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无人机在生物多样性遥感监测中的应用现状与展望

无人机在生物多样性遥感监测中的应用现状与展望

  • 分类:公司动态
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  • 来源:原创
  • 发布时间:2021-08-10
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【概要描述】1、无人机遥感技术简介     20世纪80年代以来,在以信息技术为核心的高科技革命发展推动下,无人机性能得以大幅度提升,从续航时间到载重负荷方面都产生了质的飞跃。以它为载体搭载精、高、轻等不同类型的传感器逐渐在农业生产、环境保护、地籍调查等民用领域得以广泛应用。无人机遥感技术集无人自动驾驶飞行器技术、通信技术、遥感技术、导航技术、姿态测量技术于一体,能够快速获取空间信息的技术。在无人机与各类型传感器集成的无人机-遥感整体系统组成中,无人机作为传感器搭载平台,其飞行高度、载荷能力、续航时间、导航精度以及起降方式等对数据影响较大,因此,性能稳定的飞行平台是获取高质量数据的重要保障。当前无人机主要采用质量轻但稳定性强的碳纤复合材质作为机身材料,同时为满足载荷需求,机身也已出现车厢式,并配备有伞降回收等保障措施。科研领域中,无人机遥感平台主要用于获取局地-景观尺度的遥感数据,与传统星载和机载平台数据相比具有以下优势(图1):   图1 无人机在生物多样性监测中的尺度示意     (1)更高的空间分辨率,能够更好地与地面调查数据衔接;     (2)更高的时间分辨率,能够满足遥感动态观测需求;     (3)搭载多种传感器和较低的数据获取费用,能够满足定制化遥感需求。 2、无人机传感器类型     无人机平台可搭载的传感器类型与传统机载平台一致,包括光学遥感、微波遥感和激光雷达遥感传感器。但是受无人机载荷大小的限制,适用于无人机的传感器没有传统机载平台丰富(表1,图2)。目前,无人机平台的微波遥感传感器还处于研究开发阶段,商用产品很少,在生物多样性监测领域暂时未见相关应用报道。 图2不同无人机遥感平台及其相应遥感数据     光学遥感传感器包括高分相机、多光谱成像仪、高光谱成像仪和热成像仪,4种传感器分别记录不同电磁波波段反射率,从而获取地物信息,其最终数据为黑白或彩色的二维影像。由于价格便宜和后期处理简单等优势,高分相机在无人机平台应用最为广泛。高分相机获取的是可见光波段范围内的RGB影像信息,空间分辨率极高,均在亚米级别;提取影像中的颜色和纹理可用于植被制图、物种分类和林窗分析。     多光谱成像仪和高光谱成像仪均是获取可见光和近红外波段的信息,大部分多光谱成像仪只获取5个波段信息,而高光谱成像仪可获取100个或更多的波段信息。与高分相机相比,多光谱成像仪和高光谱成像仪只在空间分辨率上逊于高分相机,但是它们能获取不同波段的反射率信息,能够更好地应用于植被制图、物种分类研究;高光谱影像还可以反演植物生化组分,更好地开展生物多样性维持机制研究。高光谱成像仪分为推扫式和画幅式,由于无人机存在机身震动、飞行过程易受气流扰动等现象,导致推扫式在实际应用中往往出现数据量巨大、拼接质量差或无法拼接等缺陷。     热成像仪获取的是热红外波段信息,反映了地物的温度信息,被广泛用于作物抗旱性、植被蒸发、生态系统热交换等研究,在生物多样性领域主要利用动物和植物的体温差异,识别出目标动物,对动物的种类和种群数量进行估算。     