无人机遥感技术在陆地生态系统监测与评价中的应用

王飞 李伟 赵文植 李卫英 辛培尧

摘 要：陆地生态系统对人类生存和社会发展极为重要，进行陆地生态系统综合监测与生态环境评价是解决和治理生态问题的前提。传统地面监测方法由于视角问题很难满足综合监测与评价的要求，而卫星遥感监测又存在监测精度低、时效性差等问题。无人机灵动性好、便于操作，经搭载各类型遥感传感器，可实现陆地生态系统动态连续监测。基于此，无人机遥感技术在森林、草原、荒漠及农田生态系统的监测与生态环境评价中已得到了广泛应用。

关键词：无人机遥感技术;陆地生态系统;陆地生态系统监测;生态环境评价

中图分类号 S771.8文献标识码 A文章编号 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

陸地生态系统作为地表的重要组成部分，按照内部环境和植被特点的不同，可分为森林、草原、荒漠以及农田4类子系统，其在源源不断地向人类提供食物、用材、工业原料、药材等实物产品的同时，还以生态服务的形式在极大程度地改善了人类赖以生存的地球生态环境，如调节气候、保持水土、固碳释氧、维护生物多样性等[1]。做好陆地生态系统的监测与评价工作，对于了解生态系统的资源现状、结构、功能以及存在的问题等具有重要的意义，可为生态系统的管理、政策制定及生态环境的治理提供可靠的依据[2]。

传统的监测方法大多是通过人工外业的形式进行实地测量，由于受视角及地形环境的限制等，监测结果往往不理想，且耗时耗力。而无人机技术及遥感传感器的研发与应用，为陆地生态系统的动态综合监测与评价提供了可能性[3]。无人机遥感技术是一种结合无人机、遥感遥控、遥感传感器、通讯以及GPS分差定位等技术于一体的新型技术。与传统技术相比，由于无人机遥感技术具有体积小、重量轻、使用方便、数据获取精度高等优势，近年来无人机遥感技术已经作为一种新型的探测技术被广泛应用于各行各业，近地面、低速飞行的无人机通过搭载不同类型的遥感传感器，能够快速获取空间遥感信息，被广泛应用于处理突发灾害、工程测绘、土地利用调查、开采项目监测和动植被识别监测等方面。另外，无人机遥感技术能够对水资源、大气以及固体污染物等情况进行高效判读，有利于工作人员全面评估区域环境状况[4]。

本文主要从4类陆地生态系统的子系统出发，阐述了无人机遥感的应用与发展，并结合目前对生态环境影响较大的几项项目工程，论述了无人机遥感在环境影响评价中发挥的作用。基于此，本文展望了无人机遥感在陆地生态系统监测与生态环境影响评价中的应用前景。

1 陆地生态系统监测及生态环境评价体系

1.1 陆地生态系统监测 陆地生态系统监测指标体系庞大，主要分为气象要素指标监测、水文要素指标监测、土壤要素指标监测、植物要素指标监测、动物要素指标监测及微生物要素指标监测等[5]。每个要素的常规监测指标见表1。诸多的监测指标给监测工作者带来了很大的挑战，无人机利用自身高视角、灵活便捷的优势通过搭载不同类型的遥感传感器，可大大节约监测成本，提高监测效率及精度。

1.2 生态环境评价 生态环境评价包括生态环境质量评价和生态环境影响评价，是指对生态系统内部的环境状况、现存问题及其造成的影响进行定性或定量描述。生态环境质量评价是在一定时间和空间范围内对生态环境现状进行分析，以定性或定量的方法判别生态环境的优劣程度，按照环境要素可分为大气环境质量评价、水环境质量评价、土壤环境质量评价及噪声环境质量评价;而生态环境影响评价则是以评价其环境服务功能为主，探究各项人类建设活动对生态系统所产生的影响，并基于此制定合理的防治措施和应对策略，是环评工作的重要部分[2]。随着人类社会的不断发展，陆地生态系统在自然和人类活动的影响下随时发生着复杂的变化，做好具有时效性的生态环境影响评价就显得尤为重要。目前，我国生态环境影响评价中的数据调查多采用资料收集法、现地勘察法、咨询法等传统的调查方法，不但效率低、时效性差，而且无法进行量化分析。而无人机遥感技术的引进，可以在很大程度上避免这些问题，进一步推动生态环境评价工作的进程。

