EcoDrone无人机多光谱遥感——在高原草地生态监测中的应用案例

1 引言

不同地物有不同的光谱特性,同一地物在不同波段的辐射能量有差别,取得的不同波段图像也有差别。多光谱遥感利用地物光谱特性,将辐射电磁波分割成若干个较窄的光谱段,以摄影或扫描的方式在同一时间获得同一目标不同波段信息。通过对不同波段信息进行运算合成,可得出各种能直接反映植被长势及健康信息的重要参数,比如NDVI,RVI,GVI,PVI等。虽然NDVI对土壤背景的变化较为敏感,但由于NDVI可以消除大部分与仪器定标、太阳角、地形、云阴影和大气条件有关辐照度的变化,增强了对植被的响应能力,是目前已有的40多种植被指数中应用最广的一种。

EcoDrone无人机遥感系统搭载5通道多光谱相机,涵盖兰、绿、红、近红外、红边波段,可同时获取5波段高清影像数据,结合专业分析工具可为草原植被覆盖、草原生态退化监测研究提供完美解决方案。

2 研究区及数据获取

2.1研究区概况

青藏高原作为我国最高的陆地,是中国重要的牧区和林区,具备多种不同高山草甸及林地地类,对于研究高原生态及生物资源多样性具有极高的价值。拉萨林周县地处青藏高原腹地,近年来由于农业开垦及过渡放牧导致当地草原退化,生态破坏严重。中科院地理所长期致力于当地生态研究,此次应地理所邀请,易科泰无人机遥感事业部对林周县研究区进行无人机遥感作业,当地平均海拔3900m,属于农牧混合区。

图1 研究区谷歌影像和实地照片

2. 2数据获取

2017年8月22至24日,易科泰无人机遥感事业部运用自主研发设计的UAS-8八旋翼无人机遥感平台搭载RedEdge5通道多光谱相机对拉萨林周县进行无人机多光谱遥感数据获取。本研究课题从技术设计、航摄实施到数据处理检查全过程严格按照《数字航空摄影规范 第1部分:框幅式数字航空摄影》(GB/T 27920.1-2011)、《无人机航摄系统技术要求》(CH/Z 3002-2010)、《数字测绘成果质量检查与验收》(GB/T 18316-2008)等相关规范要求,圆满完成预定区域数据采集工作。出于版权考虑,以下数据仅选取研究区部分数据,三角区域简称1区、条带区域简称2区。

表1 技术参数及数据信息

相机 数据
波段数 分辨率 焦距 像元大小 像幅 面积 相对航高 实际分辨率 影像数量
5 8cm/120m 5.5mm 3.75μm 1280×960 2km2 130m 8.6cm 2800*5

图2  1区谷歌影像和本次获取RGB影像对比

图3  研究区居民点及现场作业

2.3数据处理分析

EcoDrone无人机遥感系统获取的高分辨率影响数据自带精确GPS信息,导入一体化数据处理软件全自动提取点云、DEM、多光谱DOM数据。再利用遥感及GIS专业软件根据不同需求进一步分析。

地表分类:利用EVNI自动提取NDVI,采用ISODATA非监督分类方法,计算数据空间中均匀分布的类均值,然后用最小距离技术将剩余像元进行迭代聚合,每次迭代都重新计算均值,且根据所得的新均值,对像元进行再分类,最终分级反映研究区植被覆盖情况。

图4  左图为1区NDVI 右图为地表分类

地形断面分析:利用Global Mapper进行地形断面分析,可得出植被生长覆盖随地形地貌表现出的垂直地带规律。

图5  左图为1区断面分析 右图为2区NDVI

影像解译:利用ArcGIS对影像矢量化,主要分析影像中居民地变化情况、独立地物、其他地形要素。并赋予属性值,用于分析土地利用现状及规划决策。

图6 政府新建民房(黄色) 原有自建民房(绿色)图中数字为占地面积

图7 自建面积分布(左图) 政府新建面积分布(右图)

通过以上两图可以看出,村民自建民房占地随意、面积规划零乱,政府新建民房统一规划,面积基本趋于一致,利于规划管理,有效提高土地利用率。

2. 4 结论

通过NDVI可以看出,1区大部分区域NDVI值在0.5以下,研究区植被覆盖度普遍较低,原因系该区域地貌多为半裸草地,并伴有许多砾石,不利于植被生长;区域位于主干路沿线,牧民放牧方便,植被消耗较多。2区居民区由于人工建设破坏地表植被,其他区域制备覆盖较好,原因系该区域外围有围栏,阻止了一部分放牧活动,因此植被破坏较少。

通过影像辅助地形断面分析,得出在地形平坦或高程缓慢过渡地区的植被并不存在植被垂直地带分布规律;通过影像解译可以看出,政府对于藏区农村建设扶持力度很大,合理引导村民减小随意破坏草地,保护生态环境,走可持续发展道路,

EcoDrone无人机遥感平台能很好的适应高原高海拔、低气压下的高质量作业,获取数据精度高、信息全面,全自动数据处理分析手段解放了大量人力资源,整个技术体系完全满足现代化的遥感科研需求及行业应用,展现了广阔的应用前景。