无人机航测技术在海草床调查中的试点应用
时间：2023-04-10 13:20:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
陈春华，蔡绍孟，刘建波，宋长伟，丁翔宇
(1.海南省海洋与渔业科学院，海南 海口 570126；
2.海南热带海洋学院，海南 三亚 572022；
3.中国海洋大学，山东 青岛 266100)
海草床是典型海洋生态系统之一，广布于热带和温带的海岸带[1-2]，承担着营养循环、潮间带及潮下带基质沉积和稳定、海洋生物栖息场所与食物来源等重要的生态服务功能，它们与海藻每年产生的生态服务功能价值高达1.9万亿美元[3]。海草研究正成为海洋生态与保护工作中关注的热点，沿海各国纷纷进行海草分布监测[4]、种类调查[2]、修复重建[5]等研究工作。国内海草研究工作起步晚，1979年开始才有零星报道[6-7]。近年来我国的海草研究报道较多[8-9]，海南岛的潟湖、港湾、河口为海草的生长繁衍提供了优越的条件，使之成为我国海草种类最多、分布最广的地区之一[8]，但面临退化风险[9]；
对海南省生态监控区调查工作已持续了16 a，积累了海南海草床的生态状况和时间变化的数据，对于海草床生态监控区的监测方法以实地调查为主，通过布设断面和拍摄统计采样点信息，得到海草的分布状况[10-14]，该方法局限在小范围的空间内调查，存在代表性和可比性差的问题。
随着无人机航拍技术的应用越来越广，国内很多学者认为可以将该技术应用于森林和植被等领域[15-16]，但目前运用无人机在监测海草资源的报道较少，主要原因是：①受海面水体反射光的影响，出现高光、海面反射等因素干扰，影像数据图像不能很好的反映水下监测目标的情况；
②海面无特征点、潮汐、波浪动态变化等问题导致拍摄的照片无法拼接成完整遥感图。本研究通过飞行方案设计，采用无人机航拍技术得出高分辨率的海草资源分布航拍图，并得到精确的海草分布情况和研究区域中海草集中分布区的占比，该方法可以应用于海南省其它海域的海草分布调查，掌握海南省的海草分布情况，对海草床生态的监测和保护管理具有重要意义。
1.1 研究区概况
研究区位于海南省文昌市东郊镇南侧东郊椰林近岸海域，宽度为1 000 m的礁砰上，本研究调查区范围为500 m×300 m，其中选择有代表性的100 m×100 m区块作为研究区，如图1所示。研究海域水深较浅，离岸500 m范围内水深浅于0.5 m，大潮低潮时海床露出水面。年平均温度为24.4 ℃，年均降水量为1 529.8 mm，日照时数为2 026 h，位于热带北缘，属于海洋季风气候，潮汐特征为不正规全日潮类型。常浪向为SE向，夏半年SE—S向出现频率较高，冬半年NE—SE向出现频率较高。
图1 研究区域地理位置Fig.1 Location of research area
1.2 无人机飞行方案设计
1.2.1 飞行参数、范围确定和航线设计 收集东郊椰林近岸海域的历史遥感图，从图中海草分布范围选择航测区域，东西向500 m，南北向300 m。基于调查区域与相关资料进行航线设计，确定飞行起点坐标并布设控制点，在遥控器上选取该区域3个点及以上即可自动生成闭合的飞行区域，并自动生成航线，航迹线如图2所示。
图2 无人机航拍航迹线Fig.2 Flight route of UAV
本研究试验采用大疆精灵Phantom 4 RTK无人机，配备1英寸2 000万像素的相机。飞行参数：飞行高度为50 m (GSD 1.37 cm/像素)，速度为3.9 m/s，拍摄模式为定时拍摄，完成任务后自动返航。相机设置：照片长宽比例为3∶2，白平衡为晴天，测光模式为平均测光，云台角度为-90°。重叠率设置：旁向重叠率为70 %，纵向重叠率为80 %，边距设置为自动。