2 无人机遥感技术在陆地生态系统监测中的应用

陆地生态系统监测指标繁杂，单纯地依靠人力很难实现监测目的。地面监测、调查监测、资料分析等传统监测方法多是通过人为野外观测实现，容易受外界因素的影响，监测结果通常存在较大误差并且监测效率不高。而兴起的无人机遥感技术结合了低空航拍测量和遥感数据处理分析技术，可以利用较短的时间，更加高效地完成对规定地域内各项监测指标原始数据的采集，在保证监测效率的同时保证监测结果的准确性。

2.1 森林生态系统监测 森林生态系统有着“地球之肺”之称。近年来，国家层面越来越注重天然林和人工林的保护和培育问题，加强了森林经营管理，运用科学的营林措施有效地促进了森林资源的发展。据森林资源连续清查结果显示，我国森林资源数量逐年增加、质量逐步提高，其效能也在不断增强，森林资源整体呈现良好的发展态势。而森林生态系统监测一直是林业发展和生态建设的基础性工作，监测结果直接关乎国家林业建设和发展的方向。随着森林经济效益、社会效益和生态效益的进一步发掘，如森林康养、森林旅游等一批新型产业越来越被人们所关注，我国森林不再是以单纯的提供木材来换取经济发展为主要导向，森林所带来的生态和社会效益也成为了森林服务功能的重要部分，这种转变使得森林监测工作必须做到森林资源和生态状况的综合监测，而森林资源本身又具有层次性强、动态变化快等特点，因此，森林资源监测工作也就面临着信息量大、内容复杂等难题。想要做到大范围、高精度的森林资源动态性综合监测仅靠传统的监测方法已经远远不能满足监测的需要。另外，我国前些年大面积营造结构单一的人工纯林，导致林地生产力下降，森林病虫害、火灾频发，并且部分地区缺乏森林保护意识，存在乱砍滥伐、不合法征占用林地等现象，而传统的监测方法不可能做到实时监测数据的反馈，以致相关部门对这些破坏森林资源的因素不能及时管控。为了解决以上问题，无人机遥感技术在森林资源调查及生态环境监测领域迅速崛起并广泛应用，在中小领域森林资源调查和生态环境监测方面发挥了重要的作用，大幅节省了传统森林资源监测工作对财力、人力及物力的消耗，很大程度上克服了地理环境对监测过程的影响，提高了监测效率和监测结果的准确度[6，7]。

目前，無人机遥感技术在林分树高及冠层结构测定、森林生物量测定、森林病虫害和森林火灾监测等方面均取得了显著成效[8]。在研究对林分树高测定时，Chen等[9]采用无人机搭载激光雷达生成仿真波形，建立森林高度模型，得到较高的测量精度，证明了无人机遥感技术可用于估计林分树高。张煜星等[10]结合无人机遥感得到的数字表面模型和数字高程模型来提取林分树高，并计算林分平均高，其测定结果与森林资源二类调查数据相比，精度达到了75.1%。Otero等[11]利用无人机遥感与野外调查数据相结合的方式，测定红树林保护区内的树高和生物量，通过传统调查数据与无人机调查数据的对比分析，来检验利用无人机遥感技术调查红树林森林特征（高度和地面生物量）的准确性，结果表明，无人机可以用于该地区红树林树高及生物量的监测，尤其是适用于相对均匀且林层结构较为单一的生产性林分。邓小玲等[12]利用无人机搭载高光谱遥感对柑橘患病植株分类并进行特征波段的提取，使用相关算法建立分类模型，结果表明，分类准确率达95%以上，证明了特征波长的有效性。曾全等[13]利用无人机遥感技术对因松材线虫病致死的松树精确定位，其监测结果与野外实测只相差1棵，通过实地验证，定位的水平误差在0.86～4.20m，监测结果较为准确，为松材线虫病的监测提供提了新的方法。在森林火灾监测中，无人机遥感能实时回传的图像和红外热成像信息，有利于第一时间发现森林火情，了解火情信息，及时做出反应，将损失降到最低[14]。例如，2019年3月，在北京密云、平谷地区的林火救灾中，无人机在火灾发生后迅速抵达火灾现场上空进行火情侦察，利用高空视角，提供了火灾发生后各个阶段的可见光，实时地将火势蔓延情况传送至防火指挥室，对拟定最佳救火方案意义重大。

