基于無(wú)人機(jī)航拍的潮間帶生境調(diào)查方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于無(wú)人機(jī)航拍的潮間帶生境調(diào)查方法，包括采用無(wú)人機(jī)低空飛行器作為遙感平臺(tái)，無(wú)人機(jī)低空飛行器需搭載數(shù)碼相機(jī)，并集成GPS和陀螺儀模塊；查詢(xún)所調(diào)查的潮間帶區(qū)域的潮汐表；根據(jù)大潮期的高低潮潮位和潮時(shí)，確定無(wú)人機(jī)航拍的可執(zhí)行時(shí)間段；規(guī)劃航拍的航次、航線(xiàn)和需要安置的控制點(diǎn)；完成控制點(diǎn)布設(shè)、測(cè)量和航飛拍攝；對(duì)航拍影像進(jìn)行處理，包括曝光調(diào)整、影像拼接、幾何糾正，形成整個(gè)調(diào)查范圍的高分辨率影像；對(duì)潮間帶生境的特有類(lèi)型進(jìn)行斑塊提取和空間形態(tài)性生態(tài)參數(shù)計(jì)算。本方法克服現(xiàn)有的潮間帶生物學(xué)調(diào)查或傳統(tǒng)地形測(cè)量方法的不足，獲得潮間帶生境的空間格局信息，為潮間帶生境的生態(tài)功能和生態(tài)價(jià)值評(píng)估提供基礎(chǔ)和依據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于無(wú)人機(jī)航拍的潮間帶生境調(diào)查方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感信息技術(shù)和生態(tài)環(huán)境評(píng)估領(lǐng)域，特別是涉及一種基于無(wú)人機(jī)航拍 的潮間帶生境調(diào)查方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 潮間帶即是指大潮期的最高潮位和大潮期的最低潮位間的海岸，也就是海水漲至 最高時(shí)所淹沒(méi)的地方開(kāi)始至潮水退到最低時(shí)露出水面的范圍。潮間帶是海洋和陸地的聯(lián)結(jié) 紐帶。在海洋生態(tài)中，潮間帶是一個(gè)特殊生境。潮間帶受海水高潮和低潮交替變化的影響， 環(huán)境的變化非常大，形成特有的生物棲息環(huán)境，養(yǎng)育了特殊的潮間帶生物，具有重要的生態(tài) 意義與功能。在河口，潮間帶形成鹽沼濕地，成為許多魚(yú)類(lèi)的重要育幼場(chǎng)和庇護(hù)所；淤泥質(zhì) 海灘則生存著大量的底棲生物。潮間帶生境關(guān)系著海洋生物的食物鏈和能量流。生物與生 境間的關(guān)系一直是生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)，也是資源管理上的重要決策依據(jù)。海岸建設(shè)工程會(huì) 強(qiáng)烈地影響到潮間帶生態(tài)，潮間帶的調(diào)查與評(píng)估直接涉及到生態(tài)補(bǔ)償金額的確定。
[0003] 目前對(duì)潮間帶生境的調(diào)查主要通過(guò)實(shí)地布設(shè)樣線(xiàn)或樣方的生物學(xué)調(diào)查（實(shí)地布置 與陸地并行的樣線(xiàn)以及設(shè)置樣方，調(diào)查樣方中的生物種類(lèi)和數(shù)量)、傳統(tǒng)的潮間帶地形測(cè)量 (實(shí)地采集潮間帶地物、地形地貌、高程以及平均大潮高潮線(xiàn)和最低低潮線(xiàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行)， 以及基于衛(wèi)星遙感的潮間帶地形調(diào)查。采用實(shí)地生物調(diào)查的方法，耗時(shí)耗力，雖然可以取得 采樣點(diǎn)上的生物數(shù)據(jù)，但難以準(zhǔn)確確定潮間帶整體的生境范圍；傳統(tǒng)的潮間帶地形測(cè)量需 要人工上灘測(cè)量，工作量大且工期長(zhǎng)，并且所測(cè)量的參數(shù)只有高程信息。衛(wèi)星遙感可以快速 大面積同步監(jiān)測(cè)陸地表面環(huán)境變化，但受到目前衛(wèi)星傳感器成像的空間分辨率和衛(wèi)星過(guò)境 成像時(shí)間的限制，對(duì)潮間帶地形的監(jiān)測(cè)局限在較大的空間尺度，不能滿(mǎn)足局地的潮間帶生 境精細(xì)尺度的調(diào)查。