新型遥感技术在陆生生态调查中的应用研究.doc

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1、第 2 1 卷第 1 期 2018 年 1 月 西安 文理 学院 学报 （ 自 然科学 版） Journal of Xian University （ Natural Science E dition） Vol 2 1 Jan No 1 2018 文章编号： 1008-5564（ 2018） 01-0111-03 新 型 遥 感 技 术 在 陆 生 生 态 调 查 中 的 应 用 研 究 （ 陈振亮 ， 350001） 福建省华厦能源设计 研究院有限公司 福州 摘 要 ： 传统陆生生态调查中野外数据的获取是 其难点之 一 ，而新型 无人机遥 感技术 的出 现 ，凭借 其灵活、高效、便捷等优点弥

2、补了 传统遥感影像分辨率低、易受云层影响等不足 无人机拍摄 高分辨率影 像并结合实地调查，运用面向对象的分类方法可得到分类精度较高的植被类型分布成 果 并 为生物量估， 算及景观生态分析提供 更详实的数据，同时在动物调查方面也有极强的应用 前景 关键词： 陆生生态调查； 无人 机； 遥感影像； 面向对象分类 中图分类号： X87； X171 文献 标志码： A Research on Applic ation of New Remote Se nsing Technology in Ter restrial Ecological Survey C HEN Zhen-liang （ Fujian

3、 Huaxia Energy Design Institute Com pany Limited， Fuzhou 350001， China） A bstract： Th e acquisition of field data is one of the difficulties in traditional terrestrial ecologi- cal survey The em ergence of new unmanned aerial vehicles （ UAV） remote sensing technology has made up for th e shortcoming

4、s of trad itional rem ote sensing image， such as low resolution and vulnerable to cloud layer， becau se of its flexibility， efficiency and convenien ce Using UAV to shoot h igh-resolution im ages， com bined with field investigation and u sing th e object-o- riented classification method ， w e can ge

5、t high accu racy vegetation typ e distribution results It also provides more detailed d ata for biom ass estim ation and landscape ecological analysis， and also has a very strong application prospect in an im al investigation Key words ： terrestrial ecological survey； unm anned aerial vehicle； remot

6、e sensing im age； the object-oriented classification 传统 陆生 生态 调查 多是 通过 地 面的 植物 样方 与结 构调 查，获得数 据的 人力 成本 高且 覆盖 范围 小，易 受交 通、地形等 条件 限制 ，难 以应 用到较 大的 取样 面积 传 统 航拍 卫 星影 像 虽 可在 大 尺 度 范围 获 取 区域 植被 数据 ，但受 其分 辨率 及重 访周 期的 限制 ，无法 满足 在 局域 尺 度及 实 时 性调 查 的 要 求，且受 气 象 云层 遮挡 等限 制，在 丘陵 地貌 山区 难以 满足 从个 体至 群落 层次 上 的生 态 调

7、 查需 求 随 着 无 人机 技 术 的发 展 ， 该项 新型 遥感 技术 具有 突出 的特点 ，包 括不 易受 天气 影 响，飞行 高 度低 无 云层 遮 挡 ，一 次 可拍 摄 多 张高 收稿日期 ： 2017-11-03 作者简介 陈振亮： （ 1984） ，男，福建龙岩人 福建省华厦能源设计研究院有限公司 工程师 生态学硕士， ， ，主要从事生 态调查与环境影 响评价研究 112 西安文理 学院 学报 （ 自 然科 学版 ） 1 第 21 卷 分辨 影像 ，短期 内可 重复 检索 等优 点，在陆生 生态 调查 方面 具有 巨大 的发 展潜 力 1 无人机遥感系统 ， 、 、 无人 机遥

