基于无人机航拍的潮间带生境调查方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于无人机航拍的潮间带生境调查方法，包括采用无人机低空飞行器作为遥感平台，无人机低空飞行器需搭载数码相机，并集成GPS和陀螺仪模块；查询所调查的潮间带区域的潮汐表；根据大潮期的高低潮潮位和潮时，确定无人机航拍的可执行时间段；规划航拍的航次、航线和需要安置的控制点；完成控制点布设、测量和航飞拍摄；对航拍影像进行处理，包括曝光调整、影像拼接、几何纠正，形成整个调查范围的高分辨率影像；对潮间带生境的特有类型进行斑块提取和空间形态性生态参数计算。本方法克服现有的潮间带生物学调查或传统地形测量方法的不足，获得潮间带生境的空间格局信息，为潮间带生境的生态功能和生态价值评估提供基础和依据。
【专利说明】基于无人机航拍的潮间带生境调查方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及遥感信息技术和生态环境评估领域，特别是涉及一种基于无人机航拍 的潮间带生境调查方法。
【背景技术】
[0002] 潮间带即是指大潮期的最高潮位和大潮期的最低潮位间的海岸，也就是海水涨至 最高时所淹没的地方开始至潮水退到最低时露出水面的范围。潮间带是海洋和陆地的联结 纽带。在海洋生态中，潮间带是一个特殊生境。潮间带受海水高潮和低潮交替变化的影响， 环境的变化非常大，形成特有的生物栖息环境，养育了特殊的潮间带生物，具有重要的生态 意义与功能。在河口，潮间带形成盐沼湿地，成为许多鱼类的重要育幼场和庇护所；淤泥质 海滩则生存着大量的底栖生物。潮间带生境关系着海洋生物的食物链和能量流。生物与生 境间的关系一直是生态学研究的重点，也是资源管理上的重要决策依据。海岸建设工程会 强烈地影响到潮间带生态，潮间带的调查与评估直接涉及到生态补偿金额的确定。
[0003] 目前对潮间带生境的调查主要通过实地布设样线或样方的生物学调查（实地布置 与陆地并行的样线以及设置样方，调查样方中的生物种类和数量)、传统的潮间带地形测量 (实地采集潮间带地物、地形地貌、高程以及平均大潮高潮线和最低低潮线等数据进行)， 以及基于卫星遥感的潮间带地形调查。采用实地生物调查的方法，耗时耗力，虽然可以取得 采样点上的生物数据，但难以准确确定潮间带整体的生境范围；传统的潮间带地形测量需 要人工上滩测量，工作量大且工期长，并且所测量的参数只有高程信息。卫星遥感可以快速 大面积同步监测陆地表面环境变化，但受到目前卫星传感器成像的空间分辨率和卫星过境 成像时间的限制，对潮间带地形的监测局限在较大的空间尺度，不能满足局地的潮间带生 境精细尺度的调查。近年来我国无人驾驶飞行器技术的逐渐成熟，无人机具有便携带、低成 本、低损耗、可重复利用、风险小等优势。无人机通过和遥感技术的融合，使得无人机遥感具 有了高时效、高分辨率等特点。因此，需要针对潮间带生境的特点和开展调查的时空限制性 因素，发展一种基于无人机航拍的潮间带生境调查方法，克服现有的对潮间带观测的生物 学调查或传统地形测量方法的不足，减少人工野外工作的时间和工作量，提高实地调查的 效率，获得潮间带生境的空间格局信息，为更为准确、客观和合理的潮间带生境的生态功能 和生态价值评估提供基础和依据。
【发明内容】
[0004] 针对潮间带生境的特点和开展调查的时空限制性因素，本发明的目的在于提供一 种基于无人机航拍的潮间带生境调查方法，克服现有的对潮间带观测的生物学调查和地形 测量方法的不足，为更为准确、客观和合理的潮间带生境的生态功能和生态价值评估提供 基础和依据。
