基于无人机的东北鼢鼠种群数量调查最佳尺度选择

孙珊珊，满都呼，伟 军，朝克图，阿 焱，张 恒，付和平,5，武晓东，袁 帅

（1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院 / 啮齿动物研究中心，内蒙古 呼和浩特 010011；2.内蒙古自治区呼伦贝尔市草原工作站，内蒙古 呼伦贝尔 021008；3.内蒙古自治区鄂温克族自治旗草原工作站，内蒙古 呼伦贝尔 021100；4.内蒙古自治区正镶白旗草原工作站，内蒙古 锡林郭勒 013800；5.内蒙古农业大学生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010011）

呼伦贝尔草原总面积997.3 万hm2，是内蒙古最重要的草甸草原生态系统，其生物多样性丰富，是我国草产业以及畜牧业发展的重要基地[1]。近年来，呼伦贝尔草原出现草地区域性退化的现象，造成这一现象的原因除了气候变化和草地过度利用以外，草原鼠害也是重要的原因之一。东北鼢鼠(Myospalax psilurus)是呼伦贝尔草甸草原主要害鼠之一，是一类常年营地下生活的啮齿动物。为获取食物、繁殖和寻找合适的栖息地，东北鼢鼠会在地下挖掘土壤并推至地表, 形成土丘，加剧草地退化，造成草地生产力下降，从而制约了畜牧业的可持续发展[2-3]。因此，及时获取东北鼢鼠种群数量及动态，对于预测其危害显得尤为重要。

由于东北鼢鼠常年栖息于地下，使用常规地上鼠数量调查法难以统计其种群数量，目前地下鼠种群数量调查方法包括人工捕尽法、土丘计数法等，但不适于草原地下害鼠大面积调查[4-5]。已有研究表明，鼢鼠数量与地上土丘数量间存在正相关关系[6-7]，但对大面积土丘数量进行调查时，不仅需要消耗大量的人力、物力，而且存在统计数据困难、调查周期长、实时性差的缺点。

无人机在野外工作时不仅采样周期短，而且能提供多角度、高分辨率影像，还可及时进行动态分析，具有受地面条件限制少、获取信息量大、探测范围广等技术优势[8]。近年来，随着无人机技术的不断成熟和普及使用，已有不少学者将无人机技术应用于啮齿动物调查中[9-14]，内容大都集中于对鼠害评定、监测以及鼠洞的识别。在种群数量调查方面，无人机主要应用于较大型野生动物及鸟类[15-23]，在小型哺乳动物尤其是啮齿动物种群数量调查方面应用较少。因此，本研究使用无人机航拍和地面实地调查相结合的方法，并采用不同飞行高度和拍摄面积进行航拍，一方面确定本研究所用型号无人机在东北鼢鼠种群数量调查中的最佳航拍高度，另一方面确定无人机在东北鼢鼠种群数量调查中的最小取样面积，并提供无人机在地下鼠种群数量调查中的技术方法。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于内蒙古自治区额尔古纳市、陈巴尔虎旗、鄂温克族自治旗境内草甸草原，气候类型为温带大陆性季风气候，年平均气温在0 ℃以下，春季干燥风大，夏季温凉短促，秋季气温骤降，冬季寒冷漫长，雨热同期。主要植物有贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、羊草(Leymus chinensis)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、日阴菅(Carex pediformis)等。

1.2 无人机参数设置

本研究使用大疆精灵3 Professional 无人机对样地进行航拍。该无人机为四旋翼飞行器，工作环境温度0～40 ℃，最大水平飞行速度16 m·s−1，最大上升速度5 m·s−1，最大下降速度3 m·s−1，单块电池飞行时间约23 min，信号有效距离2 000 m，搭载4 k 镜头，照片最大分辨率为4 000 × 3 000。

1.3 试验设计

2017年9月在呼伦贝尔草甸草原区进行无人机航拍，包括额尔古纳市(1 个航拍样地)、陈巴尔虎旗(7 个航拍样地) 和鄂温克族自治旗(5 个航拍样地)(图1)。以上航拍样地，分别设置了3 个面积为30 m ×30 m 的固定样方，样方内人工测定土丘数量，随后，分别在30、50、100、150 和200 m 高度进行航拍数据采集(图2)，每个地点及高度重复拍摄3 次，共获取有效航片195 张。对航片进行目视解译，选择8 名有着长期野外调查经验的专业人员对航拍影像进行判读，标记出错判、漏判图斑，最终确定其是否为鼢鼠土丘。统计航片中样方内土丘数量，并结合人工地面调查土丘数量，计算无人机土丘识别度(式1)，进行最优航拍高度的分析。以30 m 航片提取土丘数量为依据计算每公顷识别土丘数量，根据50、100、150 和200 m 航拍高度下土丘识别度依次计算每公顷未识别土丘数量，对不同航拍面积中未识别到的土丘数量进行校准。使用巢式样方对数模型[24-25](式2)，对航拍面积与不同区域鼢鼠土丘密度进行回归分析，确定最小取样面积。

