无人机遥感技术在草原生态学研究中的应用

3.甘肃农业大学草业学院，兰州730070)摘要:无人机遥感技术是近年来发展起来的低空遥感技术，与传统的航空航天遥感和有人机遥感相

比,无人机遥感具有传统遥感无法比拟的高机动灵活性、高时效性、高分辨率、云下飞行和低成本等 优势。诸多方面的优势使得无人机遥感技术在草原生态学研究中的应用成为可能。文章介绍了无人

机遥感系统的组成及传感器的类型，并对其在草原生态学研究中的具体应用进行了详细阐述，以期

技术 的关键词：无人机;低空遥感；生态学；盖度估测；生物量估测中图分类号：S812.6

文献标志码：B文章编号：2095-3887(2019)05-0057-03利用遥感技术进行草原生态学相关研究是当前学

1.2无人机及传感器类型当前市售无人机种类繁多，可按照其使用功能、质 量、飞行原理

者们常用的研究方法，然而，卫星遥感的空间分辨率与

地面样方尺度的调查较难匹配。近年来，无人机技术发 展迅速，在远程遥控、续航时间、航线设定、精准定位、

行动力 分。按照使用功能 分为军用、民用和消费级无人机，民用无人机多用于环境监

地图测绘、资源调査等方面；按照质量和机翼长度

高清图传等方面有

度大、相

。与传的空天遥。作 空天感和有人机遥感相比,无人机遥感具有影像分辨率高、 遥感和有人机遥感的重要补充，无人机遥感更适合中

可分为大型、中型、小型和微型无人机，小型和微型无

其优越的性价 得 的用；根 行

原理可分固定翼无 旋翼无 混式无小尺度范围和高频次的调查研究。在草地研究和管理 方面， 利用无 遥感

人机;根据其动力来源又可分为电动和油动2种类型。

地 高草地 度固定翼无 的优点是飞行度快、时间长 ，分辨率的遥感 ，

但其缺点为体积大、对起降场地要求高。多旋翼无

,而有 的应用前景。的最出优是能够实现目标悬停，体积 带,但其缺

方便携1无人机遥感系统介绍能力差

结

行距离短 行高度低。1.1系统组成无人机遥感系统主要由无人驾驶飞行器、飞行控

混式无

无

二者的优，使用方便，性能优越,但缺点是成本较高。是一个新的平台，可以搭载不同类型的传传感 无理与应用分析系统以及地面控制系统等几部分构成[1]o 地面 传

的 传

感器达到不同的使用目的。常见的传感器有见光

无

分 用 ，进行

的 态码相机、热红外相机、高光谱传感 光谱传感器激配准光雷达(LiDAR)等。利用不同的传感器可获得不同的

，从而生 高 面(表 1)。型(DSM)、数字地面模型(DOM)等，相关产品可以用于

2无人机在草原生态学研究中的应用无人机遥感系统具有成本低、工作效率高、定位准

生态 管理方面。确、操

收稿日期：2019-04-03性强 。相 卫星遥感，无人机遥感的时效性强，拍摄影像清晰，精度高；相 普 通照相来说，无 拍摄覆面积广；相 有人驾驶 来说，无 拍摄成本低，安全性高。

基金项目:甘肃)第二次草原普査项目(GNKJ-2014-8)；甘肃)农业财政项1(201647)；甘肃)农业财政项目(2016276)作者简介:潘冬9( 1989-)，男,畜牧师,博士研究生，主要从事草原保护工作。，无 遥感通信作者:韩天虎(1967-),男,研究员，主要从事草原管理与保护工作。能 草原生态遥感研究 其强 的技术 作用。58中国草食动物科学表1不同传感器的数据产品类型及应用2019 年传感器类型数据点云、正摄影像、数字表面模型、数字高程模型温度图谱全波段光谱信息应用范围物种识别、地形信息火灾监测、热排放监测、大型动物识别可见光数码相机热红外相机高光谱传感器多光谱传感器植物含氮量、植物物候植被生物量、病虫害监测多波段光谱信息点 数字表面模型 数字 面模型光达生物量估测等2.1物种识别和植被类型划分无人机遥感技术获取的影像经过专业软件处理后

可以获得数字表面模型、数字高程模型和数字正射影 像,其分辨率远远高于卫星遥感影像，可用作物种识别 和植被类型划分。物种的识别精度与物种个体大小、形 态相似程度、植被生境等密切相关，物种间的相似性越

高，识别率越低⑵。Husson等⑶利用无人机的可见光影 像识别出瑞典北部的河岸物种 ，扌的植被分。 等⑷利用决策树算法基于数字正射影像实现了榆树林

和 植被类型的自动划分。Mora等［5］利用无人机可见光和近红外遥感影 像识别出苔原植被类型。以上研究表明，无人机遥感技

术 机学算法是一种高 的植被监测法， 实现 度上植被类型的动划分，并且可以用于其他生态

植被类型的划分和

。 于相似性 低的 林生态 ， 可以利用无人机遥感影

像过形、大小、纹理、 等特征识别植物种。2.2盖度估算盖度的估算有针刺法和目视估测法。针刺法精度 较高，

， 中用较少，

，法的精度

和 人 的经，不同人员估测的误差可高达20%。利用无人机 高

面，的代表性， 无人机 的

经过软件分 可以获 精 的 度数 ， 度 的过程冋。

等⑺无人机遥感技术应用于

善荒漠区灌木调查中， 其他算法，动识别并区分出种类的灌木信息计算出灌 度，果表无人机

遥感 的植被度的数据精度优于传 面样方测地的数据，可无人机技术推广用于植被盖度的野 外调查中。2.3生物量估算草地地上生物量是衡量草地长势及生态系统服务

功能的重要指标， 生态 碳收支、 载畜量核定和草地资源的可持续开发利用具重要意义［8］o目 前常用的生物量估算 法主要 2种：一种是建立野外实测生物量与相关变量的数据库，估算草地生物量； 另一种是建立