近年來(lái)我國(guó)無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)的逐漸成熟，無(wú)人機(jī)具有便攜帶、低成 本、低損耗、可重復(fù)利用、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)通過(guò)和遙感技術(shù)的融合，使得無(wú)人機(jī)遙感具 有了高時(shí)效、高分辨率等特點(diǎn)。因此，需要針對(duì)潮間帶生境的特點(diǎn)和開(kāi)展調(diào)查的時(shí)空限制性 因素，發(fā)展一種基于無(wú)人機(jī)航拍的潮間帶生境調(diào)查方法，克服現(xiàn)有的對(duì)潮間帶觀(guān)測(cè)的生物 學(xué)調(diào)查或傳統(tǒng)地形測(cè)量方法的不足，減少人工野外工作的時(shí)間和工作量，提高實(shí)地調(diào)查的 效率，獲得潮間帶生境的空間格局信息，為更為準(zhǔn)確、客觀(guān)和合理的潮間帶生境的生態(tài)功能 和生態(tài)價(jià)值評(píng)估提供基礎(chǔ)和依據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)潮間帶生境的特點(diǎn)和開(kāi)展調(diào)查的時(shí)空限制性因素，本發(fā)明的目的在于提供一 種基于無(wú)人機(jī)航拍的潮間帶生境調(diào)查方法，克服現(xiàn)有的對(duì)潮間帶觀(guān)測(cè)的生物學(xué)調(diào)查和地形 測(cè)量方法的不足，為更為準(zhǔn)確、客觀(guān)和合理的潮間帶生境的生態(tài)功能和生態(tài)價(jià)值評(píng)估提供 基礎(chǔ)和依據(jù)。
[0005] 本發(fā)明方法采用無(wú)人機(jī)低空飛行器作為遙感平臺(tái)。無(wú)人機(jī)低空飛行器可以采用固 定翼飛機(jī)或者多旋翼飛機(jī)。動(dòng)力系統(tǒng)可以為油動(dòng)或電動(dòng)方式。無(wú)人機(jī)低空飛行器需搭載數(shù) 碼相機(jī)，并集成差分GPS和陀螺儀姿態(tài)控制模塊。
[0006] 本發(fā)明提出的基于無(wú)人機(jī)航拍的潮間帶生境調(diào)查方法，具體步驟如下： (1)查詢(xún)所調(diào)查的潮間帶區(qū)域的潮汐表，獲悉該潮間帶區(qū)域的大潮期的高潮潮位、低潮 潮位和潮時(shí)； 查詢(xún)所需調(diào)查的潮間帶區(qū)域的潮汐表，根據(jù)大潮期的漲潮歷時(shí)確定無(wú)人機(jī)航拍的具體 時(shí)間和可執(zhí)行時(shí)間段。我國(guó)沿海港灣大部分屬于非正規(guī)半日淺海潮港，在一個(gè)太陰月中，潮 汐作兩次周期變化。大潮期出現(xiàn)在農(nóng)歷初一、十五以后的1~3天內(nèi)，此時(shí)潮差最大。
[0007] 根據(jù)農(nóng)歷推算大潮出現(xiàn)的公歷日期，查詢(xún)所需調(diào)查的潮間帶區(qū)域的潮汐表，確定 大潮期的最商和最低潮位Hn 以及相應(yīng)的潮時(shí)?^^·、'Tisfr。
[0008] (2)根據(jù)大潮期的高潮潮位、低潮潮位和潮時(shí)以及登陸和撤離潮間帶區(qū)域的高程， 確定作業(yè)人員登陸和撤離的時(shí)間以及無(wú)人機(jī)低空飛機(jī)器航拍的可執(zhí)行時(shí)間段； 根據(jù)大潮期的最高潮位和最低潮位的準(zhǔn)確時(shí)間，確定現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的可執(zhí)行時(shí)間段。這個(gè) 時(shí)間段是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員上灘布設(shè)控制點(diǎn)和進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍的有效時(shí)段。在大潮的最低潮位 時(shí)，潮水退到最低點(diǎn)，調(diào)查的潮間帶區(qū)域完全出露，此時(shí)為最有利于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。大潮的最高 潮位時(shí)，整個(gè)潮間帶會(huì)被潮水淹沒(méi)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員必須在此之前撤離潮灘。為了確保安全， 工作時(shí)間要少于最低潮位和最高潮位的時(shí)間差，真正有效的工作時(shí)間必須做準(zhǔn)確規(guī)劃和嚴(yán) 格控制。