2.2 用于草原生态系统监测 草原生态系统是以草本植物为主体的，与其周围环境共同形成的整体。草原在为畜牧业生产提供牧草的同时，还是重要的生态屏障，在生态环境保护中有调节气候，防风固沙，保持水土及维护生态多样性等功能。长期以来，由于畜牧业的快速发展及病虫害的发生，我国草原面积持续减少，部分草地甚至面临沙漠化的威胁，因此，及时监测草原生态系统的动态变化做到合理利用和保护就显得尤为重要。传统的监测方法局限于小范围的特定草原，对于大面积的草原生态系统无法做到准确的宏观监测，但无人机遥感技术由于具有高分辨率、高实时性、高灵活性等特点就能克服草原面积大、分布广泛及气候和地理环境复杂多变等困难，在较短时间内对草原生态系统的现状进行实时动态监测，可为相关部门对草原生态系统进行合理利用和保护提供方向[15]。

无人机遥感技术可较为高效地对牧草生长、草地盖度、生物量及草地健康状况等进行动态监测，这对维持草畜平衡以及草原的可持续发展大有裨益。利用无人机进行草地监测和生态评估可以拓宽无人机的应用范围，弥补传统植被识别手段的局限性，可以获得更高精度的结果，且省时省力。归一化植被指数（NDVI）是反映植被生长状态和生产力的定量指标，潘影等[16]基于Landsat遥感影像和无人机多光谱影像研究不同尺度西藏草地NDVI的影响因子，结果表明，多个明显影响草地NDVI的因子，如地形、土地利用类型、石堆和小路等较明显的地物等，无人机遥感技术的应用为该研究相关定量指数的获取提供了更便捷的途径。有关研究发现，利用无人机RGB影像监测植被高度及生物量时，多时相CSM模型效果很好[17]。将此模型用于草原生态系统的生物量监测中，其监测结果与样地实测数据进行对比分析，结果表明，无人机RGB影像结合CSMs模型适用于草地植被高度和生物量的监测[18]。

2.3 荒漠生态系统监测 荒漠生态系统是由于常年降水稀少、蒸发力强盛而导致严重干旱缺水的一类典型的退化生态系统，按年降水量划分为半荒漠（200～100mm）、普通荒漠（100～50mm）和极度荒漠（50mm以下）3类。主要分布在我国西北部，总面积192万km2，约占国土面积的20%。该生态系统内植被稀疏、土壤贫瘠、生物量和生物多样性低，主要以耐旱性强的半乔木、灌木、半灌木、多年生草本及肉质植物为主。近年来，受各种人为活动以及气候变化、土地沙化等自然因素的影响，荒漠化现象仍时有发生。做好生态系统监测工作是解决上述问题的前提，而生态监测站则是监测工作的主要执行单位。另外，荒漠生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，除蕴藏着许多珍贵的动植物资源，在调节气候、调控水文、防风固沙等方面也发挥着重要的作用，开展荒漠生态系统服务功能监测对整治和改善荒漠化意义重大。但荒漠生态系统自然环境恶劣、植物资源稀少、分布广泛，且多呈斑块状分布，这给生态系统的监测工作带来了相当大的挑战。因此，将无人机遥感用于荒漠生态系统监测势在必行[19]。