8、 感系 统是 由多 种技术 集合 的新 型航 测系 统 包 括无 人 飞 行器 系 统 定 位 定姿 技 术 卫 星定 位技 术、通信传 输系 统，以及 光学 成像与 其他 传感 器技 术、遥感 数据处 理等 ，同 时地 面人 员保 障也是 其重 要组 成部 分 搭 载传 感器 的无 人机 飞行 高度 一般 在千 米内 ，可获 得 高分 辨 率的 影 像 数 据，通过 数 据 链路 传输 到地 面后 经过 矫正 、加工 等一 些列 操作 ，可获 得高 质量 的正 射遥 感影 像数 据 2 数据的获取与处理 2 1 航拍 方案 的制 定 航拍 方案 的制 定首 先以 调查区 域的 地形 地貌 、

9、气 象条 件 、地 表覆 盖 物 特 征等 信 息 为基 础 ，结 合 关注 点、地面 分辨率 的选 择、分区 的划 分、基 准面 高度 确定 等进 行制定 ，同 时可 参照 中华 人民 共和国 测绘 行业 标准 化指 导性 技术 文件 中的 低空数 字航 空摄 影规 范（ CH / Z300 5 201 0） ，一般 包括 航线 设计 、飞行 、影 像 质量 检查 、补飞 或重 飞、像控 测量 等步骤 2 2 影像 数据 的预 处理 由于 无人 机拍 摄的 影像 较传统 卫片 数据 存在 差异 ，主 要表 现在单 幅影 像范 围小 ，相 邻相 幅重叠 度较 高，飞行 高度千 米内 导致 影像

10、 倾角 较大 ，另外 未受 云层 影响 色彩 亮、对比度 高等 不足 ，需 进行 一系列 预处 理后 方可 满足 后续 调查 使用 本次 试验 采用 大疆 无人 机（ 型 号： Phantom 4 Pro） 在 闽西 一 处 煤 炭 矿 山设 置 飞 行 区，筛 选 出 成 像 清 晰、色 彩鲜 明效 果佳 的 11 2 张影 像 将原 始影 像导入 Pix4 UAV 平 台 进行 影 像拼 接 ，借 助机 载 记录 的 校验 文件 生产 出整 幅畸 变度 小、无 主要 点位 偏移 的一 级影 像产 品 ； 接 着 导入 记 录的 坐 标 、高 程 等位 置 信 息对 一级 产品 进行 空三

11、运算 ，起到 点的 传递 和构 建 TIN，通 过内插 法生 成 DEM 模型 对 影像 进 一步 数 字 纠正 ， 得到 二级 正射 影像 产品 ； 后基 于 ArcGIS 平台 继续 对 产 品进 行色 彩协 调、边 界模 糊化 等系 列操 作 ，最 终得 到一 副色 彩均 衡过 渡自 然的 高分辨 率单 幅影 像 3 陆生生态调查分析 3 1 植被 解译 与分 析 无人 机航 拍影 像提 供了 地表植 被丰 富的 颜色 特征 、纹 理 特征 以 及 形状 特 征 ，且 分 辨率 可 达 厘米 级 传统 的影 像解 译方 法多 基于 像元 的信 息 提 取 技术 ，如 ： 最 大 似 然法

12、 、最 小 距 离 法、 K 均 值 法 等，虽 在理 论和 应用 上较 成熟 ，但 面 对高 分辨 率影 像极 易出 现 “椒 盐现 象 ”，无 法适 用 于无 人 机影 像 的解 译 要求 基 于一 种新 的面 向对 象与 B P 神 经网 络结合 的影 像处 理技 术，有效 利 用无 人 机高 分 辨率 影 像的 颜 色、纹理 及几 何等 多种 信息 ，同 时 结 合 分 层 分 类 的 思 想 和 对 象 与 对 象 之 间 的 关 系 ，可 大 大 提 高 分 类 精 度 与 一 致性 本次 试验 通过 提取 无人 机影像 的 H SV 颜 色特 征及 Tamura 纹理 特征 ，后