激光雷达遥感传感器根据其计时原理分为脉冲式和相位式,现有的无人机载激光雷达扫描仪均为脉冲式,其获得的数据为三维点云数据和全波形数据。与光学遥感相比,激光雷达的特点是能获得地物精细的三维信息。利用点云数据可以构建研究区域的精细地形和反演植被结构参数(树高、覆盖度、叶面积指数等),构建动植物精细生境信息,进而结合地面实测的物种分布信息估算更大尺度的生物多样性分布信息。     总而言之,传感器的选择需要结合领域的具体研究内容和研究区特性来定:对动物空间分布研究而言,激光雷达扫描仪提供的三维信息是最好的选择;对植物空间分布研究而言,光学遥感传感器更适合,在植物种类比较少的寒带区域高分相机就能胜任,对于物种数量繁多的亚热带、热带区域则需要同时使用高光谱成像仪和激光雷达扫描仪。 3、无人机平台在生物多样性遥感监测中的应用进展     受遥感数据空间分辨率限制,传统生物多样性遥感监测应用主要集中在单个树种或生境制图、生物多样性与遥感数据间的关系模型以及与野外调查数据结合直接进行生物多样性描述指标制图等方面。与传统遥感手段相比,无人机获取的影像数据和三维点云数据具有更高的时空分辨率,基于长期、高频率的无人机遥感数据能够更深入地开展生物多样性监测,如:植物物种分布和植被制图、生物多样性反演、生境监测,开拓更多传统生物多样性遥感监测方法无法实现的监测应用,如入侵物种监测、野生动物监测等。 与星载、机载遥感监测手段相比,无人机遥感具有高分辨率、高精度、灵活性强的优势,同时可以克服传统野外调查手段周期性长、时效性差、难以大面积覆盖等缺点,为直接测量和建模推断动植物各种特征参数提供了全新的手段,有望从数据类型、数据采集和处理方式等多个方面推动生物多样性研究的巨大变革。 4、无人机遥感面临的技术挑战和研究展望   4.1无人机遥感面临的技术挑战     无人机遥感平台所具有的独特优势使其能够有效弥补航空、卫星遥感平台在分辨率和时效性方面的不足。然而,在生物多样性监测领域该技术仍然面临着一些技术挑战:     (1)平台的系统集成性和稳定性有待进一步提升;     (2)基于无人机平台的多源数据后处理软件有待开发;     (3)行业相关法律法规有待进一步完善;     (4)基于无人机平台的遥感数据分析应用能力有待提升。   4.2研究展望     随着生物多样性的保护和管理逐渐受到各国专家学者的重视,获取长时间序列、高空间分辨率的基础数据是推动相关研究顺利开展的重要保障。无人机平台在生物多样性遥感监测领域具有广阔的应用前景,未来可能需要着重从以下方面拓展:    (1)激光雷达数据的应用普及;    (2)多源数据的高效获取;    (3)多源数据融合。 5、结语     生物多样性保护和持续利用是一个国家生态文明建设的重要组成部分,是衡量一个国家可持续发展能力的重要指标。目前国际社会已经取得了广泛的共识:只有借助遥感、地理信息系统、全球定位系统、数据智能化处理技术及虚拟环境等新技术、新方法从单站点的定位观测转向台站网络观监测综合集成方向发展,才能使生物多样性监测对一些基本规律的认识拓展在区域、国家层面应用,为相关部门的政策拟定、实施提供更为有效可靠的数据支持。因此,长期动态监测对于生物多样性保护和管理至关重要,武汉天泉慧源环保科技有限公司未来将长期致力于建立以激光雷达扫描仪、成像光谱仪、高分辨率相机为主要传感设施的无人机近地面遥感监测平台。我们相信,未来十年无人机遥感技术以其部署灵活、安全性高、数据分辨率高等优势,将在生物多样性监测领域得到更加广泛而深入的应用。  

