低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:中国科学院创新交叉团队项目()年自治区创新环境(人才、基地)建设专项(天山青年计划)()年自治区创新环境(人才、基地)建设专项自然科学计划(自然科学基金)青年科学基金项目()年中央财政林业草原生态保护恢复资金(草原生态修复治理补助)项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./李刚勇陈春波李均力彭建.低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展.生态学报():.():.低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展李刚勇陈春波李均力彭 建 干旱区草地生态系统遥感监测实验室 乌鲁木齐 新疆维吾尔自治区草原总站 乌鲁木齐 荒漠与绿洲生态国家重点实验室 干旱区生态安全与可持续发展重点实验室 中国科学院新疆生态与地理研究所 乌鲁木齐 摘要:低空域无人机遥感技术具有高时效性、高分辨率、低成本、易操控等优势作为地面与高空遥感(航天与航空遥感)间测量尺度空缺的有益补充低空无人机遥感扩展了样地样方空间尺度提高了中、小尺度遥感观测信息的精细化程度实现了草原生境信息的快速采集、处理与分析应用是草原“星空地”一体化监测的重要组成 针对草原监测评价总结了国内外低空无人机遥感在草原基况调查(草原草层高度监测、草原植被覆盖度监测与草原地上生物量估算)、草原动态监测(草原植被长势监测、草原产草量估测与草畜平衡监测)和草原应急管理(草原火灾、雪灾与生物灾害监测)中的应用 结合大数据、人工智能、云计算与物联网等新型技术分析了低空无人机遥感在草原生态监测领域存在的不足和未来的发展方向以期为低空无人机遥感关于草原监测评价与智慧草原的后续研究提供参考关键词:低空无人机遥感草原监测评价调查应急管理 :().().“”.:/.()()().“”.:草原是畜牧业的物质基础和重要的生态安全屏障具有涵养水源、防风固沙、固碳释氧多种生态系统服务功能 在环境变化及其对草原资源利用强度不断增加的背景下我国 的天然草原发生了不同程度的退化 为有效遏制草原退化国家颁布了一系列草原资源保护政策但草原生态环境依然处于“总体恶化、局部改善”的趋势 当前以草原退化为核心的监测评价仍是草原生态保护与绿色发展的重要工作及时、准确地掌握草原生态状况既是林草行业摸清草原本底、提升草原科学化与精细化管理的需要也是支撑草原保护、修复与合理利用的基础传统的草原监测为地面实测虽精度高但耗费大、时效性差难以大范围、高密度的开展监测无法全面获取草原生态状况时空变化 卫星遥感能够大范围识别草原时空动态但卫星遥感的分辨率、精度及其固定的重返周期难以满足中、小尺度草原监测的应用需求(如草原鼠害、毒害草时空监测以及牲畜数量统计与空间分布)近年来低空无人机及其与之匹配的遥感传感器的快速发展无人机遥感已从研究研发跨越到行业试验和应用阶段为草原监测评价提供了新的技术手段逐渐运用在草原生态监测、草原资源调查、草原巡护、草原灾害监测预警等方面详细如:草原地籍测量、草原植被高度与覆盖度监测、草原植被地上生物量估算、草原产草量与草畜平衡监测、草原植被长势与草原退化及其草原火灾、雪灾、毒害草、鼠害监测等在草原监测评价中低空无人机遥感提供了一种高效、低成本的解决途径逐渐被草原行业部门所关注随着大数据、人工智能、云计算与物联网等高新技术的快速发展草原立体观测逐渐迈入智慧化时代低空无人机遥感作为草原立体监测的重要组成部分迎来了一个全新的发展阶段(图)为此本文将围绕草原生态与资源综合监测评价总结低空无人机遥感针对草原基况调查、草原动态监测与草原应急管理的应用现状生 态 学 报 卷:/.图 低空无人机遥感在草原监测评价应用中的文献统计.