利用无人机开展草原鼠害调查监测的研究

连欢欢，侯秀敏，宜树华

(1. 青海省草原总站，青海 西宁 810008；2. 南通大学脆弱生态环境研究所 南通大学地理科学学院，江苏 南通 226000)

草原，是发展草原生态畜牧业的物质基础，是广大牧民群众生活、生产的基本保障。草原鼠害不仅与家畜争夺优良牧草，影响草原载畜量，降低牧草利用率，严重制约着草原生态畜牧业发展。为有效应对草原鼠害，实时掌握草原鼠害的危害情况，草原鼠害的调查监测就必不可少。无人机低空实时成像技术是一种可利用于草原鼠害大面积调查监测的新思路新技术，该项技术以无人机云台成像技术为基础，通过无人机获取高分辨率影像进行图像拼接和融合后进行相关的数据分析，从而获取单位面积害鼠洞口数、危害等级以及牧草生长状况、植被盖度等草原鼠害动态、牧草长势的综合情况。

图1示出了描述车轮运动的坐标系统。坐标系OXYZ是以列车速度平动的惯性坐标系。坐标系oxyz与车轮刚性连接，其y轴与轮轴重合，因此坐标系oxyz以均匀的角速度Ωy(角速度等于列车速度除以车轮滚动圆半径)绕y轴旋转，而y轴只做垂向振动。在0时刻，两个坐标系是重合的。在t时刻，y轴的垂向位移记为w0(t)，向下为正，车轮绕y轴旋转了角度Ωyt。图中的向量p0eiΩt 表示一个圆频率为Ω的力向量，此处i是虚数单位。

社交娱乐方面，绝大多数学生参加各种社交娱乐的时间和频次正常。学生谈恋爱现象比较普遍，问卷表明，大三学生中谈恋爱的已占到班级的七成以上。而认为谈恋爱对自己产生积极影响、负面影响的，后者略高于前者，约各占三成左右。绝大多数学生在与亲友QQ、微信或电话聊天，参加朋友聚会、聚餐，逛街、购物，节假日及假期外出旅游，到歌厅、茶室等公众娱乐场所玩乐的时间和频次，均在正常范围之内。

女孩的身体还非常虚弱，但她仍然帮着青辰将天葬师背回了屋中。天葬师昏迷着，心口的刀伤已经不再有鲜血流出，好似他的整个身体的血液，都已经干涸。

1 基本情况

试验地选择在青海省刚察县哈尔盖乡，草原鼠害发生面积1.33×104hm2的区域内。哈尔盖乡位于县境西南部，距县府驻地25 km。辖6个行政村，1个社区，有藏、汉、蒙、回、土、满、东乡、撒拉族8个民族，藏族占总人口的90 %。可利用草场13.05×104hm2，其中：冬春草场6.21×104hm2，夏秋草场6.84×104hm2；农作物耕地209.87 hm2。经营各类牲畜18.86万只(头、匹)，其中羊15.83万只、牛2.71万头、马3 204匹，畜牧业为主导产业。根据2018年秋季基数调查，哈尔盖乡高原鼠兔发生面积5.13×104hm2，危害面积2.93×104hm2，高原鼢鼠发生面积1.73×104hm2，危害面积1.07×104hm2，属于中度危害区域。为此，通过走访调查与实地勘察的方法，确定了哈尔盖乡1.33×104hm2鼠害试验区，且这1.33×104hm2试验区是鼠害防治后5年内未进行过防治的区域，见图1。

2 试验情况

(1)全部样本量自动分析得出鼠害洞口数 调查拍摄后，将所取得的535个样本数据资料整合到鼠洞洞口分析软件-ProposalClassifierManual(简称：Mysql)中对每一张照片的鼠洞信息进行提取。首先，通过调整绿度指数、洞口区域的黑色程度、洞口大小等指数进行软件自动分析识别，然后进行人工校正，得出项目区平均鼠害总洞口数约为528个/公顷。

图1 勘察确定1.33×104hm2试验区

图2 无人机鼠害监测照片

3 调查监测结果

3.1 人工调查情况

在1.33×104hm2试验区，选择与无人机低空实时成像拍摄定位相同的30个样地，进行人工堵洞开洞法调查。人工调查时每个样方面积为0.067hm2。得出此30个样地的总洞口数为2 161.5个/公顷，有效洞口数725.5个/公顷，有效洞口率为33.56%，见表1。

表1 人工鼠害调查洞口数 单位：(个/公顷)；%

3.2 无人机调查情况

(3)定点位置样本人工计算得出鼠害洞口数 挑选出与人工调查法重合的30个样地的照片，对应相同的样地号，对每一张照片的鼠洞信息进行人工鼠害洞口数的统计计算工作，得出鼠害总洞口数为2 147个/公顷，见表3。

