无人机遥测技术在黄河滩区植被群落监测中的需求分析与引进模式探讨

袁巧丽吕桂军

(1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.河南省小流域生态水利工程技术研究中心，河南 开封 475004)

引言

黄河(开封段)滩区属于暖温带季风气候，低海拔，地势平坦，年平均气温约14℃，年日照时数多，无霜期长，年平均降水量为627.5～722.9mm。滩面宽阔，有高、中、低滩之分，由于主河槽属于游荡性河槽，摆动频繁，洪水漫滩机会多，所以中滩和低滩水草植被丰富，而高滩区主要以果林、速生林为主。多年来，黄河(开封段)滩区面积始终在不断变化中，呈现高、中滩地面积除个别年份减少外，均逐年增加，低滩地面积除个别年份外，均呈逐年减少的趋势，但总体来说“三滩”在一定程度上其范围是逐渐扩大的[1]。因此，滩区土地面积、利用类型、植被生长情况、新增绿化、植被覆盖率、植被恢复率、建群种格局等都可能有所变化，这些变化很长时间都是依靠载人航空、卫星遥感技术甚至是人工进行测量提取的，费时费工，也不够准确。

近些年，随着无人机技术不断进步与发展，其应用的领域也越来越广泛。由于无人机可以搭载不同性能的传感器以便获取不同时空下匹配的数据源，以弥补地面人工监测及载人航空、卫星遥感之间的尺度不足。所以很多省市的森林资源监测包括森林防火、防病虫害监测、生境调查研究、森林参数信息的提取等都用到了无人机遥测技术，而且取得了良好的效果。因此，作为卫星遥感与载人航空遥感的有力补充，无人机遥感可以对黄河(开封段)滩区土地利用类型及植被群落变化做全方位无死角的探测，可以充分弥补卫星遥感与载人航空遥感的不足。

1 无人机遥测技术的优点

1.1 无人机类型多，应用广泛

无人机的分类方法多样，类型丰富，按平台类型可分旋翼无人机、固定翼无人机、伞翼无人机、无人直升机等；按用途可分军用无人机和民用无人机；按尺度可分为微轻型无人机、大小型无人机；按动力能源可分油动无人机和电动无人机。无论哪种类型，无人机遥测技术主要都是利用先进的无人驾驶飞行器和遥感传感器设备，通过低空获取地面影像数据，并结合遥感技术完成数据处理和模型建立[2]。目前基于无人机的技术与特点，其已被广泛应用于军用与民用的各个领域，如农业植保、水土保持、灾难救援、城市规划、国土资源调查、环境监测、边防监控等行业。目前应用于森林植被领域的无人机主要有旋翼无人机、固定翼无人机、无人直升机等。其中，多旋翼无人机起降方便，无严格场地要求，可在空中精准悬停，因此，在林区调查受限程度小，但其续航能力弱，适合小区域精细尺度的植被资源调查；固定翼无人机飞行速度快，但起降受环境限制，不能在空中精准悬停，但其擅长长距离航行，适合大区域的植被资源调查。

1.2 信息、电子、智能化强

无人机遥测技术在信息采集方面能够很快完成高精度采集和信息传输，在采集处理局部信息特别是重点核查范围内的影像信息，其传输效率较高、结果准确。无人机遥测是以无线电操控设备，利用传感器进行图像信息的获取并可无线传输数据，在飞行过程中若遇到故障，可启动自检功能自动返航以待工作人员排除故障。借助计算机技术对所获取的图像信息进行加工处理，因此其自动化、智能化强，优越于传统的图像信息采集。

1.3 快捷灵活，持久性强

无人机体积小，组装便利，携带方便，对起降场地要求不高，一人即可操作。无人机遥测自带雷达，穿透能力强，可低空飞行，不受空间与地形限制，不受云层影响，可飞达人力无法达到的高度，可采集极度危险区域的信息数据。无人机还有连续作业强、获取信息广的特点，据报道在水土保持调查研究中，一台无人机在12h内可获取近300km线状工程的航空影像[3]。