无人机在生物多样性遥感监测中的应用现状与展望

【概要描述】1、无人机遥感技术简介
    20世纪80年代以来,在以信息技术为核心的高科技革命发展推动下,无人机性能得以大幅度提升,从续航时间到载重负荷方面都产生了质的飞跃。以它为载体搭载精、高、轻等不同类型的传感器逐渐在农业生产、环境保护、地籍调查等民用领域得以广泛应用。无人机遥感技术集无人自动驾驶飞行器技术、通信技术、遥感技术、导航技术、姿态测量技术于一体,能够快速获取空间信息的技术。在无人机与各类型传感器集成的无人机-遥感整体系统组成中,无人机作为传感器搭载平台,其飞行高度、载荷能力、续航时间、导航精度以及起降方式等对数据影响较大,因此,性能稳定的飞行平台是获取高质量数据的重要保障。当前无人机主要采用质量轻但稳定性强的碳纤复合材质作为机身材料,同时为满足载荷需求,机身也已出现车厢式,并配备有伞降回收等保障措施。科研领域中,无人机遥感平台主要用于获取局地-景观尺度的遥感数据,与传统星载和机载平台数据相比具有以下优势(图1):

 

图1 无人机在生物多样性监测中的尺度示意

    (1)更高的空间分辨率,能够更好地与地面调查数据衔接;
    (2)更高的时间分辨率,能够满足遥感动态观测需求;
    (3)搭载多种传感器和较低的数据获取费用,能够满足定制化遥感需求。
2、无人机传感器类型
    无人机平台可搭载的传感器类型与传统机载平台一致,包括光学遥感、微波遥感和激光雷达遥感传感器。但是受无人机载荷大小的限制,适用于无人机的传感器没有传统机载平台丰富(表1,图2)。目前,无人机平台的微波遥感传感器还处于研究开发阶段,商用产品很少,在生物多样性监测领域暂时未见相关应用报道。





图2不同无人机遥感平台及其相应遥感数据

    光学遥感传感器包括高分相机、多光谱成像仪、高光谱成像仪和热成像仪,4种传感器分别记录不同电磁波波段反射率,从而获取地物信息,其最终数据为黑白或彩色的二维影像。由于价格便宜和后期处理简单等优势,高分相机在无人机平台应用最为广泛。高分相机获取的是可见光波段范围内的RGB影像信息,空间分辨率极高,均在亚米级别;提取影像中的颜色和纹理可用于植被制图、物种分类和林窗分析。
    多光谱成像仪和高光谱成像仪均是获取可见光和近红外波段的信息,大部分多光谱成像仪只获取5个波段信息,而高光谱成像仪可获取100个或更多的波段信息。与高分相机相比,多光谱成像仪和高光谱成像仪只在空间分辨率上逊于高分相机,但是它们能获取不同波段的反射率信息,能够更好地应用于植被制图、物种分类研究;高光谱影像还可以反演植物生化组分,更好地开展生物多样性维持机制研究。高光谱成像仪分为推扫式和画幅式,由于无人机存在机身震动、飞行过程易受气流扰动等现象,导致推扫式在实际应用中往往出现数据量巨大、拼接质量差或无法拼接等缺陷。
    热成像仪获取的是热红外波段信息,反映了地物的温度信息,被广泛用于作物抗旱性、植被蒸发、生态系统热交换等研究,在生物多样性领域主要利用动物和植物的体温差异,识别出目标动物,对动物的种类和种群数量进行估算。
    激光雷达遥感传感器根据其计时原理分为脉冲式和相位式,现有的无人机载激光雷达扫描仪均为脉冲式,其获得的数据为三维点云数据和全波形数据。与光学遥感相比,激光雷达的特点是能获得地物精细的三维信息。利用点云数据可以构建研究区域的精细地形和反演植被结构参数(树高、覆盖度、叶面积指数等),构建动植物精细生境信息,进而结合地面实测的物种分布信息估算更大尺度的生物多样性分布信息。
    总而言之,传感器的选择需要结合领域的具体研究内容和研究区特性来定:对动物空间分布研究而言,激光雷达扫描仪提供的三维信息是最好的选择;对植物空间分布研究而言,光学遥感传感器更适合,在植物种类比较少的寒带区域高分相机就能胜任,对于物种数量繁多的亚热带、热带区域则需要同时使用高光谱成像仪和激光雷达扫描仪。
3、无人机平台在生物多样性遥感监测中的应用进展
    受遥感数据空间分辨率限制,传统生物多样性遥感监测应用主要集中在单个树种或生境制图、生物多样性与遥感数据间的关系模型以及与野外调查数据结合直接进行生物多样性描述指标制图等方面。与传统遥感手段相比,无人机获取的影像数据和三维点云数据具有更高的时空分辨率,基于长期、高频率的无人机遥感数据能够更深入地开展生物多样性监测,如:植物物种分布和植被制图、生物多样性反演、生境监测,开拓更多传统生物多样性遥感监测方法无法实现的监测应用,如入侵物种监测、野生动物监测等。
与星载、机载遥感监测手段相比,无人机遥感具有高分辨率、高精度、灵活性强的优势,同时可以克服传统野外调查手段周期性长、时效性差、难以大面积覆盖等缺点,为直接测量和建模推断动植物各种特征参数提供了全新的手段,有望从数据类型、数据采集和处理方式等多个方面推动生物多样性研究的巨大变革。
4、无人机遥感面临的技术挑战和研究展望
  4.1无人机遥感面临的技术挑战
    无人机遥感平台所具有的独特优势使其能够有效弥补航空、卫星遥感平台在分辨率和时效性方面的不足。然而,在生物多样性监测领域该技术仍然面临着一些技术挑战:
    (1)平台的系统集成性和稳定性有待进一步提升;
    (2)基于无人机平台的多源数据后处理软件有待开发;
    (3)行业相关法律法规有待进一步完善;
    (4)基于无人机平台的遥感数据分析应用能力有待提升。
  4.2研究展望
    随着生物多样性的保护和管理逐渐受到各国专家学者的重视,获取长时间序列、高空间分辨率的基础数据是推动相关研究顺利开展的重要保障。无人机平台在生物多样性遥感监测领域具有广阔的应用前景,未来可能需要着重从以下方面拓展:
   (1)激光雷达数据的应用普及;
   (2)多源数据的高效获取;
   (3)多源数据融合。
5、结语
    生物多样性保护和持续利用是一个国家生态文明建设的重要组成部分,是衡量一个国家可持续发展能力的重要指标。目前国际社会已经取得了广泛的共识:只有借助遥感、地理信息系统、全球定位系统、数据智能化处理技术及虚拟环境等新技术、新方法从单站点的定位观测转向台站网络观监测综合集成方向发展,才能使生物多样性监测对一些基本规律的认识拓展在区域、国家层面应用,为相关部门的政策拟定、实施提供更为有效可靠的数据支持。因此,长期动态监测对于生物多样性保护和管理至关重要,武汉天泉慧源环保科技有限公司未来将长期致力于建立以激光雷达扫描仪、成像光谱仪、高分辨率相机为主要传感设施的无人机近地面遥感监测平台。我们相信,未来十年无人机遥感技术以其部署灵活、安全性高、数据分辨率高等优势,将在生物多样性监测领域得到更加广泛而深入的应用。
 

