基于无人机遥感的草地关键生态参数调查研究

作     者：朱萨宁 

作者单位：中国环境科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：高吉喜

授予年度：2024年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 090503[农学-草业科学] 0909[农学-草学] 0905[农学-畜牧学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 081002[工学-信号与信息处理] 

主      题：草地 无人机 生态调查 基础参数 

摘      要：我国是世界草地面积最大的国家之一,草地既是贯彻“藏粮于草大粮食安全战略的重要基地,也是生态文明建设的主阵地。开展草地生态调查既是了解和评估草地生态系统健康状况的基础,也是保护生物多样性,防止土地荒漠化、合理利用草地的前提。现有的草地调查监测方法虽已比较成熟,但仍存在调查效率低、工作量大等问题。二十世纪九十年代以来,无人机技术逐步在草地生态参数调查中得到应用,但作为一门新兴的技术,无人机草地生态调查仍处于探索阶段。为此,本论文以呼伦贝尔草甸草原、锡林浩特典型草原与鄂尔多斯荒漠草原为对象,开展了无人机草地物种调查实验,对无人机航高与图像空间采样间隔、云台俯角等基础参数进行了研究,并基于“种-面积关系确定了无人机与地面调查的最小调查面积。本研究同步开展了基于可见光植被指数与拟合建模的盖度与生物量等关键生态参数的快速提取实验,主要结果如下: （1）无人机草地植物物种调查物种发现率受无人机航高与云台俯角影响。对于标线范围内可发现物种数,草甸草原、典型草原与荒漠草原表现为一致性趋势,即随无人机航高上升而监测到的物种数下降。不同类型草地的无人机物种调查最优云台俯角不同。调查发现,草甸草原无人机物种调查的最优云台俯角为90°,典型草原最优云台俯角为45°。对于不同载荷,不同类型草地,无人机的空间采样间隔与物种发现率表现为一致性规律。 （2）无人机和地面调查的“种-面积关系表现为相同的非饱和函数形式。拟合表明,草甸草原、典型草原和荒漠草原的“种-面积关系曲线均呈现为非饱和函数形式。无人机草地物种调查的适宜面积大于传统样地调查面积,但调查效率高于地面调查。分析表明,对于呼伦贝尔市草甸草原,应用巢式样方法进行地面调查时,调查到70%的物种数需要的最小调查面积为8.63 m2,而利用无人机调查时,调查到70%的物种数需要的最小调查面积为9.59 m2;对于锡林浩特典型草原,地面调查到70%的物种数需要的最小面积为13.23m2,而利用无人机调查时,达到70%的物种数需要的最小面积为26.60 m2;对于荒漠草原,地面调查到70%的物种数需要的最小面积为8.63 m2,无人机调查到70%的物种数则需要增加到21.26 m2。基于此,本文还提出了一种地面调查与无人机调查相耦合的调查方式。 （3）对于草地盖度无人机快速提取,不同类型草地的最适植被指数不同。对于草甸草原盖度反演,最适可见光植被指数为超绿超红差分指数EXGR,对于典型草原盖度反演,最适可见光植被指数为红绿蓝植被指数RGBVI,对于荒漠草原盖度反演,最适可见光植被指数为Woebbecke指数WI。研究区草地生物量与盖度（p）、植被高度（h）及二者的乘积（p×h）3个变量均与具有强相关性,草甸草原生物量与盖度（p）相关性最强;典型草原和荒漠草原生物量与盖度、植被高度的乘积（p×h）相关性最强。