基于無人機(jī)的東北鼢鼠種群數(shù)量調(diào)查最佳尺度選擇

孫珊珊，滿都呼，偉 軍，朝克圖，阿 焱，張 恒，付和平,5，武曉東，袁 帥

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院 / 嚙齒動(dòng)物研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市草原工作站，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂溫克族自治旗草原工作站，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021100；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗草原工作站，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 013800；5.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011）

呼倫貝爾草原總面積997.3 萬hm2，是內(nèi)蒙古最重要的草甸草原生態(tài)系統(tǒng)，其生物多樣性豐富，是我國草產(chǎn)業(yè)以及畜牧業(yè)發(fā)展的重要基地[1]。近年來，呼倫貝爾草原出現(xiàn)草地區(qū)域性退化的現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的原因除了氣候變化和草地過度利用以外，草原鼠害也是重要的原因之一。東北鼢鼠(Myospalax psilurus)是呼倫貝爾草甸草原主要害鼠之一，是一類常年?duì)I地下生活的嚙齒動(dòng)物。為獲取食物、繁殖和尋找合適的棲息地，東北鼢鼠會(huì)在地下挖掘土壤并推至地表, 形成土丘，加劇草地退化，造成草地生產(chǎn)力下降，從而制約了畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。因此，及時(shí)獲取東北鼢鼠種群數(shù)量及動(dòng)態(tài)，對(duì)于預(yù)測其危害顯得尤為重要。

由于東北鼢鼠常年棲息于地下，使用常規(guī)地上鼠數(shù)量調(diào)查法難以統(tǒng)計(jì)其種群數(shù)量，目前地下鼠種群數(shù)量調(diào)查方法包括人工捕盡法、土丘計(jì)數(shù)法等，但不適于草原地下害鼠大面積調(diào)查[4-5]。已有研究表明，鼢鼠數(shù)量與地上土丘數(shù)量間存在正相關(guān)關(guān)系[6-7]，但對(duì)大面積土丘數(shù)量進(jìn)行調(diào)查時(shí)，不僅需要消耗大量的人力、物力，而且存在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)困難、調(diào)查周期長、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。

無人機(jī)在野外工作時(shí)不僅采樣周期短，而且能提供多角度、高分辨率影像，還可及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，具有受地面條件限制少、獲取信息量大、探測范圍廣等技術(shù)優(yōu)勢[8]。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟和普及使用，已有不少學(xué)者將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于嚙齒動(dòng)物調(diào)查中[9-14]，內(nèi)容大都集中于對(duì)鼠害評(píng)定、監(jiān)測以及鼠洞的識(shí)別。在種群數(shù)量調(diào)查方面，無人機(jī)主要應(yīng)用于較大型野生動(dòng)物及鳥類[15-23]，在小型哺乳動(dòng)物尤其是嚙齒動(dòng)物種群數(shù)量調(diào)查方面應(yīng)用較少。因此，本研究使用無人機(jī)航拍和地面實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法，并采用不同飛行高度和拍攝面積進(jìn)行航拍，一方面確定本研究所用型號(hào)無人機(jī)在東北鼢鼠種群數(shù)量調(diào)查中的最佳航拍高度，另一方面確定無人機(jī)在東北鼢鼠種群數(shù)量調(diào)查中的最小取樣面積，并提供無人機(jī)在地下鼠種群數(shù)量調(diào)查中的技術(shù)方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)額爾古納市、陳巴爾虎旗、鄂溫克族自治旗境內(nèi)草甸草原，氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫在0 ℃以下，春季干燥風(fēng)大，夏季溫涼短促，秋季氣溫驟降，冬季寒冷漫長，雨熱同期。主要植物有貝加爾針茅(Stipa baicalensis)、羊草(Leymus chinensis)、糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)、日陰菅(Carex pediformis)等。

