无人机航测技术在鄱阳湖海草覆盖度测定中的应用

李善文

（江西核工业测绘院集团有限公司，江西 南昌 330038）

鄱阳湖位于江西省北部，地处九江、南昌与上饶市交界处，是中国第一大淡水湖，面积超过4000km2，属于长江流域中过水性、吞吐型与季节性的浅水湖泊。鄱阳湖海草层作为海洋生态系统之一，通常分布在海岸两侧，有营养循环和潮间带沉积与稳定作用，为湖泊生物提供栖息场所和食物。目前，鄱阳湖海草层已经成为我国湖泊生态保护工作中的重点。在对鄱阳湖海草层进行分布检测和种类调查工作中，利用无人机航测技术可以拍摄高分辨率的航拍图，准确获取海草分布情况，综合检测海草集中分布区，最终掌握鄱阳湖海草实际分布情况，为鄱阳湖海草床生态保护管理工作提供参考。

1 无人机航测技术在鄱阳湖海草覆盖测定中的应用

1.1 无人机航测获取影像

无人机航测技术获取航拍影像数据流程图如图1 所示。

图1 无人机航测应用流程图

1.2 飞行设备参数以及设备应用特点

1.2.1 飞行设备参数

该研究采用的无人机飞行设备是以Phantom4RTK 无人机为主，该无人机可以低空摄影测量，具备厘米级导航定位功能、高性能成像功能以及高航测技术功能，体积小，方便携带，能提高鄱阳湖海草层航测效率。目前，Phantom4RTK无人机在自然资源测量调查领域中已经得到广泛运用，在实际运用中整体参数见表1[1]。

表1 Phantom4RTK 无人机航测参数

航测中采用的Phantom 4 RTK 无人机，配置1 个200 万像素的相机，可保证摄像图片的清晰度。当设计Phantom 4 RTK 无人机飞行参数时，飞行高度在达到50m 后设置GSD为01.37cm/像素，无人机航测要求飞行速度为3.9m/s，当定点拍摄时采用定时拍摄模式，在完成拍摄任务后自动返航。为保证无人机航测拍摄的照片清晰度达到标准，当设计Phantom 4 RTK 无人机相机参数时，航测照片长宽比例设置为3 ∶2，白平衡为晴天，测光模式为平均测光，相机云台角度设置为-90°。当设计重叠率参数时，旁向重叠率设计为70%，纵向重叠率设置为80%，航测边距保持自动状态即可。

1.2.2 无人机航测应用特点

该研究选择的无人机设备以Phantom4RTK 无人机为主，无人机航测应用特点如下：1）范围广，效率高。在海草层勘测工作中，传统勘测方式主要以人工为主，由多名技术人员与专业潜水员对海草层覆盖度进行勘测[2]。但利用该方式勘测大规模项目的勘测结果不准确。利用无人机航测技术，测定时间比人工现场调查时间短，可提高海草层覆盖度测定效率。运用无人机航测技术可实现一天内无人机多架次飞行，遥感器控制距离超过7km，适合大面积勘测。2）携带方便，操作便捷。无人机体积小、质量轻且方便携带，在鄱阳湖海草层覆盖度测定工作中，以国家海洋信息中心编制的《潮汐表》为参考，无须再对鄱阳湖进行潮汐勘测，对《潮汐表》进行实时检测即可选择合适的航测作业时间。在航测前，工作人员规划好无人机航测路线，明确航测参数，保证无人机航测中可自动完成航拍工作，对航拍影像进行具体分析。3）数据精度高。为在航测中降低自然因素的影响，在Phantom4RTK 无人机中配备1 个2000 万像素CMOS 传感器、7 组8 片全玻璃镜头。在航测中控制无人机的飞行高度和飞行重叠度，使无人机在100m 飞行高度中，获取的地面样本距离为2.75cm，对无人机航测的相机镜头进行校正，确保影像精度达到实际标准要求。4）成本低、可控性高。Phantom4RTK 无人机市场价格相对较低，具备失控自动返航功能与自主避障功能，可对目标方向障碍物进行勘测，从而重新规划勘测路线，实现无人机航测全面避障作业，保障无人机的航测安全性能[3]。

