无人机技术能够给草原监测带来哪些改变？

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草原生态系统是怎样的，如何管理，会比森林生态系统简单吗？

我国干旱和半干旱草原总体退化和牧民贫困问题一直没有得到很好的解决，到底是什么原因造成的？

北京大学教授李文军就干旱半干旱草原生态系统的特点，从多方面进行了解读和分析。（篇幅较长，这里仅选取了部分内容，原文链接：http://www.greentimes.com/green/news/kejiao/kpzc/content/2018-04/20/content_378289.htm）

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我们以往对于草原所制定的一系列政策以及发展思路可能存在误区。在干旱半干旱地区，是否如传统的平衡理论所认为的，草畜之间存在简单的线性关系？

为什么30年来众多的干预项目都难以实现其预定目标？这使学者们反思：为什么总是被归结为“恢复技术不当”以及“当地牧民不愿意配合”？或许是对该生态系统的某些最根本的认识发生了错误。

长期以来，世界上（包括中国）的草场管理一直遵循的是基于生态平衡理论的克莱门茨植被演替模型。但生态学界越来越认识到，基于克莱门茨演替理论的动态平衡理论在很多生态系统中很难或根本不可能发生。

非平衡概念因此被逐渐认识并应用到干旱地区草场。非平衡理论认为，植被与放牧压力之间呈现复杂的非线性关系，气候因素对于植被的影响不应该被忽视。实际上，一直以来，牲畜过载最为严重的地方主要发生在农牧交错带。而在纯牧业区，即年降水量一般少于300毫米的地方，剧烈变化的气候条件成为比牲畜数量更为重要的影响草场植被的决定因素。

显然，只有在不同的空间尺度范围内，针对不同的退化原因制定相应的草场退化治理政策，才能达到有效治理的成果。而问题的关键在于，必须弄清楚我们管理的草场处于平衡与非平衡这两个极端中的哪个位置，因为实践中这两种理论模式会直接导致根本不同的草场管理策略。如果基于平衡理论，认为气候变量是稳定不变的，则草场管理就会侧重在预测、计算并实施固定的载畜率。而在非平衡理论指导下，意识到气候的高度变异性及其所导致的难以预测的草场资源分布的时空异质性，则会鼓励采取灵活、随机的载畜策略，并提倡牲畜在较大的空间范围内迁移。

那么，生态系统，平衡还是非平衡？如何采取有效的监测手段来进行草畜平衡管理、禁牧管护？

随着无人机在生态监测领域的广泛的应用，或许可以给我们一些启示。

人烟稀少、自然条件恶劣的高寒、荒漠区域以及地形复杂的山区复合草地，往往缺乏准确及时有效的技术手段。而通过无人机遥感的使用，是否放牧一目了然，放牧数量可以通过模型进行准确测算，结合北斗定位系统明确放牧轨迹对草畜平衡状况进行准确评估。

只是无人机遥感技术在草原资源信息化管理、生态监测方面目前国内还处于起步阶段。在草原资源调查、动态监测、灾害防治、资源管理等方面的应用还有待进一步研究论证。

草地动态监测与生态安全评估

对无人机遥感系统获取的高空间、高光谱、高时间分辨率的影像进行快速拼接处理后，采用数字图像处理方法分类识别，建立不同草地类型解译标志库和光谱库，初步形成影像解译规范和大数据处理流程。航测遥感与地面监测、卫星遥感影像的“天、空、地”数据逻辑关联，低空航测遥感数据与草原信息管理平台的数据对接规范，以及实时传输技术的应用，实现草地草场生长变化、植被盖度变化、草地生物量估测、草地健康状况、草蓄平衡评估以及元素含量等的监测研究。

草地生物量估算

由于草原生态系统的异质性和空间变异性，可控条件下的样地数据采集对草地影像光谱信息解译至关重要，能有效弥补卫星遥感技术易受辐射和光照影响等缺陷。利用低空遥感平台获取感兴趣区长时间序列的高分辨率影像数据，采用相应的指数和模型提取草地生物量、质量及草地类型的空间分布格局。农业研究发现多时相CSM模型在无人机RGB影像监测作物高度及生物量中有很好的效果。将该模型运用到草地生态系统草地生物量监测中并结合样地调查数据及植被指数进行对比分析，结果表明非定标的RGB影像结合CSM模型对草地植被高度和生物量估算有很好的适用性，与传统草地生物量估算模型互补应用可有效提高估算精度，集成不同草地类型的草原生物量的季节动态、生物量与水热条件的关系，以及地下生物量(牧草营养成分和土壤养分)的变化进行综合分析是今后研究的重点。