1.2 無人機(jī)參數(shù)設(shè)置

本研究使用大疆精靈3 Professional 無人機(jī)對(duì)樣地進(jìn)行航拍。該無人機(jī)為四旋翼飛行器，工作環(huán)境溫度0～40 ℃，最大水平飛行速度16 m·s?1，最大上升速度5 m·s?1，最大下降速度3 m·s?1，單塊電池飛行時(shí)間約23 min，信號(hào)有效距離2 000 m，搭載4 k 鏡頭，照片最大分辨率為4 000 × 3 000。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年9月在呼倫貝爾草甸草原區(qū)進(jìn)行無人機(jī)航拍，包括額爾古納市(1 個(gè)航拍樣地)、陳巴爾虎旗(7 個(gè)航拍樣地) 和鄂溫克族自治旗(5 個(gè)航拍樣地)(圖1)。以上航拍樣地，分別設(shè)置了3 個(gè)面積為30 m ×30 m 的固定樣方，樣方內(nèi)人工測定土丘數(shù)量，隨后，分別在30、50、100、150 和200 m 高度進(jìn)行航拍數(shù)據(jù)采集(圖2)，每個(gè)地點(diǎn)及高度重復(fù)拍攝3 次，共獲取有效航片195 張。對(duì)航片進(jìn)行目視解譯，選擇8 名有著長期野外調(diào)查經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員對(duì)航拍影像進(jìn)行判讀，標(biāo)記出錯(cuò)判、漏判圖斑，最終確定其是否為鼢鼠土丘。統(tǒng)計(jì)航片中樣方內(nèi)土丘數(shù)量，并結(jié)合人工地面調(diào)查土丘數(shù)量，計(jì)算無人機(jī)土丘識(shí)別度(式1)，進(jìn)行最優(yōu)航拍高度的分析。以30 m 航片提取土丘數(shù)量為依據(jù)計(jì)算每公頃識(shí)別土丘數(shù)量，根據(jù)50、100、150 和200 m 航拍高度下土丘識(shí)別度依次計(jì)算每公頃未識(shí)別土丘數(shù)量，對(duì)不同航拍面積中未識(shí)別到的土丘數(shù)量進(jìn)行校準(zhǔn)。使用巢式樣方對(duì)數(shù)模型[24-25](式2)，對(duì)航拍面積與不同區(qū)域鼢鼠土丘密度進(jìn)行回歸分析，確定最小取樣面積。

圖1 呼倫貝爾草甸草原無人機(jī)航拍點(diǎn)示意圖Figure 1 Map of the aerial photography locations in the meadow grasslands of Hulunbuir

圖2 不同航拍高度下土丘實(shí)拍Figure 2 Actual images of mounds photographed from different aerial heights

式中：a 和b 為常數(shù)，S為土丘數(shù)量，A為取樣面積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 進(jìn)行初期數(shù)據(jù)處理；使用SPSS 14.0軟件對(duì)航拍高度和土丘識(shí)別度進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)；利用SigmaPlot 14.0 軟件對(duì)航拍高度和土丘識(shí)別度進(jìn)行作圖，對(duì)航拍面積與鼢鼠土丘密度進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同航拍高度與土丘識(shí)別度的關(guān)系

不同航拍高度下土丘識(shí)別度的結(jié)果顯示，無人機(jī)在30 m 高度航行時(shí)，土丘識(shí)別度最高，50 m 航拍高度土丘識(shí)別度與30 m 無顯著差異(P> 0.05)，與100、150 和200 m存在顯著差異(P< 0.05)，100 和150 m 之間無顯著差異(P> 0.05)，但與200 m 存在顯著差異(F= 28.57，P< 0.05) (圖3)。結(jié)果表明，航拍高度為30 m 時(shí)，無人機(jī)識(shí)別土丘正確率最高，航拍高度50 與30 m 無顯著差異。因此，本型號(hào)無人機(jī)最佳航拍高度為50 m。

圖3 不同航拍高度的土丘識(shí)別度Figure 3 Degree of mound recognition at different aerial heights in Ergun city

2.2 不同航拍面積與土丘密度的關(guān)系

基于航拍高度與航拍面積的關(guān)系(表1)，對(duì)航拍面積與校準(zhǔn)前后不同區(qū)域土丘密度進(jìn)行回歸分析。結(jié)果顯示：額爾古納市航拍面積為2.210 hm2時(shí)，航拍土丘密度多且穩(wěn)定，校準(zhǔn)后，航拍面積超過2.210 hm2時(shí)土丘密度隨航拍面積增大而緩慢增加(圖4)。陳巴爾虎旗各航拍工作地點(diǎn)土丘密度隨航拍面積的增加而增長，且在航拍面積為0.205 和0.569 hm2時(shí)土丘密度增加趨勢明顯，在航拍面積為2.210 hm2時(shí)土丘密度增長趨勢變緩(圖5)。鄂溫克族自治旗無人機(jī)識(shí)別土丘密度增長趨勢與陳巴爾虎旗相似，均在航拍面積為2.210 hm2時(shí)到增長拐點(diǎn)(圖6)。

表1 無人機(jī)航拍高度與對(duì)應(yīng)航拍面積Table 1 UAV aerial photography heights and corresponding aerial photography areas

總體看，每個(gè)航拍點(diǎn)的土丘密度均隨無人機(jī)航拍面積的增加而增加，且隨面積的增加增速變慢，無人機(jī)最理想取樣面積應(yīng)為2.210 hm2(圖4 至圖6)。

圖4 額爾古納市航拍面積與土丘密度擬合曲線Figure 4 Fitted curve between the aerial photography area and the mound density in Ergun City

圖5 陳巴爾虎旗航拍面積與土丘密度擬合曲線分析Figure 5 Analysis of the fitted curves between the aerial photography area and the mound density in Chen Barhu Banner

圖6 鄂溫克族自治旗航拍面積與土丘密度擬合曲線分析Figure 6 Analysis of the fitted curves between the aerial photography area and mound density in Ewenki Autonomous Banner

