珊瑚分布在礁砰的邊緣附近，海草和活珊瑚分布位置不同，這與高隆灣和龍灣的海草分布調查結果類似[17]。海草床與珊瑚礁等生態系統共存，珊瑚礁坪寬廣，珊瑚礁碎屑較多，部分海草生長在粗顆粒的珊瑚碎屑中。圖3為研究區的海草分布特征，海草床呈斑塊狀、間隔式分布，這與海南的后海灣、鐵爐港、鹿回頭、西瑁洲島和小東海等的調查結果[17]相近，與波浪和潮汐對海底沉積物塑造有關，在沖刷區因動力篩選作用，粉砂淤泥量少，海草難于扎根生長成活。

海草為綠色與海底顏色和大型藻類的顏色明顯不同，采用ArcGIS軟件的顏色分類工具可以獲取海草分布情況。從實地觀測到單脈二藥草(Haloduleuninervis)和卵葉喜鹽草(Halophilaovalis)一般在潮下帶較淺有淤泥分布的區域，海草上吸附著懸浮物，綠色夾雜灰色，采用ISO聚類非監督分類方法時，其分布區域與其他海草分布區域顏色也有明顯差別。泰來草(Thalassiahemprichii)優勢分布區域和珊瑚碎屑堆積的海草分布區顏色分布也有差別。鄭風英等(2013)[18]對中國海草種類、面積及退化情況進行了匯總分析，中國現有海草22種，隸屬于4科10屬，約占全球海草種類數目的30 %；黃小平等(2016)[19]將22種海草中的16種命名為“藻”，統一重新命名為“草”，并對個別種名進行了規范化。根據這兩位學者的分類建議，結合現場實地調查發現東郊椰林近岸海域海草種類有5種，分別為圓葉絲粉草(Cymodocearotundata)、單脈二藥草、海菖蒲(Enhalusacoroides)、泰來草和卵葉喜鹽草，優勢種為泰來草。

泰來草分布面積最大，調查區不同水深處均有分布，部分生長在顆粒較粗的珊瑚碎屑中[圖4(a)、4(b)]；圓葉絲粉草主要在潮間帶低潮帶至潮下帶上部，海底堆積和沖刷區交界處是密集分布區域[圖4(c)]，單脈二藥草[圖4(d)]和卵葉喜鹽草主要在潮間帶低潮區有淤泥分布的區域，其表層吸附有懸浮物，從現場看卵葉喜鹽草匍匐生長，航拍圖顏色可以明顯分辨卵葉喜鹽草的分布與其它海草不同，實地拍攝的照片如圖4(e)、4(f)所示。試驗區海底在珊瑚礁盤的波浪和潮汐塑造作用下，海底主要分布有沙、珊瑚礁、礁石珊瑚碎屑，除海草外有零星珊瑚生長[圖4(g)]，礁石上有馬尾藻(Sargassum)生長，其顏色為褐色[圖4(h)]。

2.2 海草分布面積計算

采用ArcGIS中的 ISO聚類非監督分類工具得出的分類結果如圖5所示。

圖3的航拍影像圖上半部和下半部顏色有明顯不同，這是不同飛行航次、潮高不同、海水顏色變化引起的，從圖5也相應看出，同一海底類型有不同的顏色，這會影響分類結果。由此得到啟示：無人機航拍技術可以應用于海草床生態監控工作，合理選擇飛行高度和拍攝范圍確保航拍一架次完成，東郊椰林近岸海域選擇飛行高度50 m，300 m×300 m范圍作為海草床生態監控樣方是合適的，分類結果才能應用于海草蓋度指標計算，進而根據分類矢量數據集，利用三維數據分析中的等值線工具得出6種類型的等值線，通過屬性表中的折線長度篩選海草分布邊界，在航拍過程中持續近1 h，潮高處于動態變化過程，海草分布區的等值線類別也相應變化，一般在2、3、4的等值線，結合手動篩選，篩選出海草密集分布區后，將等值線轉換成等值面，計算各海草密集分布區的面積(圖6、表2)。從圖6和表2可知，總面積為10 000.0 m2的試驗區中海草分布面積為2 449.6 m2，占比為24.5 %，海草密集分布區19的面積最大，為294.8 m2，大于100.0 m2的有8個，10.0～100.0 m2的有29個，小于10.0 m2的有91個。可以看出試驗區內海草呈塊狀而非連續成片分布，海底海草分布與波浪和潮汐塑造的海底沙堆積和沖刷的分布狀況有關，在瑚湖碎屑、沙、淤泥堆積區適合海草生長，在沖刷沒有淤泥的區域基本無海草分布，由此可以推斷海草移植如不考慮這種分布規律是難以成功的。

圖5 ISO聚類非監督分類結果Fig.5 Results of ISO clustering unsupervised classification

表2 各海草密集分布區面積的計算結果Tab.2 Calculation results of seagrass intensive distribution areas

3 結論

(1)無人機航測技術應用在海草調查中，一般情況下存在水面反射、水面動態變化和海面無特征點的影響，航拍圖片無法拼接成影像圖。但海草分布在淺水區，選擇大潮低潮海草露出水面時，設計飛行高度、飛行時間，采用無人機可以拍攝獲得清晰的海草分布影像圖，無人機航測技術可以應用于海草床調查。

(2)利用拍攝的影像圖，采用ArcGIS中的 ISO聚類非監督分類工具和三維數據分析中的等值線工具，結合手工篩選方法，可以獲取海草分布區域邊界、斑塊狀邊界和斑塊式邊界內海草的分布比例，經實地驗證和低空拍攝，得出了海草分布特征，東郊椰林近岸海域海草分布在離岸300 m范圍內的珊瑚礁砰上，呈斑塊狀、間隔式分布，在100 m×100 m樣方中海草分布面積為2 449.6 m2,占比為24.5 %。

(3)調查區有圓葉絲粉草、單脈二藥草、海菖蒲、泰來草和卵葉喜鹽草等5種海草，泰來草為優勢種。單脈二藥草和卵葉喜鹽草主要在潮間帶有淤泥分布的低潮區，圓葉絲粉草分布在潮間帶的低潮帶至潮下帶上部，海底堆積和沖刷區的交界處，泰來草在不同水深處有分布，分布面積最大。

(4)海南海草床生態監控持續了16 a，調查采取實地調查方法，僅反映出局部區域的海草床生態狀況，采用無人機航測技術可以覆蓋大面積的海草調查，得出區域的總體情況，無人機航測技術可以推廣應用于海草床生態監控工作。

(5)無人機航測技術在應用于海草床生態監控時，應合理選擇飛行高度和監控范圍，確保航拍工作一架次完成。針對東郊椰林近岸海域選擇飛行高度50 m，飛行范圍300 m×300 m，以便采用聚類非監督分類技術進行海草蓋度指標計算。