[0009] 潮位在高潮和低潮之間隨時(shí)間按照余弦函數(shù)變化。根據(jù)步驟（1)查詢(xún)的作業(yè)日期 的潮位和潮時(shí)，可由公式（1)計(jì)算任意時(shí)刻T的潮高Ht，由公式（2)計(jì)算任意潮高Ht的潮 時(shí)t。

【權(quán)利要求】
1.基于無(wú)人機(jī)航拍的潮間帶生境調(diào)查方法，其特征在于具體步驟如下： (1) 查詢(xún)所調(diào)查的潮間帶區(qū)域的潮汐表，獲悉該潮間帶區(qū)域的大潮期的高潮潮位、低潮 潮位和潮時(shí)； (2) 根據(jù)大潮期的高潮潮位、低潮潮位和潮時(shí)以及登陸和撤離潮間帶區(qū)域的高程，確定 作業(yè)人員登陸和撤離的時(shí)間以及無(wú)人機(jī)低空飛機(jī)器航拍的可執(zhí)行時(shí)間段；
其中：HJ3J5J?、、TWir、Τχοιτ分別為查詢(xún)到的作業(yè)日期1?潮的潮1?、作業(yè)日期低潮 的潮高、高潮的潮時(shí)及低潮的潮時(shí)，為t時(shí)刻的潮高，T(A)為h潮高的潮時(shí)； 所述作業(yè)人員應(yīng)在大潮期的低潮潮位時(shí)登陸潮間帶區(qū)域，在大潮期的高潮潮位前撤離 潮間帶區(qū)域；
其中=Atettd為作業(yè)人員登陸潮間帶區(qū)域作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)位高程；為作業(yè)人員撤離潮 間帶區(qū)域作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)位1?程；Afeii為潮1?基準(zhǔn)面1?程；、Tdf-Aiaji；)表不 分別將^^ -Atof、%_-Atoi作為公式（2)的自變量h代入計(jì)算的結(jié)果；括號(hào)里的.表示自 變量，就是把公式⑶里T(Almd - /U括號(hào)里的Almd - 作為公式⑵里T(h)的自 變量h代入計(jì)算；Tte^PTedl為作業(yè)人員登陸和撤離潮間帶區(qū)域作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間； 與為作業(yè)人員登陸和撤離潮間帶區(qū)域作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間的緩沖參數(shù)；Twofli為有效工作時(shí) 間； (3) 根據(jù)無(wú)人機(jī)低空飛機(jī)器的飛行能力、所攜帶相機(jī)的拍攝能力和所需調(diào)查的潮間帶 區(qū)域，規(guī)劃航拍的航次和路線(xiàn)；
其中J為所搭載相機(jī)的焦距為飛行高度；I胃、H_r為相機(jī)成像傳感器的 寬度和高度；、Hifo為相機(jī)成像影像的覆蓋的地面寬度和高度；L_、?Τ_為待調(diào)查 潮間帶區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度；、巧!為航向和旁向的重疊度：?為航線(xiàn)數(shù)；Nphfl為一條航 線(xiàn)上成像影像數(shù)；為飛行速度；為飛行時(shí)間； 當(dāng)飛行時(shí)間Uoi大于無(wú)人機(jī)低空飛機(jī)器的續(xù)航能力時(shí)，則需要分為多個(gè)航次完成航 拍；如果飛行時(shí)間TL7^大于無(wú)人機(jī)低空飛機(jī)器每天實(shí)際有效工作時(shí)間1^，則需要分為幾 天分區(qū)域完成調(diào)查任務(wù)或采用多架無(wú)人機(jī)低空飛機(jī)器分區(qū)域并行完成； (4) 根據(jù)步驟（2)得到的無(wú)人機(jī)低空飛機(jī)器航拍的可執(zhí)行時(shí)間段和步驟（3)規(guī)劃好航 拍的航次和航線(xiàn)，規(guī)劃潮間帶區(qū)域需要布設(shè)的控制點(diǎn)，控制點(diǎn)布設(shè)有原則應(yīng)盡是均勻分布 于整個(gè)航拍調(diào)查區(qū)域； (5) 根據(jù)步驟（2)規(guī)劃的登陸時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)入潮間帶區(qū)域，以及根據(jù)步驟（4)規(guī)劃好的 控制點(diǎn)，完成潮間帶區(qū)域地面的控制點(diǎn)布設(shè)和空間地理坐標(biāo)測(cè)量；所述控制點(diǎn)布設(shè)具體為： 在設(shè)定的位置進(jìn)行打樁，安裝識(shí)別標(biāo)志板，采用高精度GNSS設(shè)備測(cè)量控制空間地理坐標(biāo)； (6) 根據(jù)步驟（3)規(guī)劃的無(wú)人機(jī)低空飛行器航拍的航高、航次、航線(xiàn)，完成無(wú)人機(jī)低空 