1.2.2 潮汐条件确定 在高潮、中潮时经多次飞行试验均拍摄不清楚海底的海草，本研究选择在大潮低潮时进行拍摄，表1为与调查区邻近的清澜站2021年9月至2022年8月的最低潮位数据，可以看出每个月最低潮潮位和对应的时间，最低潮位范围为-18～41 cm(理论深度基准面)，根据研究区的水深情况，最低潮位低于30 cm以下，海草裸露，适合航拍。无人机拍摄适合于白天，即07：00至18:00之间，从表1知2021年9、11、12月，2022年5、6、7、8月是适合无人机拍摄的时间，遇到海况大于3级、下雨不能飞行作业，一年中可以航拍的天数有限，在选定的时间内，一旦海况条件允许需做好飞行准备实施航拍工作。本研究选取2021年9月5日16:52最低潮时间前后30 min实施了无人机拍摄。
表1 清澜站一年最低潮位情况Tab.1 A year round monthly lowest tidal level at Qinglan station
飞行高度：飞行范围为300 m×500 m，飞行高度选取100 m时需1个航次，潮汐动态变化造成水深变化和颜色变化幅度小，色带变化在合理范围内便于数据处理，但海底海草分布的清晰度不够理想；
同时还需考虑低潮时间只有1 h，潮汐动态变化造成水深变化和颜色变化，选取飞行高度50 m时，潮汐动态变化造成水深变化和颜色变化的幅度稍大，但海底海草分布的清晰度较理想，拍摄试验最终选取飞行高度为50 m。
1.3 海草航拍图和海草分布图的获取方法
根据无人机飞行方案，本次50 m飞行高度获得原始图片共922 张，使用PIX4D软件拼接处理后，生成带坐标信息的高精确海草航拍影像图，幅面为300 m×500 m。将其分成了15个区块，为了清楚地反映海草航拍效果，选取第7区块(100 m×100 m)作为试点研究区域(图1)，采用ArcGIS中的 ISO聚类非监督分类工具，选取类别数量为6，对颜色相近的像元进行归类，利用三维数据分析中的等值线工具得出6种类型的等值线，通过属性表中的折线长度结合航拍图筛选出海草的分布边界，得出海草分布图。
2.1 海草分布特征
本研究海草床的无人机航拍结果如图3所示。调查人员在大潮低潮水深小于0.5 m时，采用水下相机现场拍摄的照片如图4所示。
图3 试点区域的海草床航拍图Fig.3 Aerial map of seagrass bed on research area
东郊椰林沿岸海草床位于离岸宽度1 000 m的礁砰上，分布范围为离岸300 m、水深小于1.5 m的区域，活珊瑚分布在礁砰的边缘附近，海草和活珊瑚分布位置不同，这与高隆湾和龙湾的海草分布调查结果类似[17]。海草床与珊瑚礁等生态系统共存，珊瑚礁坪宽广，珊瑚礁碎屑较多，部分海草生长在粗颗粒的珊瑚碎屑中。图3为研究区的海草分布特征，海草床呈斑块状、间隔式分布，这与海南的后海湾、铁炉港、鹿回头、西瑁洲岛和小东海等的调查结果[17]相近，与波浪和潮汐对海底沉积物塑造有关，在冲刷区因动力筛选作用，粉砂淤泥量少，海草难于扎根生长成活。
海草为绿色与海底颜色和大型藻类的颜色明显不同，采用ArcGIS软件的颜色分类工具可以获取海草分布情况。从实地观测到单脉二药草(Haloduleuninervis)和卵叶喜盐草(Halophilaovalis)一般在潮下带较浅有淤泥分布的区域，海草上吸附着悬浮物，绿色夹杂灰色，采用ISO聚类非监督分类方法时，其分布区域与其他海草分布区域颜色也有明显差别。泰来草(Thalassiahemprichii)优势分布区域和珊瑚碎屑堆积的海草分布区颜色分布也有差别。郑风英等(2013)[18]对中国海草种类、面积及退化情况进行了汇总分析，中国现有海草22种，隶属于4科10属，约占全球海草种类数目的30 %；
黄小平等(2016)[19]将22种海草中的16种命名为“藻”，统一重新命名为“草”，并对个别种名进行了规范化。根据这两位学者的分类建议，结合现场实地调查发现东郊椰林近岸海域海草种类有5种，分别为圆叶丝粉草(Cymodocearotundata)、单脉二药草、海菖蒲(Enhalusacoroides)、泰来草和卵叶喜盐草，优势种为泰来草。
泰来草分布面积最大，调查区不同水深处均有分布，部分生长在颗粒较粗的珊瑚碎屑中[图4(a)、4(b)]；