并面向大数据、人工智能与云计算等技术对低空无人机遥感关于草原监测评价的应用进行展望 低空无人机载荷及用途低空无人机遥感以无人驾驶飞行器()为载体通过搭载各类传感器获取地面高分辨率遥感数据 低空无人机包括固定翼无人机、多旋翼无人机 固定翼无人机航速快作业半径广阔适合大范围对地观测多旋翼无人机组装、拆卸方便可空中悬停并且灵活机动适合小范围、高精度、连续航拍 低空无人机遥感包括光学遥感、热红外遥感与激光雷达遥感 光学遥感(可见光、多光谱与高光谱成像仪)采集草原水平方向的光谱信息激光雷达具穿透能力在获取草原植被垂直结构信息方面具有优势热红外遥感(热红外成像仪)能快速获取地表面状温度与卫星遥感相比无人机的飞行高度低于 属于低空域范围可以克服传统遥感云遮挡、重访周期、大气条件等不利因素能够获取更高精度的高分辨率影像 与航空遥感相比无人机对飞行条件要求低、时效性强能够搭载多种传感器(如:可见光、多光谱、热红外、高光谱与激光雷达)(表)低空无人遥感弥补了卫星遥感与地面样方间的尺度空缺丰富了数据的多元化拓展了数据的深度、广度针对草原监测评价具优势表 低空无人机遥感机载传感器 传感器类型 常用传感器 数据产品 优势局限可见光相机 大疆禅思、二维正射、三维倾斜、数字表面模型技术成熟、行业普遍采用通常为 影像、光谱信息有限、数据采集易受天气影响多光谱成像仪、多波段光谱信息、光谱指数图像、二维图像能获取多个不连续光谱波段波段局限导致解译困难(无法克服同物异谱、同谱异物)高光谱成像仪、等以高光谱分辨率同时获取连续的地物光谱图像光谱分辨率高、信息量大、可反演植物生化组分波段数量多、无法与其它数据直接融合热红外测温成像仪 大疆禅思/热成像图像获取温度信息易受周围环境影响激光雷达扫描仪 、大疆禅思、等(实时)点云数据、高精度数字地面模型复刻高精度、高精细的地表三维信息无法获取光谱信息 无人机遥感监测草原生态研究进展.草原基况调查.草原草层高度监测草原草层高度是草地退化、沙化的重要指标也是估测草原蓄积量、地上生物量与碳储量的主要因子 传统的草层高度监测地面需布设大量样方进行测量(或刈割)对草地有一定破坏性工作量大、耗时费力无法获得较大范围草层高度 多光谱卫星遥感反演草层高度模型精度低星载激光雷达因大光斑离散雷达数据无法在区域尺度上连续估算草层高度 草层高度精细化监测是草原遥感的难点 期 李刚勇 等:低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展:/.()摄影测量技术应用到无人机遥感使低空无人机遥感反演草层高度具有优势 基于特征匹配从重叠图像中自动化提取目标地物数字三维模型如 等采用无人机影像获取了数字表面模型()与数字高程模型()后计算草层高度结果显示拟合优度()为.随着低空无人机装备轻小型激光雷达、高光谱传感器促进了无人机获取高分辨率草层高度如 等、等获取并分析了草层高度、盖度与地上生物量的关系发现无人机(搭载激光雷达)飞行高度()对草层高度的精度没有显著影响考虑了草层高度反演生物量的模型精度达到 当前低空无人机遥感获取草层高度已有初步应用(表)无人机获取高分辨率草层高度观测技术的快速发展与星载激光雷达、高光谱数据的有效衔接逐渐填补地表样方与卫星遥感间的缺口实现了草层高度的升尺度研究表 低空无人机遥感监测草原草层高度 数据获取 无人机传感器 研究内容 研究区域 样方测 量、无人机 航拍(大 疆)()激光雷达(传感器)无人机激光雷达提取草原植被参数内蒙古呼伦贝尔草原()面积 样方测量、无人机航拍(大疆 )()可见光相机(分辨率:像素)无人机影像估算草地冠层高度和地上生物量甘肃玛曲县、内蒙古自治区阿内蒙古拉善左旗县、江苏省样方测量、无人机航拍()()可见光相机(分辨率:)无人机时序影像监测草地植被高度与绿度荷兰瓦尔河南岸样 方 测 量、无 人 机 航 拍()()可见光相机(分辨率:像素)无人机影像测量黑麦草的冠层高度和生物量估算比利时()面积.样方测量、无人机航拍可见光相机(分辨率:像素)草地植被高度与地上生物量监测方法比较(无人机的技术和 重建方法)挪威()面积 样方测量、无人机航拍(大疆 )、手持激光雷达测量()()()可见光相机(分辨率:像素)、激光雷达基于便携式激光雷达的草高测量精度改进方法日本().