13、 基于 eCognition 运 用面 向对 象技 术进 行地 物类 别分 割，并 选取 几何 特征 （ 像素 和 、边 界 长 度、长宽 比 等 ） 、形状 特 征 （ 椭 圆 指 数、矩形 指数 、形 状指数 等） ，结合 野外 调查 的 23 个样 本与 专家 知 识选 取 植被 类 别训 练 样本 ，得 到 解译 结 果 总体 分类 精度 达到 92 3 % 的 植被 分布 图 植被 类型 分布 是陆 生生 态现状 调查 的重 要内 容，更真 实的 数据为 掌握 区域 植被 覆盖 信 息 、生 态系统 结构 及识 别生 态问 题等 提供 了直观 表达 的平 台，也为 生态 影响 分析中

14、 3 S 叠图 提供 了底 图数 据 3 2 林地 生物 量的 估算 传统 林地 生物 量（ B ） 的 估算 以皆伐 法 为主 ，虽具 有 较 高的 准 确 性，但 难以 区 域 推广 高分 辨 率 遥感 影像 更加 丰富 的纹 理、形 状等 信息 有助 于林 木参 数的 提取 ，且己 经有 研究 证明 ，树冠 大小 与胸 径、生物量 有显 著的 相关 性 无人 机拍摄 的高 分 辨 率影 像 可 直 接探 测 到 不 同 地 表植 物 的 树 冠 边 界，本 次 试 验运 用 eCognition 平 台的 面向对 象多 尺度 分割 法 ，获 取 调 查范 围 内 不 同 林 地类 型 的

15、 树 冠 面 积 （ CA ） ，野 外设 2 3 4 第 1 期 陈 振亮 ： 新 型遥 感技 术在陆 生生 态调 查中 的应 用研 究 2 113 置样 地采 用检 尺对 选定树 木进 行胸 径（ D） 测定 ，选 择决 定系数 R 高 、参数 变动 系数 C V 低 的 幂函 数 模型 构建 C A D 模型 ，结 合国 内其 他学 者已有 相 同 树 种林 地 的 D B 经 验 公 式，间 接建 立 与 树冠 面 积 相关 的 CA B 模 型，最 后完 成调 查范 围的林 地生 物量 的计 算 表 1 CA B 模型的建立与生物量计算 林地类型 栲树林 马尾松林 毛竹林 样本数 5

16、3 62 58 样本胸径 D / cm 21 1 68 3 16 4 1 32 5 6 7 15 0 样本林 冠面积 CA / m 12 35 68 36 4 21 13 62 1 1 2 4 CA D 模型 D = 6 51C D = 12 42C D = 6 94C （ R = 0 693， CV = 0 36） （ R = 0 693， CV = 0 36） （ R = 0 693， CV = 0 36） 经验方程 W = 0 123 4D W = 0 038D W = 0 721D 模型 W = 9 941 5C W = 40 437 1C W = 12 607 3C 无人机影像解译林

17、地面积 /hm 估算生物量 （ t） 54 919 22 20 750 60 1 201 53 利用 遥感 技术 估算 生物 量对林 地本 身不 具有 破坏 性 ，同 时估 算 速 度更 快 ，计 算 的 结果 更 准 确，可大 大提 高陆 生生 态调 查结 果的 质量 3 3 景观 生态 的调 查 景观 生态 学法 是环 境影 响评价 中推 荐的 方法 ，通 过空 间结 构分析 、功 能与 稳定 性分 析两个 方面 可对 区域 生态 质量 的状 况进 行评 判，同 时景 观生 态学 认为 ，通过 增加 景观 的共 生性 与异 质性有 利于 生态 系统 的能 量流 动和 物质 流动 无人 机拍

18、 摄的 高分 辨率影 像 ，可轻 易地 识别 出地 类斑 块的 特征 在 ArcGIS 平台 上，将调 查范围 内景 观 类 型 划 分 为 林 地、草 地 、耕 地 、水 体、住 宅 用 地 和 工 矿 用 地，按 照 景 观 生 态 学 方 法 基 于 Fragstats 对 各 斑 块 的 频 率 、密 度 、景 观 比 例 及 优 势 度 值 进 行 统 计 ，结 果 为 林 地 的 频 度 （ 8 0. 46 % ） 、密度 （ 45 65 % ） 、景观 比例 （ 80 40 % ） 和 优势 度值 （ 71 73% ） 等 各 项 指标 均 高 于其 他 拼 块类 型，说明 调