3 討論

本研究航拍時(shí)間選擇為2017年9月，當(dāng)?shù)匾堰M(jìn)入秋季，牧草枯黃，可以減少植被和植被陰影對(duì)土丘識(shí)別度的影響。其次，9月是東北鼢鼠活動(dòng)高峰期[26-27]，適合用土丘計(jì)數(shù)法來調(diào)查鼢鼠種群相對(duì)數(shù)量[28]。

孫迪等應(yīng)用無人機(jī)對(duì)新疆北部地區(qū)荒漠草原黃兔尾鼠(Eolagurus luteus)鼠洞進(jìn)行監(jiān)測，認(rèn)為航拍高度低于54.8 m 時(shí)可以準(zhǔn)確識(shí)別鼠洞[29]，與本研究結(jié)果相似?；ㄈ锢脽o人機(jī)對(duì)高原鼠兔(Ochotona curzoniae)鼠洞進(jìn)行航拍最佳高度為20 m[30]。與本研究結(jié)果不同的原因在于兩種鼠類的鼠洞和土丘直徑存在較大差異。高原鼠兔鼠洞直徑平均在7.1 cm左右，而東北鼢鼠土丘直徑在30～110 cm，在航拍影像中識(shí)別點(diǎn)的面積不同，進(jìn)而造成航拍最佳高度的差異。

最佳航拍高度基于土丘識(shí)別度確定，土丘識(shí)別度取決于無人機(jī)航拍土丘數(shù)量和人工調(diào)查土丘數(shù)量，無人機(jī)航拍土丘數(shù)量的提取受無人機(jī)型號(hào)、搭載平臺(tái)等的影響。因此，50 m 是此型號(hào)無人機(jī)最佳航拍高度，但研究中航拍高度的確定方法可以應(yīng)用與任何無人機(jī)。最小取樣面積的確定是基于巢式樣方的思想，其主要用于估算群落或區(qū)域的物種多樣性以及確定群落的最小取樣強(qiáng)度[31]。本研究將其應(yīng)用于東北鼢鼠土丘數(shù)量調(diào)查中，并確定無人機(jī)航拍最小取樣面積為2.21 hm2，是使用無人機(jī)技術(shù)對(duì)東北鼢鼠土丘數(shù)量進(jìn)行調(diào)查時(shí)最理想的取樣面積。最小取樣面積的確定使研究人員在野外調(diào)查時(shí)不必在大于該面積的范圍外進(jìn)行不必要的取樣，也可避免在低于最小面積的取樣時(shí)低估東北鼢鼠的土丘數(shù)量。

新土丘更能反映地下嚙齒動(dòng)物的種群數(shù)量動(dòng)態(tài)變化[32]。航拍圖片中的新舊土丘不易識(shí)別，而土壤水分含量和植物群落組成在新舊土丘上均不同[33-34]。高光譜遙感可以根據(jù)植被反射的光譜值以及土壤和植被的混合光譜對(duì)新舊土丘進(jìn)行解譯與判別[35-36]，后期使用無人機(jī)航拍調(diào)查時(shí)，可以搭載高光譜或多光譜相機(jī)等傳感器，進(jìn)一步分辨新舊土丘。 目前，研究人員主要采用目視及機(jī)器學(xué)習(xí)方法解譯航拍影像。目視解譯雖然準(zhǔn)確率得到保證，但受解譯人員素質(zhì)等人為主觀因素的影響，且增加了處理數(shù)據(jù)的工作量。機(jī)器學(xué)習(xí)方法雖然一定程度上排除了人為主觀因素的影響，但準(zhǔn)確率方面相比目視解譯存在較大的改進(jìn)空間。已有學(xué)者將機(jī)器視覺與無人機(jī)遙感相結(jié)合的方法應(yīng)用于生物監(jiān)測方面的研究[37-38]，二者結(jié)合能夠在保證準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上提高效率。后續(xù)研究中，可以采用機(jī)器視覺與無人機(jī)遙感相結(jié)合的方法來提高采集數(shù)據(jù)的精確度及航拍影像處理能力。

4 結(jié)論

本研究運(yùn)用無人機(jī)航拍技術(shù)對(duì)呼倫貝爾草甸草原東北鼢鼠種群相對(duì)數(shù)量進(jìn)行調(diào)查，得出以下結(jié)論：

1) 土丘識(shí)別度隨航拍高度增加而降低。航拍高度為30 m 時(shí)，土丘識(shí)別度最高，50 和30 m 無顯著差異。據(jù)此，無人機(jī)最佳航拍高度為50 m。

2) 各航拍點(diǎn)土丘密度隨航拍面積增大而增加。航拍面積為0.205 和0.569 hm2時(shí)土丘密度增加趨勢明顯，航拍面積為2.21 hm2時(shí)土丘密度出現(xiàn)增長拐點(diǎn)。因此，最小取樣面積為2.21 hm2。

致謝：本研究得到了內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市陳巴爾虎旗、鄂溫克族自治旗草原工作站的大力支持，課題組研究生楊素文、紀(jì)羽、李鑫、徐凱、張昊婷、楊可、商正昊妮、白鈞元、劉啟富等的幫助，在此表示感謝。