共设置工作点34个，图3为无人机监测鼠害的部分工作点分布图。

应用宜树华教授团队自主开发的无人机航拍系统(FragMAPSetter-FragmapFlighter)进行鼠害调查监测拍摄，无人机航拍系统设置步骤如下： (1)新建工作点或选择已有工作点；(2)根据采样点位置或选择已存在航线；(3)设置无人机飞行高度(本研究中为20m)、飞行速度(本研究中为6m/s)及相机参数(白平衡，IOS等)；(4)上传航点、飞行高度与速度；(5)无人机根据预设参数开始自主飞行与拍摄，对所有采样点进行航拍，每个采样点获取航拍照片16张。

图3 部分工作点的分布图

试验区典型鼠害类型空间分布情况如图4所示，该区内大多数草地的危害等级为危害猖獗，其面积占整个试验区面积的76.03%。而鼠害极重度的区域所占面积比例最小，零散分布于鼠害猖獗和鼠害中度危害之间的区域，面积仅占整个区域面积的0.89%。6种类型中轻度、中度和重度鼠害草地所占的面积比例较小且三者比较接近，其中，中度和重度无明显分布规律，而轻度主要分布在该区的东北部和西南部地区。区内无鼠洞的区域所占面积比例较小，占整个试验区面积的2.30%，主要零散的分布于试验区的中部和东南部地区。

①化探综合异常区内已发现多条Ag、Mo矿体，同时存在伴生的Pb、Zn矿体。因此，化探综合异常区是找矿的主要地段。

多立克柱是古典建筑中常用的三种柱子样式之一，起源于古希腊。另外两种柱式为爱奥尼柱式和科林斯柱式。多立克柱粗大雄壮，柱头没有装饰花纹，柱身有时雕刻有槽纹，有时为平滑的。雅典卫城的帕特农神庙就采用了这种柱式。

2019年7月27日～8月2日，青海省草原总站草原有害生物防控部协同宜树华教授团队，利用大疆精灵Phantom 4 Pro和“御”Mavic Pro航拍无人机在海北州刚察县哈尔盖乡贡公麻村1.33×104hm2区域，进行了为期7 d的无人机低空实时成像拍摄工作。在进行拍摄工作的同时，技术员随机对单张照片拍摄点用人工堵洞法进行害鼠洞口数测定，测出有效洞口数和洞口系数，以便无人机监测数据得出的洞口数与人工堵洞法得出的洞口数进行比对。

(2)定点位置样本自动分析得出鼠害洞口数 挑选出与进行人工调查法重合的30个样地的照片，对应相同的样地号，对每一张照片的鼠洞信息进行Mysql数据自动信息提取，得出鼠害总洞口数为2 159.5个/公顷，见表2。

表2 自动分析得出鼠害洞口数 单位：(个/公顷)

3.2.1 调查方法 利用大疆精灵Phantom 4 Pro和“御”Mavic Pro航拍无人机在试验区进行了为期7 d的低空实时成像拍摄工作。拍摄时，我们沿主路、辅路、小路等交通工具可以到达的区域，间隔1 km设置高原鼠兔洞口密度调查样地，选定工作点34个，每个工作点拍摄16张照片，每个拍摄点覆盖约1.45 hm2，单张照片覆盖约0.09 hm2。此次共拍摄可利用照片535张，相当于在试验区随机选择样地535个。

3.2.2 调查结果

表3 人工计算得出鼠害洞口数 单位：(个/公顷)

3.3 三种鼠害洞口数调查方法分析

以案例推动、示范引领抓落实，重点打造一批省内甚至国内叫得响、立得住、社会公认的水利工程先进典型，总结一批可复制、可借鉴、可推广的成功经验。

4 结论

4.1 无人机调查监测数据可信

将无人机鼠害调查和人工调查鼠害数据进行对比，得出两种调查方法所取得的鼠害总洞口数基本相同，说明无人机鼠害调查所得的鼠害洞口数可信，用此方法进行无人机鼠害调查监测可行。

4.2 危害等级

高原鼠兔有效洞口数将高寒草地鼠兔危害等级划分为5个等级。即轻度：有效洞口数为9～30个/公顷，中度：有效洞口数为31～100个/公顷，重度：有效洞口数为101～170个/公顷，极重度：有效洞口数为171～240个/公顷和猖獗危害：有效洞口数>240个/公顷。