[0005] 本发明方法采用无人机低空飞行器作为遥感平台。无人机低空飞行器可以采用固 定翼飞机或者多旋翼飞机。动力系统可以为油动或电动方式。无人机低空飞行器需搭载数 码相机，并集成差分GPS和陀螺仪姿态控制模块。
[0006] 本发明提出的基于无人机航拍的潮间带生境调查方法，具体步骤如下： (1)查询所调查的潮间带区域的潮汐表，获悉该潮间带区域的大潮期的高潮潮位、低潮 潮位和潮时； 查询所需调查的潮间带区域的潮汐表，根据大潮期的涨潮历时确定无人机航拍的具体 时间和可执行时间段。我国沿海港湾大部分属于非正规半日浅海潮港，在一个太阴月中，潮 汐作两次周期变化。大潮期出现在农历初一、十五以后的1~3天内，此时潮差最大。
[0007] 根据农历推算大潮出现的公历日期，查询所需调查的潮间带区域的潮汐表，确定 大潮期的最商和最低潮位Hn 以及相应的潮时?^^·、'Tisfr。
[0008] (2)根据大潮期的高潮潮位、低潮潮位和潮时以及登陆和撤离潮间带区域的高程， 确定作业人员登陆和撤离的时间以及无人机低空飞机器航拍的可执行时间段； 根据大潮期的最高潮位和最低潮位的准确时间，确定现场作业的可执行时间段。这个 时间段是现场作业人员上滩布设控制点和进行无人机航拍的有效时段。在大潮的最低潮位 时，潮水退到最低点，调查的潮间带区域完全出露，此时为最有利于现场作业。大潮的最高 潮位时，整个潮间带会被潮水淹没，现场作业人员必须在此之前撤离潮滩。为了确保安全， 工作时间要少于最低潮位和最高潮位的时间差，真正有效的工作时间必须做准确规划和严 格控制。
[0009] 潮位在高潮和低潮之间随时间按照余弦函数变化。根据步骤（1)查询的作业日期 的潮位和潮时，可由公式（1)计算任意时刻T的潮高Ht，由公式（2)计算任意潮高Ht的潮 时t。
【权利要求】
1.基于无人机航拍的潮间带生境调查方法，其特征在于具体步骤如下： (1) 查询所调查的潮间带区域的潮汐表，获悉该潮间带区域的大潮期的高潮潮位、低潮 潮位和潮时； (2) 根据大潮期的高潮潮位、低潮潮位和潮时以及登陆和撤离潮间带区域的高程，确定 作业人员登陆和撤离的时间以及无人机低空飞机器航拍的可执行时间段；
其中：HJ3J5J?、、TWir、Τχοιτ分别为查询到的作业日期1?潮的潮1?、作业日期低潮 的潮高、高潮的潮时及低潮的潮时，为t时刻的潮高，T(A)为h潮高的潮时； 所述作业人员应在大潮期的低潮潮位时登陆潮间带区域，在大潮期的高潮潮位前撤离 潮间带区域；
其中=Atettd为作业人员登陆潮间带区域作业现场的点位高程；为作业人员撤离潮 间带区域作业现场的点位1?程；Afeii为潮1?基准面1?程；、Tdf-Aiaji；)表不 分别将^^ -Atof、%_-Atoi作为公式（2)的自变量h代入计算的结果；括号里的.表示自 变量，就是把公式⑶里T(Almd - /U括号里的Almd - 作为公式⑵里T(h)的自 变量h代入计算；Tte^PTedl为作业人员登陆和撤离潮间带区域作业现场的时间； 与为作业人员登陆和撤离潮间带区域作业现场时间的缓冲参数；Twofli为有效工作时 间； (3) 根据无人机低空飞机器的飞行能力、所携带相机的拍摄能力和所需调查的潮间带 区域，规划航拍的航次和路线；
