基于无人机航拍影像的草原鼠害动态监测方法

1.本发明涉及一种草原鼠兔病害防治领域，尤其涉及一种基于无人机航拍影像的草原鼠害动态监测方法。


背景技术：

2.近些年，无人机遥感由于其具有分辨率高、时效性高、机动性强、可云下低空飞行等优势在草地资源监测及草地生态方面迅速兴起。无人驾驶飞机简称无人机(unmanned aerial vehicle，uav)，是一种能携带多种设备、执行多领域任务，并能通过遥控设备自主飞行的不载人飞行器。无人机与遥感技术的结合，即无人机遥感(uavrs)，是以无人机作为载体，通过搭载相机(包括可见光相机、多光谱相机、热红外相机等)、激光雷达等各种传感器，来获取低空高分辨率遥感数据的平台。与传统的以卫星为平台的航天遥感相比，无人机遥感具有云下低空飞行、高机动性等优势，弥补了卫星遥感受云层遮挡获取不到清晰影像的缺陷；同时，它高时效、高时空分辨率的特点，也是重访周期长且离地几百公里的传统卫星遥感所不具备的。
3.草地生态系统是陆地上重要的生态系统之一，在生态环境中起着举足轻重的作用。草地资源作为草地生态系统不可或缺的一部分，在草地生态系统体系循环中具有重要作用，为了对草地资源进行快速、便捷、精准有效的监测，国内外学者开始利用以卫星为平台的航天遥感来监测草地植被覆盖度、草地鼠害、草地有蹄类野生动物以及草地生物量的估算。然而传统的中低分辨率的卫星遥感影像获取周期长、易受气候影响，无法获取局部区域地面有效信息。相比卫星遥感，无人机遥感具有的高分辨率、云下获取影像等特点，能够显著降低混合效应对监测精度的影响，有效弥补卫星航天气遥感系统在地表分辨率低、重访周期长、受水汽影响大等不足，为中小尺度的草地资源监测遥感应用研究提供了新的手段。
4.近年来，由于全球气候变化和人类过度利用等综合因素致使全球草地存在不同程度的退化并日趋严重，鼠害频发，因此对草地害鼠发生的时空动态及分布规律亟待科学认识和量化评估。将无人机运用于高寒草地的鼠害面积、鼠害分布、植物群落盖度及地上生物量监测及评估是一种新的研究思路。
5.现有技术更多的集中在对无人机拍摄影像的处理和分类上，如公开号为cn11881728a的专利就公开了一种基于低空遥感的草地鼠害监测方法，并具体公开了获得最优的待监测草原的鼠害时地表特征。但是在获得鼠害特征后，并未给出将该特征应用在实际的鼠害防治问题上的方法或启示。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于无人机航拍影像的草原鼠害动态监测方法，通过精度评价的方式提高解译结果的精确度，通过按时间流绘制鼠害发展趋势图来对草原上的鼠害实际防治工作提供数据支持。
7.本发明提供了一种基于无人机航拍影像的草原鼠害动态监测方法，其特征在于，包括步骤：
8.步骤s1.使用无人机获取待监测草原区域不同时空的航拍影像；
9.步骤s2.对采集到的影像进行预处理，然后进行解译获得解译影像；所述解译包括对目标对象进行分类，得到结果集；
10.步骤s3.对比所述结果集中不同时空的影像，按时间流标记目标对象的变化区域，绘制鼠害发展趋势图。
11.在一些较优的实施例中，所述步骤s2还包括：根据目标对象的分类精度，对无人机的飞行参数进行调整。
12.在一些较优的实施例中，步骤s2所述预处理包括：依次进行的筛选、密集点云生成、输出数字地表模型、投影转换与几何校正、裁剪。
13.在一些较优的实施例中，所述目标对象包括：草地、裸地及鼠洞。
14.在一些较优的实施例中，所述步骤s2还包括，所述对目标对象进行分类的方法包括：
15.构建支持向量机模型并进行训练；
16.根据分类正确性生成分类精度评价混淆矩阵表；所述分类精度评价项目包括：总体分类精度、kappa系数、错分误差、漏分误差、制图精度和用户精度；
17.根据所述分类精度，判断所述支持向量机模型是否完成训练。
18.在一些较优的实施例中，步骤s3还包括：
19.将同一时空同一地块的影像划分为若干小网格，计算各网格中的个体鼠洞密度，计算所有网格中的总体平均鼠洞密度；
20.将所述个体鼠洞密度高于所述总体平均鼠洞密度的小网格标记为高风险区域，反之则标记为低风险区域；
21.绘制该时空条件下的从高风险区域指向低风险区域的鼠害发展趋势图；