1.4 测量数据全面，精确度高

无人机在飞行时获得的图像数据是实时传输的，可以第一时间获取最新信息，真正做到了数据获取的实时性和全面性。无人机在航拍时可以是宏观的，可以高空大面积航拍，得到想要的各个角度的高清影像，也可低空选择某一拍摄地段有针对性地实施拍摄。无论是低空还是高空均可获得高清晰度的视频、照片及数字正射影像，且对应的成果可达到分米级或厘米级，提高了相关数据的精度。

2 无人机遥测技术监测黄河(开封段)植被群落的必要性分析

2.1 影像资料获取容易

黄河大堤(开封段)植物延绵百十公里，植被类型丰富，以农作物为主，乔灌草搭配，果林、木材林居多，多年来一直依靠人工进行长度、宽度、面积、土地利用类型、植被恢复率、覆盖率等的测量，人力物力耗资大，计算复杂、时间长且不精确。黄河滩区紧靠黄河，开封段又属于游荡性河床，用地类型、植被占地面积、类型都可能随着黄河的游荡而发生变化。黄河大堤两侧特别是滩区立地条件差异性大，有些地方危险系数高，人力难以到达。采用无人机技术可以搭载多种不同类型的传感器，如高分相机可获取高达厘米级的清晰影像，间接提取树冠参数信息等；多光谱相机获取的多光谱影像可进行林木植被生长的监测；高光谱成像仪可获取高光谱的遥感影像用于滩区生物多样性及植被病虫害的监测等。除此之外，搭载热成像仪传感器可获取热红外波段信息，对研究滩区农作物抗旱性指标及预防森林火灾有重要的意义。利用无人机摄影测量系统和无人机激光雷达系统高空或低空飞行航拍可以很好地完成大范围的土地、植被类型等的监测调查。清晰展示滩区林木区域范围、树种及伐区情况，减少外业工作的强度和危险系数[4]。

2.2 指标信息丰富，精确度高

采用无人机遥测技术对黄河大堤(开封段)滩区植被的面积、类型、植被覆盖率、植被恢复率等数据可直接提取，原有面积、新增绿化面积可间接得到。植物类型群落所处的坡向、坡度、维度、经度均可通过无人机矢量化遥测技术实现。通过无人机的低空摄影测量和遥感技术也可对黄河大堤两侧植物群落和种群格局进行研究，其具有获取植被林冠层影像图分辨率高、精确度高、重叠率大、姿态角大、相幅小、数量多等特点[5]，并已经成为了许多学科工作发展的方向。通过拍摄林木的树冠遥感影像，可以对树冠面积、直径大小、树维进行分析和研究，来预测和评估整个滩区林木材积等生物量信息[6]。

2.2.1 滩区林分树种组成信息获取

早在2016年，国内就有基于微型无人机遥感的亚热带林冠物种识别报道，通过无人机平台搭载的相机提取林冠层轮廓、纹理、颜色、结构等信息可识别多种甚至几十种冠层物种[7]。也有国外报道可在无人机上同时搭载激光雷达和高光谱相机以获取更准确的树种组成信息[8]。黄河(开封段)滩区林分多集中在中高滩地，分布比较均匀，有利于无人机对其冠幅轮廓、纹理、颜色、结构、物候等空中监测，以便更好地进行物种识别。

2.2.2 滩区林分冠层结构指标测定

森林冠层信息可通过无人机搭载激光雷达集成高分辨率无人机影像和激光雷达点云数据获取。黄河(开封段)高滩林分主要以速生林和果林为主，背景简单，可利用无人机配备高分数码相机获取真彩无人机图像，从无人机影像中得到其冠层盖度面积、叶聚丛和叶面积指数等估计值，间接预测树木的胸径。