草原植被覆盖度监测植被覆盖度是观测区域内植被垂直投影面积占地表总面积的百分比是表征植被群落生长状况及生境质量的重要参数反映了草原生态系统生态状况 传统的地面测量无法准确获得区域草原植被盖度卫星遥感能快速估算区域植被覆盖度但较粗的分辨率无法表征稀疏的草地植被特征低空无人机拥有灵活性并且时效性强与分辨率高等优势可作为地面测量与卫星遥感监测草原植被盖度的补充蔡栋等、宋清洁等、冷若琳等和 等分别以甘南藏族自治州为研究区域分析了草地野外实测样方盖度、低空无人机影像提取的盖度与多源遥感(、)植被指数间的相关性构建了草地植被盖度回归模型并进行了精度验证 蔡栋等构建的无人机照片与 影像的草地植被盖度模型精度为.宋清洁等采用无人机与 数据构建的最优反演模型精度可达 等构建了单因子参数、多因子参数/非参数反演模型发现 神经网络为草地植被盖度的最佳模型(.)刘艳慧等基于遗传算法采用无人机影像构建的过绿指数、颜色指数估算了草原植被覆盖度发现过绿指数估算植被覆盖度精度较高(.)株高与覆盖度的交叉变量拟合精度为.(./)生 态 学 报 卷:/.近年来低空无人机遥感监测草原植被盖度主要表现在以下方面(表):建立无人机遥感与地面实证调查的方法结合多种统计模型和机器学习算法构建低空无人机遥感获取的草地盖度与卫星遥感植被指数(如、与 等)间的关系地面样地样方测量仍是低空无人机遥感与卫星遥感估算草原植被盖度的重要验证数据表 低空无人机遥感监测草原植被覆盖度 数据获取 无人机传感器 研究内容 研究区域 样方测量、无人机航拍(大疆 )与卫星 影 像()()()可见光相机无人机遥感与卫星遥感监测高寒草原盖度动态黄河 源 东 部 区 域()面积.地面实测、无人机航拍与卫星影像(、)()可见光相机多 源 遥 感 监 测 草 地 植 被 覆盖度甘肃甘南藏族自治州()地面实测、无人机航拍(大疆 )与卫星影像()()()可见光相 机(分辨率:)基于低空无人机遥感与卫星遥感识别草原植被覆盖度甘肃甘南藏族自治州()地面实测、无人机航拍(大疆 )与卫 星 影 像(、)()()可见光相机多源遥感监测草地非生长季植被覆盖度甘肃甘南藏族自治州()样方采样、无人机航拍(大疆 )()可见光相 机(分辨率:)无人机大样方草地植被覆盖度及生物量估算内蒙古呼伦贝尔草原中部样地采样、无人机航拍(大疆 )与 卫 星 影 像(国 产 高 分 一 号)()()可见光相机无人机遥感与卫星遥感反演草地植被覆盖度伊敏露天矿(呼伦贝尔草原的中部)样方测量、无人机航拍(大疆 )()可见光相机无人机遥感与卫星遥感估测草地植被覆盖度兰州大学榆中校区校园内草原、试验田().草原地上生物量估算地上生物量为植被地上部分光合产物的积累量是草原生态监测、健康评价的重要依据和草原生态系统评价的重要参数 以往多采用样方统计、回归模型、物理模型并结合卫星遥感估算生物量但传统的卫星遥感分辨率粗、易受大气影响等限制导致草原地上生物量估算精度低、误差大与时序不连续难以满足草原监测评价的实际需求低空无人机以其影像获取速度快、空间分辨率高和云下采集等优势可以快速、有效地估算草原地上生物量 孙世泽等、张正健等开展了无人机影像获取的植被指数与样方实测生物量的相关性分析结果显示天山北坡比值植被指数()拟合精度为.若尔盖高原 模型拟合精度为.等、等基于无人机高光谱遥感估算了草原植被地上生物量 李淑贞等采用无人机高光谱、多光谱影像与实测生物量建立、验证了植被指数回归模型发现 模型具有更高的拟合精度(.)与较低的均方根误差()等、等与 等采用无人机载激光雷达获取草原点云数据估算地上生物量分析了激光雷达信息丢失及其对估算地上生物量精度的影响 期 李刚勇 等:低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展:/.等的估算精度为.等、等与 等基于机器学习(随机森林)结合地面采样与无人机影像估算了草原地上生物量结果显示随机森林估算结果.、./湿重相对误差、干重 总体来看基于无人机遥感和地表样方数据构建地上生物量与植被指数的回归模型随着低空无人机载荷提高高光谱、激光雷达逐渐用于估算草原地上生物量(表)表 低空无人机遥感估算草原地上生物量的研究 数据获取 无人机传感器 研究内容 研究区域 样方测量、无人机航拍(大疆 )()可见光相机(分辨率:像素)无人机影像估算草地冠层高度和地上生物量甘肃玛曲县、内蒙古自治区阿拉善左旗县、江苏南部某研究站点样方测量、无人机航拍(大疆 )()激光雷达(传感器)无人机激光雷达提取草原植被参数呼伦贝尔草原()面积 样方采样、无人机航拍(大疆 )()可见光相机(分辨率:)无人机大样方草地植被覆盖度及生物量估算内蒙古呼伦贝尔草原中部样方实测、无人机航拍(大疆)()多光 谱 相 机(分辨率:像素)无人机多光谱影像估算草地生物量新疆天山北坡中段()地面样方实测、无人机航拍(小型电动固定翼 无 人 机)()可见光相机(光学相机分辨率:像素)无人机遥感估算草地地上生物量若尔盖高原()样方测量、无人机航拍(大疆 )()激 光 雷 达()无人机遥感(激光雷达)估算稀树草原地上生物量巴西塞拉多热带稀树草原地面样方测量、无人机航拍(大疆八旋翼无人 机)()多光 谱 相 机(分辨率:像素)无人机遥感的草原生物量反演和放牧场利用强度评估新疆生产建设兵团第八师一五一团紫泥泉内()样地测量、无人机航拍(多旋翼无人机)激光 雷 达()无人机遥感(激光雷达)反演草原生态系统地上生物量呼伦贝尔草原()样方测量、无人机航拍(大疆 )()可见光相机多时相无人机摄影测量估算草场生物量皮钦查省(厄瓜多尔)无人机航拍(大疆 )()可见光相机(分辨率 像素)基于无人机改进放牧强度下草原地上生物量估算青海河南蒙古族自治县样方测量、无人机航拍(大疆 )()可见光相机无人机遥感估算非均质温带草原的生物量德国黑森州卡塞尔大学().草原动态监测.草原植被长势监测草原植被长势为植被的生长状况监测草原植被长势对草地管理、保护及其生境改善具有现实意义以往采用人工调查测量、记录草地植被长势信息(高度、盖度、地上生物量与牧草发育期等)人工监测方法耗时费力、覆盖范围有限、代表性较差卫星遥感能多时段、大范围监测草原植被长势 然而多数星载影像的空间分辨率不足以开展精细化的草原植被长势监测 当前低空无人机遥感以其机动灵活、较低的成本和高时空分辨率等优势成为近地遥感观测的有效工具针对草原植被长势国内采用低空无人机开展监测的研究鲜有报道 固定站点(国家站点、草原行业部生 态 学 报 卷:/.门站点以及科研实验站点)仍是草原植被长势的主要监测方式部分站点已采用物候相机不间断监测在草地生长初期的监测时段需要清理草原上层覆盖的积雪开展监测 采用无人机监测草原植被长势国外已有探索如 等、等与 等分别采用低空无人机在德国波恩、德国埃菲尔山区与加拿大安大略省科夫勒保护区监测了草原牧草植被长势总体来看低空无人机能根据需求进行实时拍摄可弥补地面、卫星观测梯度的过渡建立草原植被长势地面观测、无人机观测与卫星遥感观测的相关关系能提高草原植被长势监测的准确率.草原产草量估测草地产草量是牲畜可食用的草产量直接影响着草原的载蓄量是草原生产利用的重要指标 及时、准确地掌握草原产草量是草原资源监测评价的重要内容 通常草原产草量估测包括地面样地监测与卫星遥感估算利用草原植被光谱数据、草原产草量、卫星影像与气象数据构建草原产草量与植被光谱指数间的统计模型、遥感模型与气象模型 然而因气象数据插值导致的尺度、精度问题以及卫星影像分辨率的限制以上模型估算的产草量精度有待提高在中、小尺度低空无人机遥感获取草原植被生物物理参数估算产草量克服了人工调查效率低弥补了卫星遥感的分辨率、云层等外界条件限制 等、等与 等采用低空无人机载多光谱分别在德国科隆、德国波恩与巴西估算了草原产草量 等估算的精度.()、.()等为.()、./()等使用了卷积神经网络()估算了草原植被总干物质产量(.、./)与叶片干物质产量(.、./)等与 等采用无人机载高光谱估算了草原产草量 等估算的鲜草产草量精度.()、.()干重精度.()、.()等基于集成学习后估算苜蓿产量的拟合精度为.综上来看低空无人机遥感扩展了草原样地样方空间范围通过多种传感器获取草原草层光谱、空间结构信息结合机器学习等方法能客观估测草原产草量.