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基于无人机遥感技术进行的黧蒴种子产量监测研究.pdf
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1、中文科技期刊数据库(全文版)自然科学 52 基于无人机遥感技术进行的黧蒴种子产量监测研究 曾庆圣1 高亿波1 冯慧芳1 周世均1 余恩萍2(通讯作者)1.广东省森林资源保育中心,广东 广州 510173 2.中国科学院华南植物园,广东 广州 510000 摘要:摘要:2022 年 4 月和 2023 年 1 月,在广东陈禾洞保护区内,运用无人机遥感技术对黧蒴林进行监测,并利用所获数据对种子产量进行反演研究,结果表明,研究选取了适合黧蒴林种子产量预估的最优无人机遥感监测指数,并构建了种子产量与像元个数及开花面积的函数模型。本研究形成的种子产量反演模型适用于花序密集,色彩鲜明的树种,若要应用于花序
2、为其它颜色的树种,可在本实验指数的基础上改良。研究可为林业经营管理提供了一定的辅助信息。关键词:关键词:无人机;遥感技术;黧蒴;种子产量 中图分类号:中图分类号:S157 0 引言 无人机,即无人驾驶飞行器(unmanned aerial vehicle,UAV),是指由动力驱动、不搭载操作人员的一种空中飞行器。无人机与遥感技术的结合,即无人机遥感,是以无人驾驶飞行器作为载体,通过搭载相机、光谱成像仪、激光雷达扫描仪等各种遥感传感器,获取高分辨率光学影像、视频、激光雷达点云等数据1。随着激光雷达传感器技术的不断完善和发展,传感器变得越来越轻,尺寸也越来越小,这使得无人机遥感成本越来越低,加之其
3、较强的灵活性,数据准确性,因此无人机在精准农业、大地测量、海洋监测2-4、地质灾害调查、森林资源调查5-7、植物病虫害监测、国土资源监察8-10、林业11-12、道路勘测13-14、工程测绘15-17等领域都有应用。越来越多的无人机载荷平台也涌现出来,如法国的 Parrot、德国的 AscTec 和 Microdrones、美国的 3D Robotics、我国的大疆创新和亿航智能科技有限公司旗下的 Ghost 系列等。低空无人机遥感技术具有成本低、效率高、时效性强等特点,特别在中小区域低空领域具有一定的优势。当前,无人机已成为普适化和平民化的科学手段,无人机遥感数据在众多领域和部门呈现出取代通
4、航遥感和卫星遥感数据的趋势。无人机遥感以其诸多难以替代的应用优势,为生态学、保护生物学等相关学科的发展注入新的活力,其应用潜力巨大,前景十分广阔,对于传统野外调查工作量巨大且辛苦的生态学研究者来说,充满诱惑和吸引力。综合前文可知,无人机遥感在生态学及与生态效益相关指标监测方面,都有了一定的研究,但都没有直接利用监测的数据反演得到最后的生态效益。本研究在广东陈禾洞保护区内,运用无人机搭载高光谱相机、激光雷达等传感器对区内的黧蒴林进行监测,利用所获数据对种子产量进行反演研究,以验证无人机技术在林业中的应用效果。1 研究方法 通过无人机拍摄黧蒴林正射影像,基于无人机获取的 RGB 三波段影像,通过计
5、算过绿指数(EGI)、归一化过绿指数(NEGI)、蓝绿差异指数(BGDI)、绿红差异指数(GRDI)、归一化绿红差异指数(NGRDI)植被色素比值指数(PPR)以及根据黧蒴花序颜色制定的实验指数,尝试区分开花的黧蒴和其他树木。基于黧蒴花颜色特征构建的计算公式设置实验指数=R*G*B,黧蒴花为白色,对应的 R、G、B 三个波段的数值均接近最大值。使 R、G、B 三个波段的数值相乘,则最大值附近对应图像中“白色”区域。项目组技术人员对比实验指数结果和无人机航拍图像设置阈值,并利用ARCGIS 软件的“重分类”功能,将超过阈值的像元赋值为“1”(即为“黧蒴花”区域),阈值以下区域赋值为“0”(即非“
6、黧蒴花”区域)。利用“块统计”功能,统计每个 1m*1m 的单元格内判定为黧蒴花的像元个数。为避免影像中其他白色物体对实验结果造成影响,可利用软件工具将图像中的道路、房屋及其它与本项中文科技期刊数据库(全文版)自然科学 53 目无关的物体进行裁切删除。另外,相关人员在黧蒴林内设置了 11 个样方用于收集地表掉落和种子雨截留的黧蒴种子,并记录坐标、高程、种子个数等相关指标。最后,根据黧蒴林花期和果期的研究结果,绘制种子产量与目标像元个数的散点图,采用最小二乘法以确定线性函数关系。2 结果与分析 2.1 花期调查 无人机影像显示黧蒴林花期的林冠特征明显,呈现出成片的白色花序。经人工比对,本项目采用
7、的实验指数具有较好的分辨效果,适合黧蒴林种子产量预估的最优无人机遥感监测指数。图 1 正射影像 图 2 过绿指数 EGI 图 3 归一化过绿指 图 4 NEGI 图 5 蓝绿差异指数 BGDI 图 6 绿红差异指数 GRDI、图 7 归一化绿红差异指数 PPR 中文科技期刊数据库(全文版)自然科学 54 图 8 植被色素比值指数 NGRDI 图 9 实验指数 图 10 重分类(红色区域)图 11 分区统计 2.2 果期调查 黧蒴林内设置的 11 个采集样方,收集到的地表掉落和种子雨截留的黧蒴种子情况如下:表 1 黧蒴种子采集情况 样方编号 北坐标 东坐标 高程 种子个数 标记为“1”的像元个数
8、 LS1-1 2628175.496 38491546.731 756.383 153 837 LS1-2 2628172.078 38491550.391 757.071 4 53 LS2-1 2628182.003 38491534.467 758.285 1 80 LS2-2 2628181.666 38491535.327 758.025 4 80 LS2-3 2628181.174 38491535.822 758.198 3 23 LS3-1 2628187.241 38491526.640 778.979 8 66 LS3-2 2628187.325 38491526.707 7
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