无人机操作灵活，可根据监测需要由地面操作人员手动升高或或降低，高空视野，所受的干扰因素少，可在较短的时间内实现大范围监测，特别是在资源稀少且分布广泛的荒漠生态系统的日常巡护管理和动植物资源动态监测过程中，可极大地提高巡护管理和资源动态监测工作的效率。在荒漠植被覆盖度的监测中，高永平等[20]利用无人机可见光波段对沙坡头植被覆盖度进行了提取，通过ENVI软件对无人机拍摄的可见光影像分析和计算，结果表明，该方法提取精度高，植被与非植被区分明显，能高效地实现荒漠植被盖度的动态监测，这为当地荒漠生态系统后期的管护工作提供了实践指导。荒漠生态系统白天温度高、蒸发强，因此，荒漠中的大部分动物多有“昼伏夜出”的生活习性，这给荒漠珍稀动物的研究带来了极大的不便。而无人机通过搭载热红外相机，可从较大的空间尺度上对濒危、危险性高的动物及外来物种进行追踪观察与研究，实时了解动物种群分布、生长状况等信息[21]。另外，无人机搭载的可见光相机可快速、准确的实现对我国荒漠化界限、面积的动态监测，监测结果可为荒漠化治理提供参考。

2.4 农田生态系统监测 农田生态系统是自然环境、生物与人类生产活动的综合体，是人类长期适应自然所形成的一种半自然半人工系统，其主要功能是按照人类生活需要进行农作物的生产，以满足人们对粮食的需要。由于农田生态系统半自然半人为的特殊性，导致农业在发展过程中受多方面因素的影响，如自然规律的制约、人类活动的影响及社会经济规律的支配等，过去的传统农业一直是落后生产力的代表。但近年来，随着科技的迅速发展以及在农业领域的广泛应用，农业的机械化、规模化取得了长足的进步。现阶段，精准农业、智慧农业、互联网+农业等现代农业很大程度提高了我国的农业生产力。尤其是无人机遥感技术，在农作物识别分类、产量预估、农田水热条件分析、生长状况及病虫害探测等诸多方面被广泛应用[22，23]，如表2所示。

3 无人机遥感技术在生态环境评价中的应用

陆地生态系统是陆生生物与其所处环境相互作用的整体，因此，除了对森林、草原、湿地、荒漠、农田等陆地生态系统中的生物资源进行综合监测之外，对陆地生态系统内部的生态环境评价也是必不可少的环节。随着人居环境的不断提高，单方面的环境影响评价已无法满足人们对美好生活环境的期望和要求，必须向区域环境的综合评价过渡。在这方面，相比于欧美国家，我国尚处于发展初期，评价体系尚不完善，还有很长的路要走[24]。目前，我国生态环境影响评价中主要以定性描述为主，定量化评价指标很少。虽然很多地区都积极营建了生态环境监测站，但生态环境评价是从宏观角度对生态环境进行全面、综合的评价工作，传统的地面调查方法不能实现生态环境的动态化监视，而无人机遥感具高灵动性、高分辨率等优势，能更好地适应地域性强、结构复杂的生态环境，以便从整体、全局的角度满足生态环境影响评价的需求，利用更高的视角优势去获取更全面、更具时效性的评价参数，填补了生态环境评价过程中定量化评价指标的不足[25，26]。无人机遥感技术作为大区域、定点生态环境影响评价的主要手段，具先进性，有着广阔的应用前景。

