生态环境保护在丝绸之路经济带核心区——中国新疆的绿色发展中日益重要, 鼠害作为危害新疆草原以及荒漠林的主要破坏者, 严重危害到了新疆荒漠草原和荒漠林的生态安全和畜牧业生产。大沙鼠(Rhombomys opimus)是主要害鼠之一, 主要分布在荒漠林, 并以荒漠林植物的嫩根、嫩茎、树根基部为食, 严重危害荒漠林中梭梭(Haloxylon ammodendron(C.A.Mey.)Bunge), 红柳(Tamarix ramosissima)等植被的生长^[1], 荒漠林植被的衰败死亡导致荒漠沙化加剧。新疆鼠害发生区多在人烟稀少、交通不便的荒漠林、荒漠草原, 危害面积大、鼠洞数量多, 调查防治困难。传统人工地面调查监测方法费时费力, 资金投入巨大, 调查周期长, 很难快速高效、全方面地反映鼠害的发生范围、发展动态、危害程度。同时, 在本地区还缺少开展与鼠害有关地形、植被等影响因子关系的研究数据, 无法及时有效地采用针对性的防治措施。导致新疆鼠害频发、分布面积进一步扩大、区域生态安全状况持续恶化, 严重影响牧区经济发展。

因此, 寻求新型的调查和监测方法对于鼠类危害的控制势在必行, 在国内外已有学者探索将遥感监测技术应用于鼠害监测。轩俊伟等^[2]采用三角翼飞行器进行鼠荒地航拍；李培先等^[3]利用遥感卫星进行阿尔金山鼠荒地面积进行了遥感估算研究；温阿敏等^[4]利用无人机低空遥感对鼠害进行航拍并尝试进行计算机自动解译；赵胜国等^[5]利用鼠靶灭鼠剂飞机进行鼠害防治试验；Addink等^[6]利用高分辨率遥感在哈萨克斯坦进行鼠洞系统监测；黄建文等^[7]利用TM影像, 分析了天然梭梭林大沙鼠鼠害防治前后的土壤调节植被指数和植被生长状况。上述研究为利用卫星遥感进行鼠害防治管理和动态监测提供科学依据。本研究区大沙鼠洞口直径一般为8cm至10cm, 且有地表植被覆盖的遮挡, 卫星遥感影像无法准确获取鼠洞信息, 凸显出低空间分辨率的缺点。遥感卫星重访周期固定, 利用卫星遥感影像数据进行鼠害调查的实时性、灵活性受到很大影响。

将无人机运用于新疆鼠害的调查与防治是一种新的研究思路。目前国内涌现出大量利用无人机作为遥感平台的科学研究项目。李冰等^[8]利用无人搭载美国Tetracam公司生产的ADC(Agricultural Digital Still Camera)Air冠层多光谱相机对北京研究区内冬小麦覆盖度变化进行监测；高林等^[9]采用八旋翼电动无人机搭载索尼Cyber-shot DSC-QX100高清相机对北京冬小麦叶面积指数进行探测研究；张园等^[10]利用“千里眼”小型无人机搭载索尼DSC-T90对临安市进行森林资源二类调查；冯家莉等^[11]利用后推式固定翼无人机对英罗港港湾两侧红树林进行航拍, 体现出无人机低空遥感在红树林信息提取及分类中的优势。众多的研究项目也体现出无人机低空遥感拥有在低空飞行航拍的显著优势(表 1), 无人机低空遥感有效的弥补了卫星光学遥感和有人机航空摄影较易受到云层遮挡的缺陷, 成为新型遥感重要的手段之一。无人机遥感能够灵活的获取多尺度、多时相的地面观测数据, 可以更好的运用于新疆鼠害调查研究中。

传统人工调查是由工作人员采用一定得调查方法进行大面积地毯式调查^[12]。对于营地面生活鼠种常用调查方法有：堵洞盗洞法、定面积捕尽法、夹夜(夹日)法^[13]、洞口系数法^[14-15]。以上调查方法均需要大量的地面工作作为支撑, 很难与无人机低空遥感相结合。而洞群覆盖率调查方法可通过影像直接计算, 可以很好的与无人机低空遥感影像结合, 鼠害洞群覆盖率^[16]即大沙鼠洞群(包括废弃洞群)占据土地面积为整个调查区面积的百分比。此指标可反映近期或稍远期大沙鼠对荒漠牧场的危害程度。计算鼠洞洞群覆盖率可以对鼠害危害程度进行评估, 制定更加可靠有效的治理措施。

