基于無人機遙感的廣東省海洋生態修復項目監測方法研究

摘" 要：傳統的海洋生態修復調查監測方法受監測成本高、調查的區域局限性大、時間滯留性等缺陷的影響，在精細監測中存在較大誤差，無法滿足現代海洋生態修復項目監測需求。該研究采用無人機遙感的技術手段對廣東省海洋生態修復項目展開監測及研究，以紅樹林為例，探索廣東省海洋生態修復項目無人機遙感監測方法的設計要點，歸納出基于無人機遙感技術廣東省海洋生態修復項目監測的技術架構。文章對無人機遙感的海洋生態修復技術流程進行歸納與整理，以期為可持續的海洋生態修復和保護工作的方法研究與實踐應用提供經驗參考。

關鍵詞：無人機遙感；海洋生態修復；生態監測；可持續發展；技術流程

中圖分類號：TP39" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）21-0163-06

Research on Monitoring Method of Marine Ecological Restoration Project in Guangdong Province Based on UAV Remote Sensing

ZHOU Zhigang1， ZHENG Yuping2， LIANG Haoran1， ZHANG Tonghui1

（1.Institute of Land Survey and Planning in Guangdong Province， Guangzhou" 510075， China;

2.Guangzhou Transport Planning Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou" 510030， China）

Abstract： The traditional marine ecological restoration investigation and monitoring method is affected by the defects of high monitoring cost， large survey area limitation， time retention， and so on， and has a large error in fine monitoring， which can not meet the needs of modern marine ecological restoration project monitoring. This research uses UAV remote sensing technology to monitor and research marine ecological restoration projects in Guangdong province， takes mangrove forest as an example， explores the design key points of UAV remote sensing monitoring methods for marine ecological restoration projects in Guangdong province， and summarizes the technical framework for monitoring marine ecological restoration projects in Guangdong Province based on UAV remote sensing technology. This paper summarizes and collates the technical process of marine ecological restoration by UAV remote sensing， in order to provide reference for the method research and practical application of sustainable marine ecological restoration and protection work.

Keywords： UAV remote sensing; marine ecological restoration; ecological monitoring; sustainable development; technical process

0" 引" 言

伴隨著由人類活動產生的海洋污染等環境公害對各國造成的環境威脅日益增加[1]，對海洋這一人類活動及經濟發展集中、人地矛盾突出地區進行生態化修復逐漸成為人們共識。進入21世紀，可持續發展成為時代的主題[2]。海洋是支撐未來發展的資源寶庫和戰略空間，也是高質量發展戰略要地。我國自20世紀80年代開始制定海洋生態修復行動計劃[3]，“十三五”期間，全國整治修復海岸線1 200 km、濱海濕地230 km2。廣東省是我國的海洋大省，全省大陸海岸居全國首位，在國家海洋強國戰略中肩負著重要的責任使命。海洋生態退化趨勢尚未根本遏制是當前廣東省海洋生態環境保護面臨的一大問題挑戰，高強度開發對海岸帶地區的干擾依然顯著，紅樹林、海草床等典型海洋生態系統退化，關鍵海洋物種及棲息地環境受到威脅。海洋生態修復是遏制海洋生態系統退化的重要途徑[4]，然而廣東省目前完成的海洋生態修復普遍存在缺乏標準性管理的問題，工程實施之后也沒有進行長期的監測、效果評估和管理工作，海洋生態文明建設和生態環境保護仍處于壓力疊加、負重前行的關鍵期，需要更完善的監測方法和評估機制，對修復效果進行持續跟蹤和評價，對海洋生態修復方案進行及時調整和優化。

為了實現海洋生態修復的宏觀目標，持續改善受損海洋生態系統結構和功能，實現海洋生態服務供給可持續性，國內外學者從理論分析[5]、制度設計[6]、技術手段[7]到修復成效評估[8]的完整研究框架出發，對海洋生態修復的“目標、成本、效益”[9]過程分別展開了詳細研究。其中，海洋生態修復項目的監測是這一過程中承上啟下的關鍵環節，監測與調研提供了關于海洋環境狀況、生態系統健康和生物多樣性的基礎數據，有助于理解修復措施的效果，評估海洋生態系統的健康和功能。傳統的海洋生態調查監測方法多采用人力固定樣方采樣監測和定點儀器布設長期監測兩種，雖然已經發展為可以基于互聯網技術與衛星傳感器進行遠程指令監測與遙感[10]，但這類傳統監測方法仍然存在監測成本均較高、調查的區域局限性較大等缺陷。此外，地面采樣可能對生態系統造成干擾，并且難以實時獲取數據，導致監測結果可能存在時間上的滯后性；衛星遙感及傳統測繪方法的空間分辨率存在一定的限制，在精細監測中存在較大誤差，無法滿足海洋生態修復項目監測的精細化需求[11]。