3.1 矿产和石油开采 矿产和石油资源的开采是人为对周围生态环境强制性改造的过程，为了利益的最大化而对矿产和石油资源进行无节制的开发，将会给开采区及周围的自然环境造成不可逆转的破坏，引起当地水源、土壤污染，地表沉陷、地下水位下降等。如部分地区过度的煤炭开采活动导致山体空虚、地表塌陷，进而引发严重的水土流失，甚至是山体滑坡等自然灾害。无人机遥感技术可以在短时间内获取大量开采区及周边地区的地形地貌和植被分布信息，通过这些相关数据的分析可较为客观地对开采区进行生态环境影响评价，进而为后期制定生态管护、恢复等方案提供参考。

3.2 道路建设工程 与矿产和石油资源开采相比，道路建设过程中对生态环境的影响较小，但道路建设工程量大、线路长，会将原来整个自然生态系统分隔，这对地面动物的迁徙和道路两侧植被生存环境的影响不容小觑，而且道路施工涉及大量的林木采伐，对于一些生態脆弱的地区会造成严重的生态问题。若采用传统的现场调查方法，很难从宏观上把握整条道路沿线的植被状况，不能进行有效的生态环境影响评估。而利用低速飞行的无人机通过搭载不同的遥感传感器就能够从更高的视角对施工路线范围内的环境情况进行全面评估，从而避开生态脆弱区，减轻道路施工对当地生态环境的破坏，也可为野生动物及周边居民穿越道路开设便利通道。另外，还可以掌握道路施工过程中临时搭建的工棚、施工便道、弃土堆放区等位置参数，便于建设后的生态修复。例如：在京沪铁路修建中，环保部门就采用了无人机遥感技术对施工项目全程跟踪，及时反馈施工造成的生态环境破坏情况并进行施工前后地区生态环境变化的总结评价，为环保部门针对性的采取环境保护措施提供了方向。

3.3 水利工程项目 从古至今，水利工程都是我国最贴切民生的基础性建设工程之一。如南水北调工程，它对我国水资源在南北方的平均分配起到了至关重要的调节作用。但不可忽略的是其导致的生态问题，水利工程的建设最先影响的是水环境生态系统，其次是水域两岸的植被、土地。应用无人机遥感能够及时发现水利工程建设、使用对周边生态环境的影响，提早发现生态环境向不良方向发展的趋势，及时采取科学的措施，降低水利工程建设造成的不利影响。除此之外，无人机遥感技术还可以随时监督工程进度，实时掌握水利工程建设对土壤、植被带来的影响，准确估算出影响区域的面积及影响程度，提前制定有关的防治方案和措施。

3.4 水土污染观测 随着工业化、城市化的发展，水资源和土壤资源的各种污染也在日益加剧。工厂废弃物的不达标排放、农药的过度使用等，导致水质富营养化。土地生产力下降等一系列的生态环境问题。利用无人机遥感技术通过直接或间接的方式可实时地对水土的污染现状进行动态观测，提供准确的水土污染观测结果，明确污染程度及污染物分布状况，有利于当地环保部门做出准确的水土污染评价，制定有效的污染治理方案。

4 展望

无人机遥感技术的兴起为陆地生态系统的监测和生态环境评价提供了新的思路和方法，在很大程度上避免了地理环境条件对生态系统的监测和生态环境评价工作的限制，极大地提高了工作的效率和质量，既让陆地生态系统的监测结果更具综合性、时效性，又使得陆地生态环境影响评价更全面、更可靠、更具说服力。目前，诸多学者提出并设计实验验证了无人机遥感技术在资源调查、监测及生态环境影响评价等各个领域中的可行性，并附有相关的技术指导。但我国真正将无人机遥感技术运用到实际调查、监测及评价工作中的案例却依然少见，这主要是由于宣传和推广力度不够，并且缺乏专业的技术操作人员。相信随着科学技术的不断创新和发展以及人才强国战略的实施，无人机遥感技术将会得到进一步的开发和推广，逐渐走向完善和成熟，必将在生态系统监测及生态环境影响评价等实践领域内大放光彩，其应用领域也将会越来越广阔。

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（责编：张宏民）