牧草产量评估

通过可见光和多光谱结合的航拍图建立草原各类植物生长产量的数字模型，提高草原产量评估准确率，主要包括饲草料地面积核查、饲草料长势评估、结合光谱信息建立估产模型、测算饲草料产量。

草势生长预测及NPP反演

通过无人机携带光谱成像仪建立精准的草原光谱分布图，提高草势生长预测准确率。对草地植被的分析判断:结合地面调查确定草地类型、植被盖度等月度间、年度间的植被长势分析评估、选择典型区域作为样本源进行光谱航测、结合卫星遥感、地面实测建立估产和评估模型对草地生产力和生态状况进行评估。采用多光谱传感器获取不同区域、地形条件、时相下的草地无人机影像修正CASE等传统模型参数达到反演的最佳精度进而推广应用具有重要意义。

草原生物灾害预测预警

草原灾害发生突然、蔓延迅速且多在人烟稀少、道路难至的区域，人工实地踏勘制约因素较多但受制于传统遥感平台空间分辨率及重访周期的限制，无法满足草原生物灾害超高分辨率识别的要求，只能间接依靠植被变化，从宏观上反映草原生物灾害的发生、蔓延等特点不能满足对草原灾害发生程度、趋势变化的及时分析、准确判断要求。无人机系统因其机动灵活、快速实时采集和传输影像等优势，在迅速了解灾情、科学指挥救灾及灾情评估等工作中发挥了重要的作用能够宏观、微观地分析草地病虫害及鼠害。无人机搭载多光谱相机在草原上空精确抽样拍摄2~3空间分辨率的航测图获取鼠洞空间分布、密度及危害程度在为灭鼠提供科学参考数据的基础上可分析鼠害与地形、水热条件、植被种类及长势等因素的相互关系并建立模型预测鼠害蔓延趋势及时采取有效措施进行防控。

此外无人机搭载红外设备对病害草场进行扫描后通过蝗虫红外数字模型可分析出每平方千米蝗虫数量及蝗虫密度分布图。国外已有较多采用遥感手段识别毒草及绘制其密度图的成功案例。随着无人机遥感技术的快速发展，遥感监测毒草的能力也得到不断增强，但是国内研究并不多。由于无人机遥感可实现高精度识别植被类型及动态监测，将成为今后识别毒草的一个最主要的数据集，建立毒害植被多光谱数字模型。通过草原多光谱分布图与毒害植被分布预警管理平台，能得出毒害植被种类以及密度和分布区域，达到一定密度时自动报警给后台管理人员及时发现毒害植被生长状况为除毒害植被提供地理信息依据。

草原保护工程管护及草原征占用

包括对围栏、饲草料基地、牧民定居等工程的定期巡查、测算围栏面积、评估围栏设施的现状、草原征占用方面包括工矿用地、草原开垦等方面的区域变化情况进行及时巡查图上可以清晰地看到四至界限计算出面积，为工矿企业征占用地管理、非法开垦草原执法取证提供技术支持。

航空植保

草原生物灾害防治主要依靠人工手动喷药和机械喷药两种形式。由于多种因素的影响，防治效果并不佳且成本较大。无人机植保技术是近几年兴起的、广泛应用的一项通过飞机喷施农药实现植保的新型技术。受地理因素的制约较小空中作业效率高、节药节水、作业安全、作业成效佳、不受草原长势限制且不损坏草地植被，尤其利于草原爆发性病虫害如蝗虫和鼠害以及小区域毒害草的防控。

注：部分内容参考自文献《无人机技术在草原生态遥感监测中的应用与探讨》，李风贤

来源：夏汉生态监测（版权归原作者及刊载媒体所有。本文作者不详，我们尊重原创，《慧天地》所推内容若涉及版权问题，敬请原作者告知，我们会立即处理！）

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编辑 /裴家珍   审核 / 付航 盛兆阳

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)