本文基于无人机低空遥感监测平台对新疆古尔班通古特沙漠南缘典型荒漠林大沙鼠鼠害区域进行两次航拍, 利用无人机低空遥感影像计算研究区洞群覆盖率, 划分研究区鼠害等级并分析鼠洞分布趋势。探讨低空遥感在大沙鼠空间分布和密度监测方面的有效性, 并对该区域鼠害情况进行评定, 为科学防治荒漠林大沙鼠危害提供依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区选择在新疆维吾尔自治区古尔班通古特沙漠南缘的荒漠林大沙鼠典型危害区, 研究区受鼠害影响巨大, 生态环境受到严重威胁。区内主要害鼠种类为大沙鼠(Rhombomys opimus), 植被覆盖度在固定沙丘上可达40%—50%, 半固定沙丘上15%—25%。植被多为梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge)、柽柳(Tamarix chinensis Lour.)、蛇麻黄(Ephedra sp)、盐爪爪(Kalidiumfoliatum(Pall.)Moq.)等, 研究区内实际情况如图 1。此研究选择两块试验样地, 第一实验区面积为2.4km×1.5km、中心经纬度为44.413°N, 87.857°E, 第二实验区面积为1km×1km, 中心经纬度为44.583°N, 88.160°E如图 2。

1.2 无人机低空遥感

航拍选择固定翼无人机, 型号为DOPSV360航摄无人机。抗风能力较强, 能同时搭载多种遥感传感器。传感器分别使用索尼NEX7相机与索尼ilce-7m相机。两款相机均为专业级单反相机, 其有效分辨率均可满足鼠洞航拍需求。重量也可满足DOPSV360航摄无人机载重要求, 无人机及相机详细参数见表 2。

1.3 实验方案 1.3.1 航拍数据采集

本文利用DOPSV360航摄无人机对新疆古尔班通古特沙漠南缘大沙鼠危害区进行两次低空航拍作业。飞行任务确定后, 设计实验区飞行方案, 确定航摄比例尺与提取鼠洞所需的地面分辨率。2015年10月12日13点左右对第一实验区进行航拍, 搭载索尼NEX7相机, 空间分辨率为0.024m, 共获取1632张单幅影像。并在2016年5月13日12点左右对第二实验区进行航拍, 搭载索尼ilce-7m相机, 空间分辨率为0.02m, 共获取1079张单幅影像。航片航向重叠率控制在60%—65%, 旁向重叠率控制在30%—35%, 研究区航线设计如图 3。两次航拍均选择正午时刻, 风力较小、天气晴朗、光线较好的时间段进行航拍工作, 以保障飞行器飞行姿态的稳定和较少阴影, 利于获得高质量的航片, 野外航拍工作如图 4。无人机低空遥感航拍数据为单张相片, 利用Infor软件将两个实验区的单幅照片进行影像拼接, 并进行投影校正得到实验区整幅航片。航拍数据采集的基本流程如图 5所示。

1.3.2 数据处理

得到实验区整幅航拍影像数据后, 采取以人工目视解译的方式对采集的航拍影像进行解译。根据正射影像及测区实地调研情况, 发现大沙鼠鼠洞洞口主要分布于沙丘、粘土和砾石3种类型的土地上。两幅不同实验区航拍影像上大沙鼠鼠洞表现出相似且明显的黑色斑块, 黑色斑块周围有亮度较高的凸起沙堆。大沙鼠为群居动物, 一窝大沙鼠拥有多个洞口, 如图 6。结合以上特征建立实验区鼠洞解译标志, 进行人工目视解译。

对目视解译后的鼠洞分布图设置缓冲区并添加趋势线, 分析鼠洞在空间格局上的分布规律以及鼠洞间的相互关系。利用低空遥感影像提取DEM图像, 提取研究区山地阴影与鼠洞叠加, 分析鼠洞与地形的相关关系。并利用格网GIS^[17-18]分析鼠洞洞群覆盖率。格网GIS方法是将格网作为GIS应用研究基本单位的一种新型研究手段。根据实验区范围、格网评价技术要求, 以及鼠洞分布特点, 确定格网大小为5m×5m。并采用ArcGIS软件的叠加分析功能, 将鼠洞分布图和格网图进行叠加分析。叠加分析后, 每一个鼠洞都被赋予了所在位置格网的标识码, 利用空间统计分析功能统计含鼠洞的格网数。

1.4 鼠害危害等级划分

对研究区整幅影像进行目视解译后得到大沙鼠鼠洞总体个数及分布状况后, 为判断研究区内大沙鼠的危害程度, 需进一步计算鼠洞洞群覆盖率。通过鼠洞洞群覆盖率对鼠害危害程度进行评估。洞群覆盖率计算公式为：