22.对不同时空同一地块的影像重复上述步骤，绘制该地块的鼠害发展趋势图；
23.对不同地块的影像重复上述步骤，获得整个待监测区域的鼠害发展趋势图。
24.在一些较优的实施例中，所述鼠害发展趋势图包括：鼠害发展方向趋势图和鼠害发展程度趋势图。
25.在一些较优的实施例中，所述草原鼠害发展趋势动态监测方法还包括：
26.步骤s4.确定适用于待监测区域鼠害的防治方法及其人力成本，结合所述鼠害发展趋势图，绘制鼠害防治规划图。
27.有益效果：
28.1、本发明通过精度评价混淆矩阵表来评判解译影像的分类精度，客观便捷，在具有较高的分类精度的基础上，简化了整个流程，并为后续的步骤提供了合适大小的结果集；
29.2、通过对比不同时空同一地块的影像，按时间流标记目标对象的变化区域，使待监测区域中的目标对象在时空上具有良好的延续性和可预测性；
30.3、通过待监测区域的鼠害发展趋势图，结合适宜于不同危害程度的鼠害防治方法，并参考当地的地形、坡位、机械化水平，制定具体的鼠害防治规划图，为鼠害科学防治工作提供数据支持。
附图说明
31.图1为本发明中一种较优实施例的基于无人机航拍影像的草原鼠害动态监测方法流程图；
32.图2为本发明中另一种较优实施例的图像解译结果示意图；
33.图3为本发明中另一种较优实施例的基于无人机航拍影像的草原鼠害动态监测方法流程图。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.如图1所示，本发明提供了一种基于无人机航拍影像的草原鼠害动态监测方法，包括步骤：
36.步骤s1.使用无人机获取待监测草原区域不同时空的航拍影像。
37.应当理解的是，本发明无意限定无人机的具体品牌和型号，对其飞行参数也无要求，本领域技术人员只需保证上述参数能实现对待监测草原区域影像的清晰拍摄即可。应当注意的是，由于草原的空间变异性较大，地面的异质性也较高，为了提高无人机航拍影像的可识别度，需要在待监测区域设置样地，并在样地中设置合适的标尺和标记，以使航拍影像有分类和分辨大小的参照物，并且，针对不同样地的具体情况，标尺与标记的设置方式也会不同。在一些较优的实施例中，给出了一种对样地的通用设置方法：在所述样地中部放置一条50m*50m的标尺，并在所述标尺每间隔5m处作醒目标记；在所述样地的各边、角处作醒目标记。
38.进一步的，所述不同时空具体是指在不同时间、不同空间高度。由于草原的季节性变化程度较大，因此，仅采集单一季节或较短时间内的待监测草原区域的影像对预测鼠害发展趋势来说，样本较少，进而影像预测精度。因此，在一些较优的实施例中，优选地采集冬、夏两季的待监测草原区域的影像。另一方面，由于无人机的飞行高度对影像精度的影像较大，因此后续还设置了根据精度调整无人机飞行参数的步骤，因此，在每一次航拍时，无人机的飞行高度并不必然一致，这样，在提高了影像精度和分类精度的同时，也增加了样本集中样本的丰富程度。在另一些较优的实施例中，飞行参数的调整方法为：根据所获得的航拍影像可视化精度，以及后续步骤s2的分类精度评价，对无人机的飞行参数进行调整，所述飞行参数包括：飞行区域、路线、高度、速度等参数，相机分辨率及其他参数。
39.步骤s2.对采集到的影像进行预处理，然后进行解译获得解译影像；所述解译包括对目标对象进行分类，得到结果集。
40.本领域技术人员应当知晓，对无人机航拍影像进行预处理是必不可少的步骤，但是应用对象不同，其预处理的具体方法并不相同。在本发明中，由于在后续步骤中需要将影像输入支持向量机模型，并且还需要进一步的绘制趋势影像，因此，在预处理时需要特殊处理。在一些较优的实施例中，所述预处理包括：依次进行的筛选、密集点云生成、输出数字地
表模型、投影转换与几何校正、裁剪操作。其中，所述密集点云通过影像分析得到的地表点数据集合，其是逆向造型的基础，在本发明中，在绘制趋势影像时实质就是对点云进行操作；所述数字地表模型(digital surface model，dsm)是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型，其可以真实地表达地面起伏情况。所述投影转换与几何校正步骤的设置，是因为草原的空间变异性较大，地面的异质性也较高，需要进行投影转换与几何校正才能得到真实的反应草原地貌的影像。