2.2.3 滩区林分树高及生物量测定

目前报道最多最新的是利用无人机摄影测量系统和激光雷达来测定林分树高指标，以便估测林分生物量、蓄积量和储碳量等。一般所指的林分树高提取是指单木和林分样地水平。有报道通过无人机摄影测量系统拍摄的影像可以还原树木3D密集点云，再通过算法自动识别树冠以及树木周围地面点高程估测树木高度，且树高估测误差较小[9]。基于无人机可以获取林冠幅度面积、胸径、林分树高等数据信息，通过建立树冠面积和地上生物量回归模型，可精确算出单木地上生物量，间接得到总生物量。

2.2.4 滩区植被病虫害监测

黄河(开封段)滩区高滩以林木为主，中低滩除了湿地以水草为主外，大面积都种植农作物，包括小麦、油菜、豌豆、花生等。无论哪种生态系统每年都面临着病虫害的侵扰，因此滩区植被病虫害监测特别是农林作物是滩区植被病虫害防治的基础。病虫害发生期，受影响的农林作物会表现出相应的病理变化，如黑斑、叶枯、萎蔫、倒伏、黄化以及冠层异常反射特征变化等。对于这些病虫害监测通常采用地面人工调查方法，费时费力费钱，采用无人机遥感通过搭载高分辨率相机和多种传感器，可精确及时地捕捉到这些异常影像，及时采取治疗措施，既达到了防治效果又节约了人力资源。

2.3 为林业生态工程规划和设计提供数据支撑

仅依靠传统的方法和技术手段对黄河生态修复建设进行规划和设计，就会出现对实际情况掌握有偏差，对一些规划编制基础资料掌握不够详细，不够准确，从而导致规划设计可能出现不合理的现象。利用无人机和遥感技术可快速准确获取影像数据，再通过计算机及后期的软件处理，可实现水文水资源、地形地貌、植被、土地利用类型等自然环境地表信息的提取，为黄河(开封段)生态修复规划、设计、建设提供第一手前期调研基础资料数据，以便于更好地进行森林景观三维重建、植被物候变化分析和树种分类[6]，增强林业生态工程的预见性、计划性和目标性，为更好地编制立地类型表、林业生态工程典型设计和森林经营类型表提供可靠的数据支撑。

3 无人机遥测技术引进模式探讨

无人机的引进方式有多种，相关的林业部门可以建议政府采购，单独引进，供应商负责培训；也可以和相关的农业科研院所及测绘单位进行项目合作引进；或者和高校单位进行科研项目合作引进。笔者在高校从事多年的教学与科研工作，知晓很多高校特别是以培养技能性人才为主的职业院校，更注重创建“校企融合，学工一体”的人才培养模式。对于具有测量专业的高校来说，学生已经具备了一定的测绘知识，无人机的引入，能使学生从理论知识学习转入到技能实践操作，更好地将其所学发挥到极致。并且很多高校有自己的创新创业学院，学生也更愿意去探索，加入创新创业学院，组建创新团队、社团等。与高校合作，引入无人机，在学生进行操作学习的过程中，更能发挥学生的创新性，实现校企的优势互补，走向产学研的合作道路。可以尝试在高等院校构建校企无人机航拍培训体系，既解决了学生从培训到就业的整个过程，又达到学生毕业后能被企业“拿来就用”的需求[10]。同时“工学结合”、“校企联合”、“项目引入”又能让学生为林业部门等企事业单位更好地开展相关无人机遥测任务，满足植被群落监测及相关科研任务的需要。

4 结语

黄河(开封段)处于黄河的下游，河滩面积广大，植被群落较好。为了能更好地保护其生态环境，造就人民的幸福河，要更好对其进行合理的设计规划。无人机小巧便捷、灵活机动、目标性强、受天气干扰小、分辨率高、精确度好，能够迅速准确得到目标影像数据，为黄河(开封段)滩区植被群落格局合理的分布及人们生产生活生态环境的优化提供可靠依据。