  • 分类:公司动态
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  • 来源:原创
  • 发布时间:2021-08-10 19:27
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1、无人机遥感技术简介
    20世纪80年代以来,在以信息技术为核心的高科技革命发展推动下,无人机性能得以大幅度提升,从续航时间到载重负荷方面都产生了质的飞跃。以它为载体搭载精、高、轻等不同类型的传感器逐渐在农业生产、环境保护、地籍调查等民用领域得以广泛应用。无人机遥感技术集无人自动驾驶飞行器技术、通信技术、遥感技术、导航技术、姿态测量技术于一体,能够快速获取空间信息的技术。在无人机与各类型传感器集成的无人机-遥感整体系统组成中,无人机作为传感器搭载平台,其飞行高度、载荷能力、续航时间、导航精度以及起降方式等对数据影响较大,因此,性能稳定的飞行平台是获取高质量数据的重要保障。当前无人机主要采用质量轻但稳定性强的碳纤复合材质作为机身材料,同时为满足载荷需求,机身也已出现车厢式,并配备有伞降回收等保障措施。科研领域中,无人机遥感平台主要用于获取局地-景观尺度的遥感数据,与传统星载和机载平台数据相比具有以下优势(图1):

 

图1 无人机在生物多样性监测中的尺度示意

    (1)更高的空间分辨率,能够更好地与地面调查数据衔接;
    (2)更高的时间分辨率,能够满足遥感动态观测需求;
    (3)搭载多种传感器和较低的数据获取费用,能够满足定制化遥感需求。
2、无人机传感器类型
    无人机平台可搭载的传感器类型与传统机载平台一致,包括光学遥感、微波遥感和激光雷达遥感传感器。但是受无人机载荷大小的限制,适用于无人机的传感器没有传统机载平台丰富(表1,图2)。目前,无人机平台的微波遥感传感器还处于研究开发阶段,商用产品很少,在生物多样性监测领域暂时未见相关应用报道。