草畜平衡监测草畜平衡是一定时间内草原可利用饲草饲料总量与饲养牲畜所需的饲草饲料量间的动态平衡区域草原产草量与牲畜数量是草畜平衡的研究基础 通常草原产草量采用地面样方采样、遥感与生态模型估算牲畜数量多采用统计年鉴数据(即牲畜年末存栏数)以往没有考虑到牲畜数量的时序变化与空间分布在一定程度上限制了草畜平衡的估算精度近年来低空无人机遥感逐渐成为调查牲畜时空特征新的技术手段 等基于无人机影像提高动物与背景的对比度采用优化的深度学习算法识别出成簇牲畜的数量精度为 等采用改进的卷积神经网络算法提高了无人机影像识别牲畜的精度 等基于无人机获取高分辨率影像采用多种算法(与贝叶斯网络)识别绵羊数量及其空间分布 等基于无人机高清视频采用区域卷积神经网络算法对围场中绵羊进行检测与计数然后将结果与其他技术进行比较以评估其性能采用低空无人机遥感开展草畜平衡的研究已有应用如杨帆等基于样方采样、遥感数据估算玛多县(青海省果洛藏族自治州)草原产草量结合无人机遥感影像预测了包括野生动物和家畜在内的草畜平衡状况 郭兴健等基于无人机遥感调查了黄河玛多县域内岩羊种群数量及其分布规律为青藏高原地区大型野生动物及草畜平衡研究提供了新思路邵全琴利用无人机遥感建立家畜(牦牛、藏羊和马等)与野生动物(藏野驴、藏原羚和岩羊等)的无人机图像解译标志库客观调查了样带内的种群数量可以看出低空无人机遥感具有操作灵活、分辨率高等优势在调查牲畜数量的作业中低空无人机调查范围广、对牲畜干扰小、能进入不易到达的区域能够客观获取牲畜数量.草原应急管理监测火灾、雪灾与生物灾害是草原应急管理的重要组成 关于草原行业部门的应急管理低空无人机遥感提 期 李刚勇 等:低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展:/.供了一种新型手段解决了人工监测的缺点(费时费力、精度低与范围小)弥补了传统草原应急管理的不足同卫星遥感相比低空无人机遥感获取影像快尤其在中小尺度具有显著优势可持续监测人工勘察不易到达区域 近年来低空无人机遥感已应用到草原应急管理.草原火灾与雪灾监测草原火灾是一种破坏性极强的自然灾害人工监测成本高、效率低、实效性差难以达到完全监测航天遥感因受制于卫星平台运行周期监测频率有限难以实时监测点域无线传感器由于感应范围、能耗与价格限制无法大规模应用于草原火灾监测 近年来为降低草原火灾危害需针对草原火灾开展信息化监测无人机能快速获取火场实时高分数据准确把握火情动态为火灾蔓延提供可靠的初始场数据 无人机能携带多种传感器采集多源遥感数据快速、准确地评估草原火灾受损程度定量预测灾后草原植物土壤养分动态草原雪灾突发性强、危害大直接影响牧区畜牧业的可持续发展 以往雪灾监测采用地面观测收集、整理速度慢偏远地区不易到达无法开展观测难以全面了解雪灾受损范围、程度 关于草原雪灾监测一定时空范围内无人机不接触也不破坏草原但可以获得更多积雪数据低空无人机遥感更加准确便于计算、分析与数据挖掘雪灾经客观评估后能为牧区畜牧业生产提供帮助 目前低空无人机多与航天遥感结合定量评估区域雪灾时空分布与生物/气象数据、历史数据结合预测草原雪灾.草原生物灾害监测生物灾害是影响草原生态平衡的重要因素鼠害、虫害为草原生物灾害的重要组成 传统调查费时费力、资金投入大较难快速、准确地识别灾害的发生范围与危害程度 低空无人机遥感是一种新型的草原生物灾害监测手段具有高分辨率、高时效、低成本与低损耗特点在草原鼠害、虫害监测中已有示范(表)表 低空无人机遥感关于草原生物灾害监测 数据获取 无人机传感器 研究内容 研究区域 无人机航拍(固定翼无人机)()可见光相机()无人机遥感监测沙漠森林鼠害空间分布古尔班通古特沙漠()样方测定、无人机航拍(大疆精灵 )()可见光相机(分辨率:像素)无人机调查鼹鼠种群的最佳尺度研究内蒙古自治区呼伦贝尔市(额尔古纳市、陈巴尔虎旗与鄂温克族自治旗)无人机航拍(航摄无人 机)()可见光相机(索尼 相机:像素、索尼 相机:像素)低空无人机遥感识别荒漠林大沙 鼠 洞 群 覆 盖 率 及 其 分 布特征古尔班通古特沙漠南缘(第一试验区 第二试验区)无人机航拍(动力三角翼无人机)()可见光相机(佳能 分辨率)无人机遥感监测草原鼠害新疆 乌苏草 原鼠害 防 治 示 范 区()样地调查、无人机航拍(大疆精灵)()可见光相机低空无人机遥感监测高原鼠兔危害等级甘肃 省甘南 藏族自 治 州 玛 曲 县()无人机航拍(大疆 )()激光雷达(高光谱仪:型)无人机高光谱影像识别荒漠草原鼠洞内蒙古自治区乌兰察布市的四子王旗境内()地面调查、无人机航拍(大疆御、大疆精灵)()可见光相机(分辨率:像素)低空无人机监测草原毛虫青海 省黄南 藏族自 治 州 泽 库 县()生 态 学 报 卷:/.等基于无人机遥感监测鼠害分析了啮齿类动物的空间分布、爆发规律及其危害程度 孙姗姗等采用无人机调查鼹鼠种群结果显示最佳尺度的飞行高度为 最小取样面积.