飛行器航飛拍攝； (7) 對(duì)無(wú)人機(jī)航拍影像進(jìn)行曝光一致性調(diào)整； (8) 對(duì)調(diào)整曝光后的影像進(jìn)行影像拼接處理，利用高精度GNSS設(shè)備測(cè)量得到的控制點(diǎn) 的空間地理坐標(biāo)對(duì)影像做幾何糾正，得到整個(gè)調(diào)查范圍的潮間帶區(qū)域高分辨率航拍影像； (9) 將步驟（8)得到的影像導(dǎo)入相應(yīng)的地理信息系統(tǒng)軟件中，對(duì)潮間帶區(qū)域生境的特 有類(lèi)型進(jìn)行斑塊提取，得到斑塊的矢量化信息； (10) 根據(jù)步驟（9)得到的潮間帶區(qū)域生境斑塊提取的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的空間形態(tài)性生 態(tài)參數(shù)計(jì)算，結(jié)合對(duì)應(yīng)的生物學(xué)數(shù)據(jù)，完成生態(tài)評(píng)估。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟（10)中，所述參數(shù)為：生境斑塊平均 面積、最大和最小斑塊面積、斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差(^)、變動(dòng)系數(shù)(^)，斑塊密度（PD)、斑塊長(zhǎng)寬 比Ta斑塊伸張度和斑塊形狀指數(shù)& ; 生境斑塊平均面積：反映潮間帶生境斑塊規(guī)模的平均水平；
式中'N--潮間帶生境的斑塊總數(shù)； Aj--潮間帶生境要素第J'個(gè)斑塊的面積； 最大和最小斑塊面積：反映潮間帶生境斑塊規(guī)模的極端情況； j4min = min， 斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差(Λ和變動(dòng)系數(shù)(C):反映潮間帶生境斑塊規(guī)模的變異程度；
式中d-潮間帶生境要素斑塊的面積總和； 斑塊密度（PD):潮間帶生境斑塊數(shù)除以潮間帶生境總面積；
斑塊長(zhǎng)寬比A.:某一斑塊(J')的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與寬度的比值；
式中為某一斑塊C/)的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，$為某一斑塊C/)的寬度； 斑塊伸張度：某一斑塊C/)的寬度與長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的比值；
斑塊形狀指數(shù)4 :通過(guò)計(jì)算某一斑塊形狀C/)與相同面積的圓或正方形之間的偏離程 度來(lái)測(cè)量其形狀的復(fù)雜程度； Di. = 以圓為參照：斑塊周長(zhǎng)與等面積的圓周長(zhǎng)之比 Dj. = 0.25&/#以正方形為參照：斑塊周長(zhǎng)與等面積的正方形周長(zhǎng)之比； 其中，為潮間帶生境要素第J個(gè)斑塊的周長(zhǎng)為間帶生境要素第J'個(gè)斑塊的面積； 斑塊的形狀越復(fù)雜或越扁長(zhǎng)，D的值就越大。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述無(wú)人機(jī)低空飛行器采用電動(dòng)或油動(dòng)驅(qū) 動(dòng)，或采用固定翼飛機(jī)或者旋翼飛機(jī)，無(wú)人機(jī)低空飛行器上搭載光學(xué)成像設(shè)備、微波測(cè)量設(shè) 備、激光測(cè)量設(shè)備、差分GPS模塊和陀螺儀姿態(tài)控制模塊中一種以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于與或__為作業(yè)人員登陸和撤離作業(yè) 現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間的一個(gè)緩沖參數(shù)，取值范圍為5?15分鐘。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK104463470SQ201410749231
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月10日
【發(fā)明者】周為峰, 樊偉, 全為民 申請(qǐng)人:中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所