近年來，國內無人機遙感技術迅速崛起，無人機遙感技術作為一種高效、靈活的監測手段，通過搭載多光譜、紅外傳感器等設備，實現對地表信息的高分辨率、高頻率獲取，無人機遙感技術的靈活性和成本效益使其成為理想的海洋生態環境監測工具[12]。相比傳統海洋生態環境的監測方法，無人機技術提供了一種更為高效、宏觀的監測手段，無人機搭載的多光譜雷達等傳感器能夠覆蓋更廣的區域，快速收集大量數據，且不會對監測區域造成干擾。同時，無人機多光譜遙感技術還能夠提供一些傳統地面采樣難以實現的關注點，如植被覆蓋度、植被健康狀況等，并且可以進行定期的、連續的監測，為生態修復提供動態的數據支持。無人機遙感如今廣泛應用于森林[13]、草原[14-15]及農田生態系統[16-17]的樣地調查中，在海洋生態修復調查領域處于初步發展階段，總體而言以水質、污染及海洋災害監測為主[18]，較常利用于生態環境監測的環境應急領域[19]。無人機遙感在海洋生態修復項目監測方面具有天然優勢，不僅為需要及時響應的海洋生態項目提供大范圍快速監測，較高的空間分辨率還可以快速監測與區分紅樹林、鹽沼、光灘等海洋生態系統[20]，提供成本低、效率快的高精度制圖渠道[21]。

因此，本研究基于無人機遙感的技術手段，選取廣東省典型海洋生態修復項目中的紅樹林修復作為代表性案例展開研究，提出廣東省海洋生態修復項目監測的技術要點及關鍵技術架構，通過分析無人機遙感技術在紅樹林生態修復效果監測中的應用，探索基于無人機遙感的廣東省海洋生態修復項目監測方法流程，以期為廣東省下一步更好地開展海洋生態修復和保護工作提供有力的數據支持和技術支撐。

1" 海洋生態修復無人機遙感監測技術要點

1.1" 無人機遙感監測指標

以紅樹林生態修復項目為例，無人機遙感調查指標設置如表1所示。

1.2" 飛行預準備

飛行預準備內容如下：

1）確定調查范圍。根據修復項目實施方案中關于修復范圍的記述，確定無人機精確飛行范圍，并建立范圍多邊形文件（kml或kmz格式）。

2）確定工作時間段。查詢距調查區最近驗潮站發布的潮汐預報信息。選擇大潮日為調查日。將調查日最低潮時刻向前、后各擴展1 h作為工作時間段。

3）規劃無人機航線。將調查范圍多邊形文件導入航線規劃軟件，設置無人機航線。在航線主要參數方面，主航線盡量與岸線平行，航空照片旁向重疊率70%，航向重疊率80%，飛行速度≥5 m/s，云臺傾斜角度45°。飛行起始點設為距水線最近航線的起始點。為消除多機同飛時的碰撞風險，將傾斜攝影航線高度設為35 m，多光譜攝影航線高度設為30 m。如航測軟件估算的飛行時間＞1.5 h，則將調查范圍分區，分別規劃航線，使用多架飛機并行調查。

4）布設地面控制點。按圖1布設地面控制點，以保障遙感結果的準確性。如調查區泥沼松軟，可達性差，可縮減控制點數量，或使用免像控方式（通過機載RTK模塊控制調查精度）調查。

5）測量風速。臨近起飛時，用長桿高舉希瑪AS-8336風速儀，測量4.5 m高處風速，持續時間3 min。如最大瞬時風速≥16 m/s，須延遲或取消飛行；最大瞬時風速＜16 m/s可實施飛行。

6）無人機傾斜攝影調查。于工作時間段，放飛大疆Mavic 3E無人機（配備RTK功能模塊，具備免像控測繪功能，飛行相機像素數2 000萬，鏡頭等效焦距24 cm），按預設航線，以鏡頭自動掃擺模式，采集五向航空照片。

7）無人機多光譜攝影調查。于工作時間段，在陽光直射，太陽方位角＞30°條件下，放飛大疆Mavic 3M多光譜無人機，按預設航線采集多光譜航空照片（紅光、綠光、近紅外、紅邊、可見光）。