(1)

式中, C为鼠害危害区洞群覆盖率, S₁为研究区内鼠洞所占面积, S₂为研究区整体面积。

大范围鼠洞面积难以测量, 传统测量方式受人为因素影响, 计算结果误差较大, 本文利用ARCGIS软件空间分析功能, 以均匀格网作为基本单元, 用格网面积来代换鼠洞面积。

(2)

式中, C为鼠害危害区洞群覆盖率, n₁为研究区内含鼠洞格网数, n₂研究区整体格网数。

2 结果与分析

对研究区整幅影像进行目视解译并统计结果发现, 第一实验区共有鼠洞43125个, 第二实验区共有鼠洞607个(图 7)。

对目视解译后的鼠洞分布图进行缓冲区分析, 在鼠洞周围建立缓冲区, 以探究其鼠洞之间的相互关系(图 8)。

上图结果表明：建立缓冲区后鼠洞为成片状聚集。说明研究区内大沙鼠是以群居生活, 且多形成一个完整的鼠洞系统。

为探究研究区整体鼠洞的总体分布特征在鼠洞分布图上添加分布趋势线(图 9)。

上图结果表明：研究区鼠洞在空间分布上呈现出明显的带状分布趋势。为深入探究导致研究区内的鼠洞带状分布规律的驱动因素, 利用无人机低空遥感影像提取数研究区DEM图像。并利用GIS空间分析功能获取研究区山体阴影, 将研究区山体阴影与鼠洞叠加(图 10)。

上图结果表明：研究区内大沙鼠鼠洞沿地形呈现出带状分布趋势, 说明研究区内鼠洞与地形有着密不可分的关系。

利用GIS格网方法分析研究区洞群覆盖率, 在鼠洞分布图的基础上进行实验区格网化。剪裁后得到每个试验区的格网数目(图 11)。

第一实验区共建立46413个格网。第二实验区共建立987个格网。进行叠加分析后, 统计出第一实验区含鼠洞的格网数为9005个, 第二实验区含鼠洞的格网个数为186。利用式(2)计算得出第一实验区洞群覆盖率为19.4%, 第二实验区洞群覆盖率为18.8%。根据荒漠林大沙鼠监察调查办法(新疆维吾尔自治区地方标准DB65)中规定的大沙鼠发生危害程度分级标准(表 3), 将荒漠林大沙鼠危害程度按洞群覆盖率分为低密度、中等密度、中高密度、高密度、猖獗5个等级。

两个研究区的洞群覆盖率均在15%至20%之间。根据鼠洞洞群覆盖率划分标准, 古尔班通古特沙漠南缘的荒漠林的大沙鼠典型危害区的鼠害程度为高密度鼠害, 需要进行积极有效的防止措施。

3 讨论 3.1 无人机在鼠害调查中的运用

新疆鼠害严重发生区大多位于人迹罕至的区域, 在实际基层鼠害调查工作中, 基层单位多采取传统人工地面调查。贾举杰等^[14]利用洞口系数法计算样地内各狭颅田鼠的洞群数量, 并分析内蒙古典型草原区狭颅田鼠集群数量与被捕食风险的相互关系, 施大钊和张耀星^[19]、冯文武和阿地力·沙塔尔^[20]也对草原群聚鼠类洞口数量抽样方法的探讨。这些调查方法在大面积的鼠害调查中调查速度慢, 监测信息滞后, 调查人员主观性导致数据统计难等问题。地面堵洞、布夹等调查方法需参与的地面工作量十分巨大, 极难与遥感影像结合。在高速发展的今天, 仅依靠传统的人工调查早已难以满足鼠害信息的调查更新, 而洞群覆盖率不需大量的地面工作就可反应近期或稍远期大沙鼠对荒漠牧场的危害程度, 较易与无人机低空遥感结合研究荒漠林鼠害程度。

部分学者尝试运用卫星遥感影像尝试对草原鼠害进行统计调查, 徐正刚等^[21]运用MODIS遥感影像提取洞庭湖区的植被指数, 并根据植被指数变化评估该区域东方田鼠大暴发的危害。此研究反映出遥感影像较低的空间分辨率无法直接对鼠洞进行统计, 只能依靠植被指数等其他参数推算鼠害程度, 无法直接判定鼠害程度, 而高分辨率定制影像收费昂贵。因此此方法较适宜于鼠类种群变化剧烈且植被单一的区域, 适用性差。黄建文等^[7]利用TM影像, 对比天然梭梭林大沙鼠鼠害防治前后的土壤调节植被指数, 确定该研究区植被生长状况, 判断鼠害防止效果。在其数据选择过程中, 云层遮挡是极为致命的影响, 遥感卫星固定的重访周期, 这也极大的影响了鼠害调查的灵活性与影像时相的统一。众多不足也使基层生产单位难以将遥感卫星影像运用于实际鼠害调查工作当中。

