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草地植物多样性无人机调查的应用潜力
生物多样性
2024, 32 (3):
23381-.
DOI: 10.17520/biods.2023381
草地生物多样性对于维持其生态系统服务功能至关重要, 无人机遥感凭借机动灵活、高分辨率、高效率和低成本的优势, 近年来在草地物种调查与研究中受到关注。然而, 目前关于草地植物多样性无人机调查的研究仍然不够深入。本研究通过无人机航拍和人工地面调查对呼伦贝尔草甸草原区的植物多样性进行调查, 通过比较不同样方布设方式、不同拍摄方式下观测到的物种数量和调查所用时间, 探讨扩大调查面积对调查结果的影响以及利用无人机开展草地植物多样性调查的最佳拍摄参数和时间效率, 分析草地植物多样性无人机调查的应用潜力。结果表明: (1)开展草地植物多样性调查时, 物种数量随调查面积在一定范围内的增加而增多, 与人工调查有限个样方相比, 利用无人机进行大面积调查能够观测到更多的物种。(2)在半干旱地区草甸草原植物多样性调查中, 用于物种识别的无人机RGB影像空间分辨率应优于0.45 mm, 分辨率为0.45 mm时能识别67.16%的物种; 在观测角度方面, 采用两种方式进行拍摄为佳, 可在90°垂直拍摄基础上增加45°或60°倾斜拍摄。(3)采用无人机调查可大幅缩短物种调查所用时间, 但应配合高精度的物种智能识别模型以提高调查效率。本研究通过对比无人机与传统的人工地面调查观测到的物种数量, 进一步验证了无人机遥感用于草地植物多样性调查的可行性, 首次探讨了利用无人机获取可见光影像用于草地物种调查时的关键参数, 研究结果可推动无人机在草地监测、调查和保护工作中的应用。
表1
无人机航拍采集参数
正文中引用本图/表的段落
草地生物多样性对于维持其生态系统服务功能至关重要, 无人机遥感凭借机动灵活、高分辨率、高效率和低成本的优势, 近年来在草地物种调查与研究中受到关注。然而, 目前关于草地植物多样性无人机调查的研究仍然不够深入。本研究通过无人机航拍和人工地面调查对呼伦贝尔草甸草原区的植物多样性进行调查, 通过比较不同样方布设方式、不同拍摄方式下观测到的物种数量和调查所用时间, 探讨扩大调查面积对调查结果的影响以及利用无人机开展草地植物多样性调查的最佳拍摄参数和时间效率, 分析草地植物多样性无人机调查的应用潜力。结果表明: (1)开展草地植物多样性调查时, 物种数量随调查面积在一定范围内的增加而增多, 与人工调查有限个样方相比, 利用无人机进行大面积调查能够观测到更多的物种。(2)在半干旱地区草甸草原植物多样性调查中, 用于物种识别的无人机RGB影像空间分辨率应优于0.45 mm, 分辨率为0.45 mm时能识别67.16%的物种; 在观测角度方面, 采用两种方式进行拍摄为佳, 可在90°垂直拍摄基础上增加45°或60°倾斜拍摄。(3)采用无人机调查可大幅缩短物种调查所用时间, 但应配合高精度的物种智能识别模型以提高调查效率。本研究通过对比无人机与传统的人工地面调查观测到的物种数量, 进一步验证了无人机遥感用于草地植物多样性调查的可行性, 首次探讨了利用无人机获取可见光影像用于草地物种调查时的关键参数, 研究结果可推动无人机在草地监测、调查和保护工作中的应用。
试验于2022年8月中旬开展, 采用多种航拍设备获取草地植被影像, 主要包括深圳市大疆创新科技有限公司生产的无人机及长光禹辰信息技术与装备(青岛)有限公司提供的相机等国内市场常见设备(表1)。无人机航拍由专业飞手在光线、风速等环境条件满足飞行需求的情况下进行, 以保障拍摄影像的质量。地面调查由具有植物分类经验的专业人员开展, 主要获取各个样方内的植物物种组成情况。在每个样地5点“梅花型”样方调查结果的基础上, 在每条样线内补充调查与其所处同一样地的5个样方中未曾发现的物种。无人机影像解译由进行地面调查的同一组专业人员开展, 主要从影像中识别和提取物种信息。分别记录开展野外航拍、地面调查、影像解译工作的时间, 用于探讨无人机开展植物多样性调查的效率。为保证物种调查的准确度, 本试验在设计多组平行重复样方进行调查的基础上, 于正式试验开始前对研究区内分布的植物进行预调查, 参考当地植物志、《中国植物志》(中国科学院中国植物志编辑委员会, 1959-2004)等资料并邀请当地植物分类学专家进行物种鉴定, 确定了研究区内的植物物种名录。正式试验中由两名以上专业人员同时进行物种鉴定, 严格控制调查质量。
(2)不同数量样方调查。(i)计算每个样地5点“梅花型”样方中物种数的平均值nY1 (公式2), 再计算5个样地nY1的平均值, 以其代表布设1个样方可以调查到的物种数N1。(ii)计算每个样地内两组对角线上的3个样方所调查到的物种数平均值nY2 (公式3), 再计算5个样地nY2的平均值, 以其作为沿着样地对角线布设3个样方可以调查到的物种数N2。(iii)计算每个样地中5个样方调查到的物种数nY3 (公式4)平均值N3, 以此分析不同数量的样方所能调查到的物种数。N1、N2、N3的计算见公式5。
其中, nYm表示样地Y中不同数量样方调查到的物种数, Y取值为1、2、3、4、5, m取值为1、2、3, 分别表示布设1、3、5个样方; yi表示样方i中的物种数, i取值为1、2、3、4、5; a、b、c表示样方之间重复的物种数; Nm表示布设不同数量样方可以调查到的物种数。
(1)不同空间分辨率影像中的物种识别。对无人机影像进行解译, 从中提取物种信息, 是利用无人机开展植物多样性调查的重要环节。鉴于目前尚未有明确提出的用于物种识别的无人机影像评价标准, 本研究将一定区域内某种空间分辨率的无人机影像中能够识别出的物种数量与地面实有物种数量的比值称为物种识别率, 以其表征无人机影像对物种多样性的观测能力。采用DJI Matrice 300 RTK无人机搭载AQ600相机航拍获取的同一角度不同高度下的无人机RGB影像(具体参数见表1), 依据叶片颜色和形状、花朵和果实、植物的高度和结构、物种分布范围等特征, 由同一组专业人员通过目视解译进行物种识别, 统计不同空间分辨率下25个1 m × 1 m样方内可见的全部物种数, 与地面调查得到的样方内实有物种数对比, 分析不同空间分辨率影像的物种识别率。
(2)无人机影像质量。采用DJI Mavic 2 Pro、DJI Mini 3 Pro在不同高度和不同角度下航拍获取的无人机RGB影像(具体参数见表1), 通过人工判读比较影像数据质量, 定性分析利用无人机进行草地植物多样性调查时的最佳飞行参数。
本文的其它图/表
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