通过分析，试验区洞口密度为0～4 500个/公顷，平均有效洞口数为528个/公顷。该区域的有效洞口率为33.5%。该区域鼠害状态统计结果如表4所示。该区大多数调查样地内的草地处于鼠害猖獗的阶段，占所有航拍样地的61.87%；其次为中度鼠害，占所有航拍样地的12.52%；所有样地中，无鼠洞(有效洞口数小于9个/公顷)的样地所占比例最小，仅为3.55%；而轻度、重度和极重度鼠害的样地所占比例较少，分别为5.05%、9.72%和7.29%。

实验自2017年10月21日开始。摘除凌霄干花的花托后，将其余部分剪成2 cm长的小段。称取50 g凌霄干花，置于1 000 mL烧杯中，加1 000 mL去离子水浸泡48 h，获得浸泡液。制取凌霄干花水浸提液时，首先用四层纱布过滤浸泡液，将所得的滤液再经六层纱布过滤，制取水浸提液；然后将第二次过滤获得的水浸提液（0.05 g/mL）作为母液，进行4次稀释，分别制取四种不同浓度（0.04 g/mL、0.03 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL)的凌霄干花水浸提液。

将人工调查得出的鼠害总洞口数、无人机调查的定点位置样本自动分析得出鼠害洞口数及定点位置样本人工计算得出鼠害洞口数，这三种数据进行单因素方差分析，得出：P-value﹥0.05， F值﹤P-value值，即三种调查方法所得出的鼠害洞口数两两间无差异，这说明三种调查方法得出的鼠害洞口数基本相同，相互吻合，无人机调查鼠害洞口数自动分析数据可信。根据全部样本量自动分析得出鼠害总洞口数及人工鼠害调查得出的鼠害有效洞口率，得出1.33×104hm2试验区鼠害平均总洞口数为528个/公顷。平均有效洞口数为177个/公顷。

表4 刚察县贡公麻村典型鼠害区域草地有效洞口统计结果

4.3 试验区草原鼠害危害现状

每张照片覆盖面积约为26m×35 m，每个像素的分辨率大约为1 cm，高原鼠兔的洞口的直径约为6 cm，调查过后，将数据整合到Mysql数据库中。

图4 刚察县典型鼠害区鼠害类型空间分布图

5 讨论

5.1 无人机调查鼠害的特点

5.1.1 具有技术机动性 灵活性 便捷性 无人机具有灵活机动的特点，受空中管制和地形的影响较小，与人工监测相比，能够在平地和斜坡直接获取影像，机动便捷。

5.1.2 能够精准拍摄 低空作业 自动避障、无地形限制 无人机自动飞行高度在2～150 m，手动飞行可低至0～2 m，可以精确拍摄不同高度的影像，且不同机型具有自动避障和地形跟随功能，保障飞行安全和拍摄的相对稳定。

5.1.3 具有成本相对较低 操作简单的特性 无人机低空摄影系统使用成本低，耗费低，对操作员的培养周期相对较短，系统的保养和维修简便，可以无需机场起降。

5.1.4 大面积作业省时省力 效率高 单个无人机只需要一个操作员，且能在短时间内快速大量拍摄影像，加大鼠害调查监测的区域，且在阴天、轻雾天也能获取合格的影像，从而将大量的野外工作转入内业，既能减轻野外工作的劳动强度，减少工作时间，又能提高作业的效率和精度，更精准的掌握鼠害危害动态情况。

5.1.5 GPS精准定位 形成记忆性监测 无人机携带GPS，对监测过的工作点的时间，地点及范围形成准确记忆，从而形成草原鼠害监测动态网络，增加草原鼠害监测的全面性、实时性。

5.2 无人机调查鼠害的不足

电池续航能力差，无人机单块电池在正常的情况下飞行18～23 min，可拍摄约2个拍摄点，但单块电池充电要1 h左右。

5.3 前景展望

无人机低空实时成像技术现如今已经逐步成为一种新兴测量监测技术，多学科相互交叉，目前在城市规划建设、勘察地质灾害、防灾减灾、林业、国土等多个方面进行了广泛的应用，利用无人机进行草原鼠害监测还属于探索阶段，但在实际应用中已发现诸多优势。

草原有害生物野外调查监测一直以来依靠于传统的人工调查方法，不仅费时费力，由于缺少专业技术人员，受季节性影响等原因，调查精度不高、区域受限，不能实时有效的掌握有害生物的危害情况。利用无人机开展草原鼠害野外调查监测，不仅能克服传统人工调查方法的缺点，还可节约成本、对监测地形成动态监测网络，增加鼠害监测的联结性。通过对此项技术的探索应用，它不仅可以用于草原鼠害的调查监测，还可用于草原虫害、草原毒害草、退化草地、地上生物量等的调查监测，打破了草原长久以来的调查监测瓶颈，开辟了草原有害生物调查监测的新途径、新方法，具有独特的优势和前瞻性。