其中J为所搭载相机的焦距为飞行高度；I胃、H_r为相机成像传感器的 宽度和高度；、Hifo为相机成像影像的覆盖的地面宽度和高度；L_、?Τ_为待调查 潮间带区域的长度和宽度；、巧!为航向和旁向的重叠度：?为航线数；Nphfl为一条航 线上成像影像数；为飞行速度；为飞行时间； 当飞行时间Uoi大于无人机低空飞机器的续航能力时，则需要分为多个航次完成航 拍；如果飞行时间TL7^大于无人机低空飞机器每天实际有效工作时间1^，则需要分为几 天分区域完成调查任务或采用多架无人机低空飞机器分区域并行完成； (4) 根据步骤（2)得到的无人机低空飞机器航拍的可执行时间段和步骤（3)规划好航 拍的航次和航线，规划潮间带区域需要布设的控制点，控制点布设有原则应尽是均匀分布 于整个航拍调查区域； (5) 根据步骤（2)规划的登陆时间和地点进入潮间带区域，以及根据步骤（4)规划好的 控制点，完成潮间带区域地面的控制点布设和空间地理坐标测量；所述控制点布设具体为： 在设定的位置进行打桩，安装识别标志板，采用高精度GNSS设备测量控制空间地理坐标； (6) 根据步骤（3)规划的无人机低空飞行器航拍的航高、航次、航线，完成无人机低空 飞行器航飞拍摄； (7) 对无人机航拍影像进行曝光一致性调整； (8) 对调整曝光后的影像进行影像拼接处理，利用高精度GNSS设备测量得到的控制点 的空间地理坐标对影像做几何纠正，得到整个调查范围的潮间带区域高分辨率航拍影像； (9) 将步骤（8)得到的影像导入相应的地理信息系统软件中，对潮间带区域生境的特 有类型进行斑块提取，得到斑块的矢量化信息； (10) 根据步骤（9)得到的潮间带区域生境斑块提取的结果，进行相应的空间形态性生 态参数计算，结合对应的生物学数据，完成生态评估。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（10)中，所述参数为：生境斑块平均 面积、最大和最小斑块面积、斑块面积标准差(^)、变动系数(^)，斑块密度（PD)、斑块长宽 比Ta斑块伸张度和斑块形状指数& ; 生境斑块平均面积：反映潮间带生境斑块规模的平均水平；
式中'N--潮间带生境的斑块总数； Aj--潮间带生境要素第J'个斑块的面积； 最大和最小斑块面积：反映潮间带生境斑块规模的极端情况； j4min = min， 斑块面积标准差(Λ和变动系数(C):反映潮间带生境斑块规模的变异程度；
式中d-潮间带生境要素斑块的面积总和； 斑块密度（PD):潮间带生境斑块数除以潮间带生境总面积；
斑块长宽比A.:某一斑块(J')的长轴长度与宽度的比值；
式中为某一斑块C/)的长轴长度，$为某一斑块C/)的宽度； 斑块伸张度：某一斑块C/)的宽度与长轴长度的比值；
斑块形状指数4 :通过计算某一斑块形状C/)与相同面积的圆或正方形之间的偏离程 度来测量其形状的复杂程度； Di. = 以圆为参照：斑块周长与等面积的圆周长之比 Dj. = 0.25&/#以正方形为参照：斑块周长与等面积的正方形周长之比； 其中，为潮间带生境要素第J个斑块的周长为间带生境要素第J'个斑块的面积； 斑块的形状越复杂或越扁长，D的值就越大。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述无人机低空飞行器采用电动或油动驱 动，或采用固定翼飞机或者旋翼飞机，无人机低空飞行器上搭载光学成像设备、微波测量设 备、激光测量设备、差分GPS模块和陀螺仪姿态控制模块中一种以上。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于与或__为作业人员登陆和撤离作业 现场时间的一个缓冲参数，取值范围为5?15分钟。
【文档编号】G06T7/00GK104463470SQ201410749231
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】周为峰, 樊伟, 全为民 申请人:中国水产科学研究院东海水产研究所