图2不同无人机遥感平台及其相应遥感数据

    光学遥感传感器包括高分相机、多光谱成像仪、高光谱成像仪和热成像仪,4种传感器分别记录不同电磁波波段反射率,从而获取地物信息,其最终数据为黑白或彩色的二维影像。由于价格便宜和后期处理简单等优势,高分相机在无人机平台应用最为广泛。高分相机获取的是可见光波段范围内的RGB影像信息,空间分辨率极高,均在亚米级别;提取影像中的颜色和纹理可用于植被制图、物种分类和林窗分析。
    多光谱成像仪和高光谱成像仪均是获取可见光和近红外波段的信息,大部分多光谱成像仪只获取5个波段信息,而高光谱成像仪可获取100个或更多的波段信息。与高分相机相比,多光谱成像仪和高光谱成像仪只在空间分辨率上逊于高分相机,但是它们能获取不同波段的反射率信息,能够更好地应用于植被制图、物种分类研究;高光谱影像还可以反演植物生化组分,更好地开展生物多样性维持机制研究。高光谱成像仪分为推扫式和画幅式,由于无人机存在机身震动、飞行过程易受气流扰动等现象,导致推扫式在实际应用中往往出现数据量巨大、拼接质量差或无法拼接等缺陷。
    热成像仪获取的是热红外波段信息,反映了地物的温度信息,被广泛用于作物抗旱性、植被蒸发、生态系统热交换等研究,在生物多样性领域主要利用动物和植物的体温差异,识别出目标动物,对动物的种类和种群数量进行估算。
    激光雷达遥感传感器根据其计时原理分为脉冲式和相位式,现有的无人机载激光雷达扫描仪均为脉冲式,其获得的数据为三维点云数据和全波形数据。与光学遥感相比,激光雷达的特点是能获得地物精细的三维信息。利用点云数据可以构建研究区域的精细地形和反演植被结构参数(树高、覆盖度、叶面积指数等),构建动植物精细生境信息,进而结合地面实测的物种分布信息估算更大尺度的生物多样性分布信息。
    总而言之,传感器的选择需要结合领域的具体研究内容和研究区特性来定:对动物空间分布研究而言,激光雷达扫描仪提供的三维信息是最好的选择;对植物空间分布研究而言,光学遥感传感器更适合,在植物种类比较少的寒带区域高分相机就能胜任,对于物种数量繁多的亚热带、热带区域则需要同时使用高光谱成像仪和激光雷达扫描仪。
3、无人机平台在生物多样性遥感监测中的应用进展
    受遥感数据空间分辨率限制,传统生物多样性遥感监测应用主要集中在单个树种或生境制图、生物多样性与遥感数据间的关系模型以及与野外调查数据结合直接进行生物多样性描述指标制图等方面。与传统遥感手段相比,无人机获取的影像数据和三维点云数据具有更高的时空分辨率,基于长期、高频率的无人机遥感数据能够更深入地开展生物多样性监测,如:植物物种分布和植被制图、生物多样性反演、生境监测,开拓更多传统生物多样性遥感监测方法无法实现的监测应用,如入侵物种监测、野生动物监测等。
与星载、机载遥感监测手段相比,无人机遥感具有高分辨率、高精度、灵活性强的优势,同时可以克服传统野外调查手段周期性长、时效性差、难以大面积覆盖等缺点,为直接测量和建模推断动植物各种特征参数提供了全新的手段,有望从数据类型、数据采集和处理方式等多个方面推动生物多样性研究的巨大变革。
4、无人机遥感面临的技术挑战和研究展望
  4.1无人机遥感面临的技术挑战
    无人机遥感平台所具有的独特优势使其能够有效弥补航空、卫星遥感平台在分辨率和时效性方面的不足。然而,在生物多样性监测领域该技术仍然面临着一些技术挑战:
    (1)平台的系统集成性和稳定性有待进一步提升;
    (2)基于无人机平台的多源数据后处理软件有待开发;
    (3)行业相关法律法规有待进一步完善;
    (4)基于无人机平台的遥感数据分析应用能力有待提升。
  4.2研究展望
    随着生物多样性的保护和管理逐渐受到各国专家学者的重视,获取长时间序列、高空间分辨率的基础数据是推动相关研究顺利开展的重要保障。无人机平台在生物多样性遥感监测领域具有广阔的应用前景,未来可能需要着重从以下方面拓展:
   (1)激光雷达数据的应用普及;
   (2)多源数据的高效获取;
   (3)多源数据融合。
5、结语
    生物多样性保护和持续利用是一个国家生态文明建设的重要组成部分,是衡量一个国家可持续发展能力的重要指标。目前国际社会已经取得了广泛的共识:只有借助遥感、地理信息系统、全球定位系统、数据智能化处理技术及虚拟环境等新技术、新方法从单站点的定位观测转向台站网络观监测综合集成方向发展,才能使生物多样性监测对一些基本规律的认识拓展在区域、国家层面应用,为相关部门的政策拟定、实施提供更为有效可靠的数据支持。因此,长期动态监测对于生物多样性保护和管理至关重要,武汉天泉慧源环保科技有限公司未来将长期致力于建立以激光雷达扫描仪、成像光谱仪、高分辨率相机为主要传感设施的无人机近地面遥感监测平台。我们相信,未来十年无人机遥感技术以其部署灵活、安全性高、数据分辨率高等优势,将在生物多样性监测领域得到更加广泛而深入的应用。

 

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