马涛等、轩俊伟等在新疆验证了低空无人机遥感针对鼠害监测的有效性马涛等识别的鼠洞洞群覆盖率为.具有明显的聚集特征与带状分布特征轩俊伟等识别的中度、轻度危害区约占试验区的 极度危害区占比 花蕊等通过无人机遥感获取了高原鼠兔洞口数量与植被盖度精度分别为 与 经可见光差值植被指数估算地上生物量精度为.张涛等利用无人机载高光谱监测荒漠化草原鼠洞数量与分布提出鼠洞指数动态监测草原鼠洞精度可达 郑永军等采用低空机载蝗虫预警系统开展了草原蝗虫识别与计数准确率达 高姻燕等提出并验证了一种基于无人机遥感监测草原毛虫的方法在监测效率、对草地破坏性及提高时效性、可预报性等方面更优于传统方法在草原毛虫幼虫信息提取、灾害预警与高效防控等方面具有应用潜力 王佳宇等阐述了草原蝗虫监测预警技术的研究进展指出在小区域和飞行困难区域无人机能够快速获取草原蝗虫高分影像构建蝗灾分析预警系统实现蝗虫密度的监测与预警 展望.问题与挑战草原监测评价的难点仍是无法及时、有效、客观准确地获取、分析与挖掘监测区域内草原植被生境状况无人机是低空域灵活、准确与高效获取高分遥感影像的重要平台目前已应用于林草行业在中、小尺度草原监测评价与智慧草原中发挥了重要作用 但是低空无人机遥感在实际应用中也存在一些局限:()低空无人机重量较轻易受微气象条件影响虽然已设计有抗抖稳定系统但实际获取的影像依然存在质量不足增加了影像后期的处理难度()低空无人机可搭载多源传感器(如可见光、多光谱、热红外、高光谱与激光雷达)但传感器尚没有采用统一的设计标准和考虑产品的通用性轻小型化传感器的定量精度有待提高多数研究中采用的消费级无人机传感器光谱响应曲线的校准有待提高()海量数据的处理效率具有滞后性没有实现自动化、智能化处理缺乏与之配套的国产化数据处理、挖掘与可视化分析软件在草原监测行业尚没有形成完善的软、硬件技术体系()草原监测周期长、范围大行业内广泛采用的无人机受飞行电池容量或燃料搭载量的限制导致无人机的作业半径及面积有限尤其在环境复杂及其地形崎岖的区域增加了无人机的操作难度 没有长期稳定连续的草原观测数据缺少与之匹配的地面调查数据与参考标准降低了遥感解译的精度.发展趋势()跨领域与交叉学科深度整合无人机平台与遥感传感器实现无人机飞行平台与载荷的一体化、嵌入式和组件式 低空无人机遥感是一项复杂的系统工程在草原监测评价中的成功应用是跨领域与交叉学科的有效整合主要包括无人机系统技术、遥感、地图学与地理信息系统、地理学、生态学、植物学、草原与草地等学科 未来低空无人机遥感的普适性将会逐渐提高更多地面向行业部门与普通用户进一步降低无人机采集数据的门槛 低空无人机发展的总体趋势为轻小型、标准化与市场化应用无人机传感器是向多任务、模块化与组件式架构发展 低空无人机搭载多传感器或集成传感器的数据采集与实时处理尚在探索阶段 基于高空间、高光谱、多维度的低空无人机遥感将成为今后发展的热点和趋势()推动“星空地”一体化监测实现草原监测的时间尺度延续与空间范围扩展 草原植被生态系统是一个复合的生态系统是土壤草原植被大气水分的连续体全面、系统的草原生态监测应当是时序变化与空间格局演替的统一 短期、小尺度的监测不能全面地解释草原生态系统的演变也不能客观诠释草原的时空变化草原监测的本质是客观、准确地采集当前草原生态环境状况表征指标以期为今后的草原资源可持续利用做出有效预测 因此结合地面样方测量耦合低空无人机遥感与卫星遥感实现草原资源空间对地观测弥 期 李刚勇 等:低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展:/.