19、查区 林地 景观 相对 面积 大，连通程 度高 ，以 自然 植 被为 主 ，林 地 构 成景 观 基 质，说明 区 域 生态 环境 质量 较好 3 4 动物 调查 动物 调查 是陆 生生 态调 查的一 个难 点，生态 现状 评价 中多以 收集 资料 为主 要手 段，受资 料时限 往往 较难 反应 真实 情况 ，尤其 建设 项目 涉及 大型 哺乳 动物 、鸟 类现 状 调查 时 ，传 统 的 观测 工 具 与方 法 表 露出 其局 限性 运用 新型 无人 机遥 感技 术进 行动物 调查 具有 极大 的应 用潜 力 ，如 Verm eulen 等 在非 洲 西部 用无 人机 对非 洲象 种群 进行

20、 了调查 ，在 4 条 样带 上共调 查到 34 头大象 马 鸣等 把 小型 多 旋翼 无 人机 用于 高山 兀鹫 的繁 殖生 态学 研究 ，拍 摄 了高 山 兀 鹫巢 穴 、亲 鸟 、幼 鸟 及其 生 长 发育 过 程 2016 年 中 央电 视台 联合 西北 濒危 动物 研究 所等单 位组 织的 “我 们与 藏羚 羊 ”科 考 ，即 运用 固 定翼 无 人机 对 藏羚 羊 的迁 徙过 程进 行监 测，获 得覆 盖范 围高 达 40 余平 方公 里、分 辨率 达 5 厘米 的高 清正射 影像 ，同 时获 取了 比传 统调 查方 法更 加准 确 的 迁 徙 种 群 密 度、数 量 和 年 龄

21、结 构 等 数 据 （ h ttp ： www forestry gov cn / Zhuanti / conten t_stwm /89 9354 html） 4 研究结论 无人 机为 新型 的对 地观 测信息 获取 技术 ，与 传统 的卫 星 遥感 相 比，无 人 机遥 感 具 有机 动 灵 活、成本 费用 低、获取图 像分 辨率 高、响应 时间短 、携 带转 移方 便且 受天气 影响 低等 优点 ，发 展潜 力非 常巨大 且适 合普 及 本次 研究 结论 ： （ 1 ） 由 于无 人机 影像 的特 殊性 ，需进 行畸 变 纠正 等 一些 列 预处 理 手段 方 可用 于 后续 的 遥感

22、解译，结 合面 向对象 与野外 调查 样本的 分类方 法，可 得到 高分类 精度 的植 被类型 成果 图； （ 2 ） 获 取 （ 下 转第 119 页 ） 2 0 611 0 383 0 427 2 2 2 2 342 9 5 2 766 6 6 1 477 7 1 431 5 1 059 6 0 630 6 2 8 9 10 第 1 期 王杰 瑞： 适用 于非 正式学 习的 校园 公共 环境 营造 119 5 结论 本文 总结 了非 正式 学习 与我国 高校 校园 公共 环境 营 造之 间 的关 系 与 改进 措 施 ， ，并 以 苏州 西 交 利物 浦大 学为 例对 该校 园中 部分 区

23、域的 非正 式学 习空 间进 行 了分 析 和阐 述 用 以 加 深对 大 学 校园 中 非 正式 学习 空间 的设 计和 营造 的学 习和了 解 非正 式学 习空 间提 供 了除 正 式教 学 空 间之 外 的 自主 自 由 的 学习 环境 ，不 仅有利 于提 高空 间的 使用 率，还丰富 了校 园空 间 的层 次 在 该部 分 空 间的 设 计 过 程中 应 注 重多 样的 空间 尺度 、服务 设施 的完 善，注重营 造人 性化 的宜 人 的具 有 吸引 性 的 学习 氛 围 ，避 免 出现 过 于 形象 化与 死板 且无 任何 有助 于学 习和交 流的 辅助 设施 的空 间 参 考 文