8）無人機抵近拍攝。利用大疆Mavic 3 pro無人機配備的70 mm、166 mm（等效焦距）長焦相機，對細部、碎部進行拍照、錄像，輔助物種判別、地物分類等后續工作。

1.3" 監測地選取

監測地選取應囊括沿海典型地區，可以在粵東、珠江三角洲以及粵西各選取典型紅樹林種植修復項目，開展無人機遙感監測與評價。具體選取標準如下：1）修復區內不存在無人機禁飛區。2）修復區地勢較平緩、開闊，便于地面調查工作開展，降低安全風險。3）具備穩定的4G或5G移動通信信號，保證GNSS差分信號低延遲傳輸。4）無水閘等阻礙自然潮汐的人工設施。5）修復區內紅樹植物種類豐富。

2" 海洋生態修復地面生態環境監測技術要點

2.1" 地面調查指標

地面調查指標主要包括植被、生物群落、環境要素三大類，具體內容如表2所示。

2.1.1" 植被調查

以紅樹林生態修復項目為例，植被調查方法如下：

1）紅樹林面積、分布、蓋度、林帶寬度采用樣方實地調查。

2）林帶寬度為每個調查區塊平均林帶寬度，林帶寬度按以下公式計算。

式中，W表示紅樹林林帶寬度，單位為米（m）；A表示調查區塊紅樹林面積，單位為平方米（m2）；L表示調查區塊紅樹林岸線長度，單位為米（m）。

3）紅樹林植被其他要素調查采用樣方調查，根據以下不同植被類型設置不同樣方進行調查。

喬木型植被調查應設置10 m×10 m的調查樣方，調查樣方內成年植株和幼樹（株高大于1 m、小于2 m，胸徑小于5 cm）的物種、數量、株高、胸徑。在樣方中，布設1 m×1 m嵌套樣方，記錄樣方內的幼苗（株高小于等于1 m）和附生草本植物的物種、數量、株高，氣生根的類型、數量。

灌木型植被調查應設置5 m×5 m的調查樣方，如植被茂密，可設置2 m×2 m調查樣方，調查參數及調查方法同喬木型植被調查方法。

4）凋落物產量采用收集網進行調查，收集網孔徑應不大于2.0 mm、網口為1 m×1 m，布設高度應在當地最高潮位線以上、植被樹冠以下；進行周年12個月調查，每個月定期取回收集網內的凋落物，烘干稱重。

5）紅樹林植被生物量調查采用各自的立木生物量模型進行計算。

2.1.2" 生物群落調查

大型底棲動物的調查方法為隨機設置25 cm× 25 cm定量樣方，調查大型底棲動物群落。而對于鳥類，采用樣線法調查鳥類物種和數量。

2.1.3" 環境要素調查

水環境鹽度調查及溶解氧調查按國家標準GB/T 12763.2規定執行。對于沉積環境，利用植被調查固定樣方的4個標樁作為沉積速率調查樁，將標樁垂直插入沉積物至穩固（至少50 cm），進行編號并記錄灘涂地表以上的標樁長度，灘涂地表以上標樁長度的年變化量即為沉積速率。

2.2" 地面數據處理

2.2.1" 大型底棲動物多樣性指數計算

種類多樣性指數是生物群落結構的一個重要屬性的反映，可作為生態評價的生物指標。本研究使用Shannon-Wiener法的多樣性指數計算：

式中，表示種類多樣性指數；S表示樣品中的種類總數；Pi表示第i種的個體數與總個數。

2.2.2" 大型底棲動物豐富度指數計算

豐富度是表示群落中種類豐富程度的指數，本研究采用馬卡列夫（Margalef，1958）的計算式：

式中，d表示豐富度指數；S表示樣品中的種類總數；N表示樣品中生物的總個體數。

2.3" 數據處理對比驗證

將各指標地面實測值與同位置的無人機反演值進行對比，計算均方根誤差值。均方根誤差＜2，說明反演值的準確度符合項目要求。如均方根誤差值≥2，則需查找誤差來源。如誤差由局部異常值引起，可通過空間插值替換異常值；如誤差是全局性的，則需校準儀器后重新調查。