补人工监测与航天遥感时效性、准确性及其精细度方面的缺陷 扩展草原生态监测的空间尺度在个体、种群、群落、生态系统甚至景观、区域尺度上开展“星空地”一体化草原生态监测实现时间尺度延续与空间范围的扩展为草原的现状与变化趋势做出正确的评价与预测()融合多源遥感数据融入大数据、人工智能、云计算与物联网等新兴技术提高无人机海量数据的处理效率挖掘影像的应用价值 多源、多尺度与多维数据融合是低空无人机遥感应用的发展方向能够客服因单一数据源无法系统地捕捉目标区域信息 在数据采集阶段采用搭载的多源传感器或一体化集成多源传感器采集数据能够避免多次飞行同时克服不同遥感影像的地理位置精度差 在数据处理阶段数据融合包括:不同时间分辨率数据融合不同尺度(分辨率)数据融合不同维度数据融合 在此基础上积极融入大数据、人工智能、云计算与物联网等新兴技术提升低空无人机遥感针对草原生态监测的智能化交互水平在草原生态监测中实现智慧化监测 低空无人机遥感为草原生态智能监测网络开辟了一个实际、准确的方向即物联感知自动监测草原生态状况、动态评估草原生态健康、实现草原多灾种早期预报精准促进草原智能化监测、评估与预警()构建无人机遥感光谱数据与草原植被生理参数关系增强草原植被的自动化识别 低空无人机遥感采集的光谱数据估算草原植被冠层生理参数是草原定量遥感的难点截至目前尚没有一种通用、稳定的光谱指数能够准确表征草原植被特征受大气光照、无人机飞行高度、草原植被类型与土壤等影响各种遥感光谱指数与草原植被生理参数间的关系不稳定 构建草原植被无人机遥感解译基础数据库包括典型草原植被波普标准数据集、不同航拍高度典型草原植被纹理特征数据集建立草原植被冠层形态、物候与光谱特征库促进草原植被的自动化识别是低空无人机遥感急需解决的问题 结语在草原监测评价中低空无人机遥感处于快速发展阶段 低空无人机遥感时效性高在光谱、空间分辨率方面具有明显优势促进了草原基况调查、动态监测与应急管理监测提高了草原生态保护与管理水平 但是现阶段常用的无人机续航时间有待进一步提高在复杂地形作业中关于通信稳定性有待提升 另外面向草原大数据、人工智能、物联网等新技术背景低空无人机遥感在高端技术自动化、实时处理、精准解译等方面仍有局限 基层草原行业部门对低空无人机遥感技术的理论素养与高效应用有待突破 新时代继续推进完善草原生态监测网络的背景下低空无人机遥感以其固有的优势推动着草原监测由传统的地面观测(样地样方的位置、质量、指标方面)向空间定量遥感发展参考文献():.:.张文博.基于 数据的草地退化遥感监测方法研究.王德利 王岭 辛晓平 李凌浩 唐华俊.退化草地的系统性恢复:概念、机制与途径.中国农业科学 ():.().:.:.:.郭庆华 胡天宇 刘瑾 金时超 肖青 杨贵军 高显连 许强 谢品华 彭炽刚 闫利.轻小型无人机遥感及其行业应用进展.地理科学进展 ():.胡健波 张健.无人机遥感在生态学中的应用进展.生态学报 ():.孙中宇 陈燕乔 杨龙 唐光良 袁少雄 林志文.轻小型无人机低空遥感及其在生态学中的应用进展.应用生态学报 ():.杨贵军 李长春 于海洋 徐波 冯海宽 高林 朱冬梅.农用无人机多传感器遥感辅助小麦育种信息获取.农业工程学报 ():.郭庆华 胡天宇 马勤 徐可心 杨秋丽 孙千惠 李玉美 苏艳军.新一代遥感技术助力生态系统生态学研究.植物生态学报 生 态 学 报 卷:/.():.杨文攀 李长春 杨浩 杨贵军 冯海宽 韩亮 牛庆林 韩东.基于无人机热红外与数码影像的玉米冠层温度监测.农业工程学报():.张继贤 刘飞 王坚.轻小型无人机测绘遥感系统研究进展.遥感学报 ():.冯琦胜 殷建鹏 杨淑霞 梁天刚.草层高度遥感监测研究进展.草业科学 ():.魏占玉 何宏林 高伟.基于 方法的高密度点云数据生成及精度分析.地震地质 ():.:.:.:.:.:.:.():.:.:():.陈春波 彭建 李刚勇.新疆草地生态系统健康评价体系构建.干旱区研究 ():.蔡栋 李文龙 朱亚莉 苏文亮 朱高峰 赵志刚 魏巍.基于多源数据的甘南草地植被覆盖度遥感监测研究.兰州大学学报:自然科学版 ():.宋清洁 崔霞 张瑶瑶 孟宝平 高金龙 向宇轩.基于小型无人机与 数据的草地植被覆盖度研究 以甘南州为例.草业科学():.冷若琳 张瑶瑶 谢建全 李芙凝 胥刚 崔霞.基于多光谱数据与小型无人机的甘南草地非生长季植被覆盖度.草业科学 ():.:.:.葛静 孟宝平 杨淑霞 高金龙 冯琦胜 梁天刚 黄晓东 高新华 李文龙 张仁平 王云龙.基于 技术和 遥感数据的高寒草地盖度动态变化监测研究 以黄河源东部地区为例.草业学报 ():.刘艳慧 蔡宗磊 包妮沙 刘善军.基于无人机大样方草地植被覆盖度及生物量估算方法研究.生态环境学报 ():.蔡宗磊 苗正红 常雪 刘艳慧 郝刚 何龙涛.基于无人机大样方数据及国产卫星反演草地植被覆盖度方法研究.草地学报 ():.