24、献 1 陈琦，刘儒德 教育心理学（ 第二版） M 北京： 高等教育出版社， 2011 2 陈向东 许山杉， ，王青 等， 从课堂到草坪 校园学习空间连续体的建构 J 中国电化教育， 2010（ 11） ： 1 6 3 陈瑾羲 大学校 园北京城 M 北京 清华大学出版社： ， 2014： 8 4 涂慧君 大学校 园整体设计 规划、景观、建筑 M 北京： 中 国建筑工业出版社， 2007： 1 5 陈晓恬，任磊，中国大学校园形态发展简史 M 南京 ： 东南大学出版社， 2011： 3 6 叶徐夫 大学校 园景观规划设计 M 北京 化学工业 出版社： ， 2014： 6 7 柯石安 第三教 师 西交

25、利物浦大学新设计楼 学生走向建筑师之 路： J 世界建筑， 2017（ 7） ： 48 57 责任 编辑 马 云彤 （ 上 接第 113 页 ） C A， ， D B CA B ， 典型 种群 的林 冠面 积 辅 于 实地 测 量胸 径 数据 ； （ 3 ） 通 过 已有 的 经 验 公式 构 建 ， 模 型 可为 陆生 生态 调查 提供 详实 的现 状 数 据 无 人机 拍 摄 的 高 分 辨 率 影 像 可 轻 易 地 识 别 出 地 类斑 块 的 特 征，按照 景观生 态学 方法 统计 各斑 块的 数量 、密度 、频 率、景观 比 例及 优 势 度值 ，识别 出 区 域生 态 环 境质

26、量现 状； （ 4 ） 新 型无人 机遥 感技 术为 动物 调查 提供 了全 新的观 测 手段 ，在不 惊 扰的 情 况下 可 获取 动 物种 群的 密度 、数量 和年 龄结 构等 数据 随 着无人 机技 术的 进一 步发 展，搭载更 多样 化的 传感 器，该新 型遥感 技术 可为 陆生 生态 调查 提供 详实的 现状 素材 ，极 大提 高工 作效率 ，同 时也 为生 态影 响评 价提供 更多 定量 化数 据，有效提 高其 预测 的科 学性 ， 未 来将越 来越 广泛 地运 用于 环境 保护 领域 参 考 文 献 1 COLOMINA I， MOLINA P Unmanned aerial s

27、ystems for photogram metry and remote sensing： a review J ISPRS Journal of Photogram metry and RemoteSensing， 2014， 92： 79 97 2 李德仁，李明 无人机遥感系统的研究进展与应 用前景 J 武 汉大学 学报（ 信息科 学版） ， 2014， 39 （ 5） ： 505 513， 540 3 陈鸣 基于面向 对象特征提取的 BP 神经网络分类 以武陵源地区为例 J 现代测绘， 2017（ 3） ： 17 20 4 黄金龙 基于高 分辨率遥感影像的森林地上生物量估算 J 生态学

28、报， 2013（ 20） ： 6497 6508 5 左舒翟 亚热带 常绿阔叶林 9 个常 见树种的生物量相对生长模型 J 应用生态学报， 2015， 26（ 2） ： 356 362 6 谢旺生 闽北山 地马尾松林生物量调查及其结构的研究 J 华东森林经理，2007， 21（ 4） ： 21 23 7 张宇 利用异速 生长关系和地统计方法估算武夷山南麓毛竹林生物量 J 生态学杂志， 2016， 35（ 7） ： 1957 1962 8 肖笃宁 景观生 态学 M 北京： 科学出版社， 2010 9 VERMEULEN C Unm anned aerial survey of elephants J Plos One， 2013， 8（ 2） ： e54700 10 马鸣 利用多旋翼微型飞行器监测 天山地区高山兀鹫繁殖简报 J 动物学杂志， 2015， 50（ 2） ： 306 310 责任 编辑 马 云彤