3" 海洋生態修復效果評估技術要點

3.1" 修復效果評估指標

以紅樹林生態修復項目為例，紅樹林生態狀況評估從紅樹林植被、生物群落、環境要素3個方面進行評估，具體評估指標與權重賦值如表3所示。

3.2" 修復效果評估方法

3.2.1" 紅樹林植被指標賦值與計算

以生態修復工程建設前為評估參照系，植被評價指標、分級與賦值如表4所示。

3.2.2" 生物群落賦值與計算

紅樹林群落生物評價指標、分級與賦值如表5所示。

3.2.3" 環境要素賦值與計算

環境要素評價指標、分級與賦值如表6所示。環境要素評價指標計算方法按照T/CAOE 20.3規定執行。

3.3" 紅樹林生態狀況綜合評價

修復后紅樹林生態系統評價指數（CEHindex）計算方法如下：

式中，IV表示紅樹林植被狀況指數；IB表示生物群落狀況指數；IE表示環境狀況指數。

根據CEHindex的大小，將紅樹林生態狀況劃分為三個等級：Ⅰ級，顯著改善；Ⅱ級，改善；Ⅲ級，基本無變化，如表7所示。

4" 廣東省生態修復項目監測技術框架

基于以上廣東省海洋生態修復項目無人機遙感監測方法的設計要點，本研究通過分析無人機遙感技術在紅樹林生態修復效果監測中的應用，提出基于無人機遙感技術廣東省海洋生態修復項目監測的技術框架，如圖2所示。

基于無人機遙感的廣東省海洋生態修復項目監測方法將無人機遙感技術手段與現場實地調查監測數據結合，進行對比驗證及效果評估。以紅樹林修復項目為例，選取位于粵東、珠江三角洲以及粵西的典型項目，獲得代表性區域基于無人機遙感的正射、多光譜、激光點云、傾斜、全景、視頻等多種遙感影像數據，以及基于現場調查的生態、化學、水文、地形等現場調查數據，將數據進行對比驗證，從而準確分析和評價海洋生態修復項目的生態環境現狀及其變化趨勢，最后通過指標賦值與計算，獲得生態狀況綜合評價，由此形成基于無人機遙感的廣東省生態修復項目監測技術框架。

5" 結" 論

本研究以紅樹林生態修復為案例，對基于無人機遙感的廣東省海洋生態修復項目監測方法進行梳理研究，并相應總結出以“無人機遙感監測”“地面生態環境監測”“生態修復效果評估”三大板塊為主要內容，涵蓋無人機監測指標、無人機飛行準備、監測地選取、地面調查指標、地面數據處理、數據對比驗證、生態狀況綜合評價等關鍵技術要點的廣東省海洋生態修復監測方法與技術架構，為廣東省下一步更好地開展海洋生態修復和保護工作的方法研究和實踐應用提供參考。

無人機遙感技術為海洋生態修復項目提供了一種新的監測手段。通過無人機搭載的高分辨率相機、多光譜傳感器、激光雷達等設備，可以快速獲取大范圍的海岸線、紅樹林、沙灘等關鍵生態區域的影像數據。這些數據不僅包括了高清的正射影像，還能獲取多光譜、傾斜攝影、全景視頻等多種遙感影像，為生態修復效果的評價提供了豐富的信息。然而，這一技術框架也存在一些潛在的缺點。首先，無人機遙感技術可能受到天氣條件的限制，如強風、暴雨等惡劣天氣可能會影響無人機的飛行安全和數據采集的準確性。其次，無人機遙感數據的解譯和分析需要專業的技術知識和經驗，這對于數據的后期處理和應用是一個挑戰。此外，無人機遙感技術在監測大面積或復雜地形的生態系統時，可能會遇到信號遮擋或覆蓋不均的問題，影響監測結果的完整性。未來無人機技術的發展方向可以進一步結合衛星遙感、地面監測等多種監測手段，形成多源數據融合的監測體系，并加強無人機遙感數據的自動化處理和智能解譯技術的研發，提高數據處理效率和準確性，為廣東省乃至全國的海洋生態修復工作提供更加科學、高效的技術支持。

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作者簡介：周治剛（1977.03—），男，漢族，湖北黃岡人，工程師，本科，研究方向：海洋調查監測；通信作者：鄭玉萍（1999.07—），女，漢族，廣東肇慶人，高級規劃師，碩士，研究方向：生態學、城市生態學、城鄉規劃。

基金項目：基于無人機遙感的海洋生態修復工程監測與評價專項經費（440000240000000002901）；廣東省自然資源廳科技項目（GDZRZYKJ2024011）；廣州市交通規劃研究院有限公司2024年度院內科研項目（KYHT-2024-01）