本文利用无人机低空遥感对新疆维吾尔自治区古尔班通古特沙漠南缘的荒漠林大沙鼠典型鼠害区进行航拍, 获取空间分辨率为0.02m与0.024m的超高空间分辨率影像。在航拍工作中进行的航线设计主要包括：航拍飞行路线、航高、相机参数3个方面。航线设计时应注意起降点的选择：尽量选择无高大建筑物遮挡、电线、烟囱等有障碍物的区域, 避免障碍影响无人机安全飞行以及减少信号遮挡。无人机低空遥感运用于地面鼠害调查对于天气要求较多, 地面植被阴影会影响到影像的目视解译精度, 因此航拍时间应选择正午时刻, 风力较小、天气晴朗、光线较好的时间段进行, 以保障飞行器飞行姿态的稳定和较少阴影, 利于获得高质量的航片。对航拍影像目视解译后进行GIS格网化与叠加分析, 计算后获得鼠洞洞群覆盖率, 第一实验区洞群覆盖率为19.4%、第二实验区洞群覆盖率为18.8%。按照大沙鼠发生危害程度分级标准判定, 新疆古尔班通古特沙漠南缘研究区内的荒漠林大沙鼠典型鼠害区为高密度发生区。应针对高密度发生区因积极进行天敌防治和药物防治。两个研究区对比验证了利用无人机低空遥感影像计算洞群覆盖率的准确性, 从侧面也验证了运用无人机低空遥感在鼠害分析方面的普适性, 可以运用与不同区域, 不同面积的鼠洞调查中。相比传统人工地面调查鼠洞数量, 利用无人机低空遥感影像进行目视解译统计可以大大提高鼠洞调查的速度与准确度, 减少不同个体的主观性判断对整体鼠害数量统计的影响。在无人机航拍基础上可随机对研究区域采用堵洞盗洞等方法确定研究区有效洞口数。还可辅助进行地面调查法, 对航拍影像不清晰目视难以判读的区域进行地面补充调查。

3.2 鼠洞分布特征与地形相互关系

通过提取的鼠洞矢量数据进行缓冲区分析可以获得鼠洞分布的空间特征, 鼠洞缓冲区图中的鼠洞分布具有明显的聚集特征, 鼠洞大多为成片或成条、且其鼠洞多以鼠洞系统的形式分布于鼠害区, 若干鼠洞构成一个鼠洞系统。对于大沙鼠的防治和调查也因以洞群系统为单位, 可以有效的提高鼠害防治效率。

在鼠洞分布图中添加趋势线后, 研究区内鼠洞具有明显的呈带状分布特征, 将地形特征与鼠洞矢量图叠加后可以看出, 研究区内鼠洞多分布于坡地上, 地势平坦处鼠洞数量远远少于坡地上的鼠洞数量, 因此可以得出研究区鼠洞带状分布特征与当地的地形结构有着密不可分的关系, 也说明该研究区大沙鼠有着在沙坡上筑穴的生活习性。在鼠害的的防治过程中可以根据鼠洞的带状空间分布特征以及其群居特征, 可以对研究区进行针对性药物防治, 减少大面积药物碰洒防治所造成的巨额费用与生物毒素累积等情况。在布设弓形铗、平板铗、高原鼠兔铗等工具防治鼠害时也可根据其空间分布趋势进行布设, 提高鼠害防治效率。

4 结论

本文对无人机低空遥感在新疆草原鼠害中的运用进行了尝试, 并且对无人机低空遥感影像进行了处理分析得到以下结论：

新疆古尔班通古特沙漠南缘的荒漠林的大沙鼠典型危害区鼠洞洞群覆率达到18.8%—19.4%为高密度鼠害区, 急需进行科学有效的鼠害防治。且研究区鼠洞空间分布多呈现聚集特征, 且具有明显的带状空间分布特征, 其空间分布特征与地形有着紧密的关系。

无人机低空遥感与传统的人工地面调查相比具有的众多优势, 无人机所获取的低空遥感影像可通过GIS软件目视解译获取鼠洞的分布位置以及个数, 并计算研究区鼠洞洞群覆盖率。大大提高了调查效率。因此将无人机低空遥感影像运用到鼠害调查与防治中具有很好的应用前景。本次实验也成功的证实无人机低空遥感完全可以胜任鼠害调查工作, 为草原、林业鼠害调查防治提供新的思路。