伏帅 张勇辉 李佳吕 王萌榛 彭璐 冯琦胜 梁天刚.不同植被指数和无人机航高对草地盖度估测精度的影响.草业科学 ():.():.孙世泽 汪传建 尹小君 王伟强 刘伟 张雅 赵庆展.无人机多光谱影像的天然草地生物量估算.遥感学报 ():.张正健 李爱农 边金虎 赵伟 南希 靳华安 谭剑波 雷光斌 夏浩铭 杨勇帅 孙明江.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.遥感技术与应用 ():.():.():.李淑贞 徐大伟 范凯凯 陈金强 佟旭泽 辛晓平 王旭.基于无人机与卫星遥感的草原地上生物量反演研究.遥感技术与应用():.:.期 李刚勇 等:低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展:/.:.:.:.():.汪传建 江红红 尹小君 孙世泽 张雅 李冬.基于 与无人机遥感反演草地生物量的放牧场利用强度评估.农业工程学报():.:():.:.():.():.付晶莹 彭婷 江东 林刚 边鹏 韩昊.草地资源立体观测研究进展与理论框架.资源科学 ():.饶新宇 李红军 张圣微 雒萌 刘志强 张静文.草原植被长势遥感监测方法适宜性研究.中国生态农业学报:中英文 ():.于海达 杨秀春 徐斌 金云翔 高添 李金亚.草原植被长势遥感监测研究进展.地理科学进展 ():.:.:()./:.(/):.石岳 马殷雷 马文红 梁存柱 赵新全 方精云 贺金生.中国草地的产草量和牧草品质:格局及其与环境因子之间的关系.科学通报():.金云翔 徐斌 杨秀春 李金亚 王道龙 马海龙.内蒙古锡林郭勒盟草原产草量动态遥感估算.中国科学:生命科学 ():.李风贤.无人机技术在草原生态遥感监测中的应用与探讨.测绘通报():./.():.:.():.():.():./.:():.:.:.().生 态 学 报 卷:/.().():.杨帆 邵全琴 郭兴健 李愈哲 王东亮 张雅娴 汪阳春 刘纪远 樊江文.玛多县大型野生食草动物种群数量对草畜平衡的影响研究.草业学报 ():.():.():.郭兴健 邵全琴 杨帆 李愈哲 汪阳春 王东亮.无人机遥感调查黄河源玛多县岩羊数量及分布.自然资源学报 ():.邵全琴 郭兴健 李愈哲 汪阳春 王东亮 刘纪远 樊江文 杨帆.无人机遥感的大型野生食草动物种群数量及分布规律研究.遥感学报 ():.高娟婷 孙飞达 霍霏 张履冰 周俗 杨廷勇 边巴扎西.无人机遥感技术在草地动植物调查监测中的应用与评价.草地学报():.夏鑫.多无人机协同草原火情监测的研究.呼和浩特:内蒙古工业大学.朝鲁门.无人机技术在草原生态遥感监测方面的探索.南方农业 ():.胡可 陈思思 王俊伟.无人机载红外载荷在应急测绘中的应用.测绘科学 ():.():.哈斯.草原雪灾损失快速评估研究.():.郁尚钊 孙义 侯扶江.无人机技术在草原研究和管理中的应用.草学():.宋勇 陈兵 王琼 苏维 孙乐鑫 赵静 韩焕勇 王方永.无人机遥感监测作物病虫害研究进展.棉花学报 ():.().():.孙珊珊 满都呼 伟军 朝克图 阿焱 张恒 付和平 武晓东 袁帅.基于无人机的东北鼢鼠种群数量调查最佳尺度选择.草业科学():.马涛 郑江华 温阿敏 陈梦 刘忠军.基于 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.生态学报 ():.轩俊伟 郑江华 倪亦非 穆晨.基于动力三角翼平台的草原鼠害遥感监测研究.中国植保导刊 ():.花蕊 周睿 包达尔罕 董克池 唐庄生 花立民.基于旋翼无人机低空遥感的高原鼠兔危害等级划分技术研究.草业学报 ():.张涛 杜健民 张海军 皮伟强 高新超 朱相兵.基于无人机高光谱荒漠草原鼠洞识别方法研究.光电子激光 ():.郑永军 吴刚 王一鸣 毛文华.基于模糊模式的蝗虫图像识别方法.农业工程学报 ():.高姻燕 马青山 张欣雨 马建海 宜树华 李葆春 张建国 卢霞梦 孙义.基于无人机的草原毛虫监测初探.草业科学 ():.王佳宇 杜波波 高书晶 孟根其其格 王宁 林克剑.草原蝗虫监测预警技术的研究进展.植物保护学报 ():.期 李刚勇 等:低空无人机遥感在草原监测评价中的应用进展