41.进一步的是，如图2所示，所述解译影像是指从影像上识别目标，定性、定量地提取出目标的分布、结构、功能等有关信息，包括目标的形状、大小、阴影、色调、颜色、纹理、图案、位置和布局信息。其具体的解译方法不是本发明的重点，因此采用各种常用的解译方法均可。在一些较优的实施例中，所述目标对象包括：草地、裸地及鼠洞。在另一些较优的实施例中，由于无人机航拍影像的分辨率识别枯叶和植被时并不能被很好区分，只能区分植被斑块，因此有可能导致无人机航拍影像解译后的植被盖度高于目标区域的实际盖度。因此，可以通过野外调查的方式，对相关参数进行辅助矫正。具体方法为：通过人工对待监测草原区域的样地进行人工调查，将调查结果与解译结果进行相关度计算，以该相关度系数作为调整系数对解译结果进行矫正。
42.本发明还给出了一种较优的对目标对象进行分类的方法，包括：
43.构建支持向量机模型并进行训练；
44.根据分类正确性生成分类精度评价混淆矩阵表；所述分类精度评价项目包括：总体分类精度、kappa系数、错分误差、漏分误差、制图精度和用户精度；
45.根据所述分类精度，判断所述支持向量机模型是否完成训练。
46.应当理解的是，本发明无意限定所述支持向量机的具体结构和相关参数，本领域技术人员可以将通用的支持向量机模型应用到本发明中来。
47.步骤s3.对比所述结果集中不同时空的影像，按时间流标记目标对象的变化区域，绘制鼠害发展趋势图。
48.其中，所述标记目标对象的变化区域的方法可以由本领域的技术人员现场确定，例如可以采用人工的方式，使用不同线条勾绘同一样地不同时间无人机影像的鼠洞分布轮廓，将所绘的不同线条进行重合，使用计算机软件(如adobe photoshop和autocad等)标记出代表轮廓的线条变化部分，并标记填充其所围的鼠害新增或减少区域，其他样地依次进行，然后据此绘制出鼠害发展趋势图。应当理解的是，在手工进行趋势图的绘制时，需要本领域技术人员根据鼠害在时间流中的变化，结合工作经验和理论分析，合理的预测鼠害的发展趋势。
49.在一些较优的实施例中，给出了一种绘制鼠害发展趋势图的具体步骤，包括：
50.将同一时空同一地块的影像划分为若干小网格，计算各网格中的个体鼠洞密度，计算所有网格中的总体平均鼠洞密度；其中，所述小网格的具体大小由本领域技术人员根据航拍影像的精度和待检测区域的大小现场确定。较优的选择为50m*50m。
51.将所述个体鼠洞密度高于所述总体平均鼠洞密度的小网格标记为高风险区域，反之则标记为低风险区域；
52.绘制该时空条件下的从高风险区域指向低风险区域的鼠害发展趋势图；
53.对不同时空同一地块的影像重复上述步骤，绘制该地块的鼠害发展趋势图；
54.对不同地块的影像重复上述步骤，获得整个待监测区域的鼠害发展趋势图。
55.在一些较优的实施例中，所述鼠害发展趋势图包括：鼠害发展方向趋势图和鼠害发展程度趋势图。
56.进一步的，为了更好的实现利用上述步骤获得的鼠害发展趋势图，如图3所示，本发明还给出了后续步骤，包括：
57.步骤s4.确定适用于待监测区域鼠害的防治方法及其人力成本，结合所述鼠害发展趋势图，绘制鼠害防治规划图。应当理解的是，不同区域、鼠害情况的草原，其防治方法和成本均不相同。因此，在确定上述方法和成本时，可以采用参考相关部门的统计和意见，也可以采用走访当地牧户的方式获得。所述鼠害防治规划图包括鼠害防治适宜使用方法分布图、鼠害防治适宜人力成本投入分布图、鼠害防治适宜物力成本投入分布图、鼠害防治适宜财力成本投入分布图等。上述内容均可为草原管理部门的鼠害实际防治工作提供数据支持，具有一定的指导意义。
58.专业人员还可以进一步意识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术
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包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
59.此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
60.进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。