1.3 无人机航测技术应用方案设计

1.3.1 确定飞行参数、范围和航线设计

该研究对鄱阳湖近岸水域历史遥感图进行收集与分析，规划海草层分布范围来选择无人机航测区域。在该勘测中，通过查询资料完成无人机航测航线的设计工作，确定无人机航测起点坐标与控制点布设作业。基于遥感器功能，在航测区域选择3 个航测点，自动生成闭合无人机飞行区域和航线。如图2 所示。

图2 无人机航测航线图

当设计无人机航测飞行参数时，结合鄱阳湖海草层分布的具体情况，飞行高度参数设置为50m，无人机航测飞行速度设计为4.0m/s，航测模式设置为定时拍摄，完成无人机航测作业后自动返航。当设计航测相机参数时，影像照片长宽比例设计为3 ∶2，测光模式为平均测光，云台角度设计为-90°。当设计无人机航测重叠率参数时，旁向重叠率设置为70%，纵向重叠率设置为80%，边距为自动控制模式。在该无人机航测飞行中，飞行范围为300m×500m，每个航次飞行高度设置为50m。

结合鄱阳湖潮汐动态变化，对鄱阳湖的水深变化以及颜色变化幅度进行分析，保证色带变化在合理范围内，在航测影像中对其进行处理，保证海草层分布清晰度达到标准。此外，通过分析鄱阳湖低潮时间可知，当时间低于1h时，鄱阳湖水深以及颜色均会发生变化，因此无人机航测飞行高度设置为50m，保证鄱阳湖湖底海草层部分清晰度达到要求。

1.3.2 确定潮汐条件

在无人机航测中，鄱阳湖高潮与中潮的情况会导致航测影像不清楚，难以对海草层覆盖度进行测定分析。因此，在该研究中通过测定鄱阳湖潮位，发现鄱阳湖潮位最低为18cm～40cm，结合鄱阳湖航测区域的水深情况，潮位最低为30cm，海草层出现裸露现象，适合航拍。无人机航测通常以白天为主，当遇到风雨天气时，不可航测。因此，在无人机航测工作中，须选择合适的时间，保证湖况条件达到允许飞行的要求，才可进行航测作业。

1.4 影像数据处理

该研究根据设计的无人机航测方案，将获取的初始影像图录入pos 数据中，将影像图片、像控点坐标导入PIX4D软件中，由软件完成计算工作，最终获取影像输出结果。当处理数据时，选择初始化处理与DSM 处理方式，全自动处理数据，最终可查看处理成果分析报告。在坐标系WGS84中，地面距离为1.66cm，海草层覆盖度为0.232km2，利用ArcGIS 软件完成正射影像成果坐标距离和海草层覆盖面积。

2 无人机航测技术在鄱阳湖海草覆盖测定结果分析

2.1 海草层分布特征

在无人机航测中，获取的初始影像图数量为920 张，利用PIX4D 软件完成初始影像拼接处理，获得一张完整坐标信息的海草层覆盖度航测矢量数据影像图。如图3 所示。该影像图幅面为300m×500m，图中影像清楚地体现了鄱阳湖沿岸地区以及湖底的特征。影像图中包括海草、马尾藻、珊瑚碎屑和贝类残壳等。

图3 无人机航测影像图

根据图3 可知，鄱阳湖沿岸海草床通常生长在珊瑚礁坪上，礁坪外缘分布活珊瑚，海草通常生长在离岸300m，水深1.5m 处。珊瑚礁坪宽广，湖底沙和生物碎屑分布相对较广，湖面退潮后，可以清晰地看到海草。

2.2 鄱阳湖区块海草层覆盖度反演

该研究通过ArcGIS 软件，采用最大似然法对航测区域海草层覆盖度进行研究，在实际运用中，最大似然法主要是对航测的区块进行逐一分类，获取海草斑块状分布矢量图，并对海草斑块进行标注[4]。