实测生物量与遥感植被指数之间的回归模型，进 算生物量。

，这2种 法存 的缺点实生物量与遥感像元之间的对应关 不准，使得算果

。无人机遥感影像的分辨率可达厘米级， 范围可达数百米，可以作为地面数据与遥感数据之间的中间纽带，进

功 算

生物量。孙世泽等⑷利用多旋翼无人机获取含

波段的高分辨率多光谱影像， 面实测数据，在进行天生物量与植被指数相关性分的基础上，

运用回归分

法，建立生物量和多种植被指数的估算模型，算了天山北坡天然牧场草地生物量，算结

果与实际相符。张正建等利用0.2 m分辨率的无人机 可见光遥感影像，构建植被指数，

面实测数据，估算了若尔盖高的 植被生物量，表无人机可见光植被指数可以

区分

和其土地覆盖类型，草地生物量与可见光植被指数

的相关关o2.4生物灾害（鼠虫害）调查生物

和 ， 多发生在人烟稀少、交通不便的偏远区域，由于限

素较多，人工 面 难以到达，传统遥感影像的 间分辨率和空间分辨率无法满 生物 的要求!10\"。无人机低 遥感 种 型的生物 法， 具高 间分辨率、高 、低

、低 等 点，宏观地分析草地病虫害及草地鼠害［11］。马涛等旧对新

尔

的 林大 典型 区进行2次无人机低 ，分别获取分辨率0.02 m与0.024 m的实验区超高分辨率影像，对两片实验区整幅

影像进行

，获得 分 ， 分基础 进行 区分

势 ， 获取 间分布趋势，为无人机低空遥感可以为大沙鼠鼠害调

度高的

果。吴琼问利用无人机平载 光谱相机， 获取可见光 像和 像，提取图像中像素点的

量，自动识别出

，精 划分出 发生区 ， 为大面 的发生

和 行 势，

果和

第39卷第5期综述与专论59林草原植被类型划分和覆盖度生长季动态估计[J]•生态学报，

2018 38 18

6655-6663.了技术支撑。说明无人机低空遥感技术在鼠虫害监测

防治方面具有广阔的应用前景。此外,无人机遥感还广泛地应用于碳储量估算、叶

[5]

Mora C,Vieira G,Pina P,et al.Land cover classification using

片叶绿素含量、含氮量估算、叶面积指数、干旱胁迫、植 被活力评价等方面。[6]

high-resolution aeria photography in adventdalen, svalbard [ J ]. Geografiska Analer, 2015,97 ： 473-488.宜树华，陈建军，秦！•无人机航拍再青藏高原高寒草地生态系

3结语随着无人机和传感器技术的快速发展，无人机遥 感已成功地应用于草地类型划分、草地植被盖度估算、

[7]

统研究中的初步应用[J ] •西南民族大学学报,2016,42(1):1-7.万炜，肖生春，陈小红,等•无人机遥感在野外植被盖度调查中

的应用——以阿拉善荒漠区灌木为例[J].干旱区资源与环境，

2018,32(9):150-156.生物量估算、草地灾害监测等方面。无人机遥感系 补了 和空遥感在周期

、机[8]

孙世泽，汪传建，尹小君，等•无人机多光谱影像的天然草地生物量估算 J .遥感 , 2018, 22 5 848-856.等方面的技术不足，获取的高分辨率 空遥感无

的[14]，高空

是[9]

张正健，李爱农,边金虎，等•基于无人机影像可见光植被指数的若尔盖草地地上生物量估算研究[J].遥感技术与应用，

2016, 31 1

获一高分辨率 L的应用的技具有广阔的应用前景。传 数 型 的型监测分和草

51-62.技术 人 的 外 测 草 生

术支撑，在草生态遥感

[10 ]李风贤•无人机技术在草原生态遥感监测中的应用与探讨[J].

测绘通报,2017(7):99-102.[11 ] Li Z,Zhu Y,Yang F,et al.Study on the evaluation of UAV disaster

monitoring system architecture based on the RSBFNN algorithmic

参考文献[1 ]雷添杰，李长春,何孝莹.无人机航空航空遥感系统在灾害应急method [ J [.Applied Mathematics & Information Science, 2015,9

(3):1455-1465.[12]

救援中的应用[J].自然灾害学报,2011,20(1):178-183.[2]孙中宇，陈燕乔，杨龙，等.轻小型无人机低空遥感及其在生态

马涛,郑江华,温阿敏,等•基于UAV低空遥感的荒漠林大沙鼠

洞群覆盖率及分布特征研究——以新疆古尔班通古特沙漠南 缘局部为例[J]•生态学报，2018,38(3):953-963.[13]

学中的应用进展[J].应用生态学报,2017,28(2):528-536.[3 ] Husson E,Lindgren F,Ec；e F.Assessing biomass and metal contents

inriparian vegetation along a pollution gradient using an unmanned

吴琼•基于遥感图像的松材线虫病区域检测算法研究[D].合肥：

安徽大学,2013-[14汪小钦，王苗苗，王邵强,等•基于可见光波段无人机遥感的植

aircraft system] J [.Water, Air & Soil Pollition, 2014,225 ： 1-14.[4]韩东，王浩舟,郑邦友，等•基于无人机和决策树算法的榆树疏被信息提取[J].农业工程学报,2015,31(5):152-159.投稿声明一、 本刊未委托任何中介机构或个人收费组稿，因此，希望作者投稿时仔细甄别，以免上当受骗。如作者不

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