圆叶丝粉草主要在潮间带低潮带至潮下带上部，海底堆积和冲刷区交界处是密集分布区域[图4(c)]，单脉二药草[图4(d)]和卵叶喜盐草主要在潮间带低潮区有淤泥分布的区域，其表层吸附有悬浮物，从现场看卵叶喜盐草匍匐生长，航拍图颜色可以明显分辨卵叶喜盐草的分布与其它海草不同，实地拍摄的照片如图4(e)、4(f)所示。试验区海底在珊瑚礁盘的波浪和潮汐塑造作用下，海底主要分布有沙、珊瑚礁、礁石珊瑚碎屑，除海草外有零星珊瑚生长[图4(g)]，礁石上有马尾藻(Sargassum)生长，其颜色为褐色[图4(h)]。
2.2 海草分布面积计算
采用ArcGIS中的 ISO聚类非监督分类工具得出的分类结果如图5所示。
图3的航拍影像图上半部和下半部颜色有明显不同，这是不同飞行航次、潮高不同、海水颜色变化引起的，从图5也相应看出，同一海底类型有不同的颜色，这会影响分类结果。由此得到启示：无人机航拍技术可以应用于海草床生态监控工作，合理选择飞行高度和拍摄范围确保航拍一架次完成，东郊椰林近岸海域选择飞行高度50 m，300 m×300 m范围作为海草床生态监控样方是合适的，分类结果才能应用于海草盖度指标计算，进而根据分类矢量数据集，利用三维数据分析中的等值线工具得出6种类型的等值线，通过属性表中的折线长度筛选海草分布边界，在航拍过程中持续近1 h，潮高处于动态变化过程，海草分布区的等值线类别也相应变化，一般在2、3、4的等值线，结合手动筛选，筛选出海草密集分布区后，将等值线转换成等值面，计算各海草密集分布区的面积(图6、表2)。从图6和表2可知，总面积为10 000.0 m2的试验区中海草分布面积为2 449.6 m2，占比为24.5 %，海草密集分布区19的面积最大，为294.8 m2，大于100.0 m2的有8个，10.0～100.0 m2的有29个，小于10.0 m2的有91个。可以看出试验区内海草呈块状而非连续成片分布，海底海草分布与波浪和潮汐塑造的海底沙堆积和冲刷的分布状况有关，在瑚湖碎屑、沙、淤泥堆积区适合海草生长，在冲刷没有淤泥的区域基本无海草分布，由此可以推断海草移植如不考虑这种分布规律是难以成功的。
图5 ISO聚类非监督分类结果Fig.5 Results of ISO clustering unsupervised classification
表2 各海草密集分布区面积的计算结果Tab.2 Calculation results of seagrass intensive distribution areas
(1)无人机航测技术应用在海草调查中，一般情况下存在水面反射、水面动态变化和海面无特征点的影响，航拍图片无法拼接成影像图。但海草分布在浅水区，选择大潮低潮海草露出水面时，设计飞行高度、飞行时间，采用无人机可以拍摄获得清晰的海草分布影像图，无人机航测技术可以应用于海草床调查。
(2)利用拍摄的影像图，采用ArcGIS中的 ISO聚类非监督分类工具和三维数据分析中的等值线工具，结合手工筛选方法，可以获取海草分布区域边界、斑块状边界和斑块式边界内海草的分布比例，经实地验证和低空拍摄，得出了海草分布特征，东郊椰林近岸海域海草分布在离岸300 m范围内的珊瑚礁砰上，呈斑块状、间隔式分布，在100 m×100 m样方中海草分布面积为2 449.6 m2,占比为24.5 %。
(3)调查区有圆叶丝粉草、单脉二药草、海菖蒲、泰来草和卵叶喜盐草等5种海草，泰来草为优势种。单脉二药草和卵叶喜盐草主要在潮间带有淤泥分布的低潮区，圆叶丝粉草分布在潮间带的低潮带至潮下带上部，海底堆积和冲刷区的交界处，泰来草在不同水深处有分布，分布面积最大。
(4)海南海草床生态监控持续了16 a，调查采取实地调查方法，仅反映出局部区域的海草床生态状况，采用无人机航测技术可以覆盖大面积的海草调查，得出区域的总体情况，无人机航测技术可以推广应用于海草床生态监控工作。
(5)无人机航测技术在应用于海草床生态监控时，应合理选择飞行高度和监控范围，确保航拍工作一架次完成。针对东郊椰林近岸海域选择飞行高度50 m，飞行范围300 m×300 m，以便采用聚类非监督分类技术进行海草盖度指标计算。
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