在该研究中，区域1 号的面积为10000m2，海草分布区共96 个，海草层覆盖面积为378m2，覆盖度为3.78%，在航测中发现斑块面积最大的79 号面积为68.9m，10m2～-100m2的斑块有15 个，＜10m2的斑块为71 个。

2.3 研究区海草分布反演

在该研究工作中，使用最大似然法对航测区进行逐一分类后，对航测区域的海草分类图进行整合研究。结合AreGIS软件矢量数据分析，获取区块海草层集中部分面积，对鄱阳湖面积和海草分布比例等进行具体分析，见表2。该航测区域面积为130000m2，海草集中分布面积为23000m2，包括860个集中分区，平均比例为18%，说明海草层覆盖度相对较高，鄱阳湖海草床生态保持较好[5]。在实际调查中发现，大量海草与少数的贝壳、淤泥以及珊瑚碎屑组成了生态环境，距离湖岸较远的航测区块1 号、3 号和4 号，海草层覆盖度仅不超过10%，航测区块2 号和6 号海草集中分布面积超过1100m2，海草层覆盖度超过10%[6]。与其余区块相比，航测区块14 号和15 号海草分布较为集中，海草层覆盖度分别为45%与33%，其余航测区块海草斑块数量较多，但面积较小，属于零星分布状态。与距离鄱阳湖岸边较近的1 号、4 号、5 号、6 号和7 号区块的海草斑块相对较少，但海草斑块面积较大，呈现集中性与不规则性，海草生长也较为茂盛[7]。

表2 航测区块海草层覆盖度

2.4 海草种类覆盖度调查结果

在航测中，针对鄱阳湖海草层覆盖度情况，对鄱阳湖海草种类和面积等进行勘测，汇总分析勘测参数，发现鄱阳湖目前的海草种类共22 种，鄱阳湖中以5 种海草为主，包括圆叶丝粉草、单脉二药草、海莒蒲、泰来草和卵叶喜盐草[8]。其中泰来草在湖泊中的分布面积最大，均匀分布在航测中的各区块中，甚至部分生长在珊瑚碎屑中；圆叶丝粉草则生长在鄱阳湖潮间带、低潮带至潮下带结构部位，海底堆积和冲刷区交界部位也会有圆叶丝粉草、单脉二药草与卵叶喜盐草，其主要生长在潮间带低潮区有淤泥的区域，表层有悬浮物，在现场可以看到卵叶喜盐草匍匐生长，在航拍图中，通过分析海草颜色，可以有效分辨卵叶喜盐草[9]。在海草层覆盖度测试工作中，发现在潮汐塑造作用下，湖底还有大量的珊瑚礁与礁石等，部分珊瑚处于零星生长状态，在部分礁石区域中，生长着马尾藻，在航测图中颜色为褐色。在航测测定工作中，应结合海草集中生长面积，对圆叶丝粉草、单脉二药草、海莒蒲、泰来草和卵叶喜盐草覆盖度进行分析，其中圆叶丝粉草航测集中分布面积为13.2m2，覆盖度为1.32%；单脉二药草航测集中分布面积为5.2m2、覆盖度为0.52%；海莒蒲海绿普航测集中分布面积为35.6m2、覆盖度为3.56%；卵叶喜盐草航测集中分布面积为65.4m2、覆盖度为6.54%；泰来草航测集中分布面积为103m2、覆盖度为10.3%。

3 结语

综上所述，鄱阳湖海草分布对周围生态环境有重要影响。在该研究中，为详细掌握鄱阳湖海草层覆盖度，应用Phantom4RTK 无人机，可提高航测精度以及测定效率，在无人机航测工作过程中，通过确定飞行参数、航测范围和航线设计，掌握鄱阳湖潮汐条件，完成航测影像数据处理工作，最终获取鄱阳湖海草层覆盖度，为鄱阳湖生态环境保护工作提供相应参考。