图1 呼伦贝尔草甸草原无人机航拍点示意图Figure 1 Map of the aerial photography locations in the meadow grasslands of Hulunbuir

图2 不同航拍高度下土丘实拍Figure 2 Actual images of mounds photographed from different aerial heights

式中：a 和b 为常数，S为土丘数量，A为取样面积。

1.4 数据分析

使用Excel 进行初期数据处理；使用SPSS 14.0软件对航拍高度和土丘识别度进行单因素方差分析(ANOVA)；利用SigmaPlot 14.0 软件对航拍高度和土丘识别度进行作图，对航拍面积与鼢鼠土丘密度进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同航拍高度与土丘识别度的关系

不同航拍高度下土丘识别度的结果显示，无人机在30 m 高度航行时，土丘识别度最高，50 m 航拍高度土丘识别度与30 m 无显著差异(P> 0.05)，与100、150 和200 m存在显著差异(P< 0.05)，100 和150 m 之间无显著差异(P> 0.05)，但与200 m 存在显著差异(F= 28.57，P< 0.05) (图3)。结果表明，航拍高度为30 m 时，无人机识别土丘正确率最高，航拍高度50 与30 m 无显著差异。因此，本型号无人机最佳航拍高度为50 m。

图3 不同航拍高度的土丘识别度Figure 3 Degree of mound recognition at different aerial heights in Ergun city

2.2 不同航拍面积与土丘密度的关系

基于航拍高度与航拍面积的关系(表1)，对航拍面积与校准前后不同区域土丘密度进行回归分析。结果显示：额尔古纳市航拍面积为2.210 hm2时，航拍土丘密度多且稳定，校准后，航拍面积超过2.210 hm2时土丘密度随航拍面积增大而缓慢增加(图4)。陈巴尔虎旗各航拍工作地点土丘密度随航拍面积的增加而增长，且在航拍面积为0.205 和0.569 hm2时土丘密度增加趋势明显，在航拍面积为2.210 hm2时土丘密度增长趋势变缓(图5)。鄂温克族自治旗无人机识别土丘密度增长趋势与陈巴尔虎旗相似，均在航拍面积为2.210 hm2时到增长拐点(图6)。

表1 无人机航拍高度与对应航拍面积Table 1 UAV aerial photography heights and corresponding aerial photography areas

总体看，每个航拍点的土丘密度均随无人机航拍面积的增加而增加，且随面积的增加增速变慢，无人机最理想取样面积应为2.210 hm2(图4 至图6)。

图4 额尔古纳市航拍面积与土丘密度拟合曲线Figure 4 Fitted curve between the aerial photography area and the mound density in Ergun City

图5 陈巴尔虎旗航拍面积与土丘密度拟合曲线分析Figure 5 Analysis of the fitted curves between the aerial photography area and the mound density in Chen Barhu Banner

图6 鄂温克族自治旗航拍面积与土丘密度拟合曲线分析Figure 6 Analysis of the fitted curves between the aerial photography area and mound density in Ewenki Autonomous Banner

3 讨论

本研究航拍时间选择为2017年9月，当地已进入秋季，牧草枯黄，可以减少植被和植被阴影对土丘识别度的影响。其次，9月是东北鼢鼠活动高峰期[26-27]，适合用土丘计数法来调查鼢鼠种群相对数量[28]。

孙迪等应用无人机对新疆北部地区荒漠草原黄兔尾鼠(Eolagurus luteus)鼠洞进行监测，认为航拍高度低于54.8 m 时可以准确识别鼠洞[29]，与本研究结果相似。花蕊利用无人机对高原鼠兔(Ochotona curzoniae)鼠洞进行航拍最佳高度为20 m[30]。与本研究结果不同的原因在于两种鼠类的鼠洞和土丘直径存在较大差异。高原鼠兔鼠洞直径平均在7.1 cm左右，而东北鼢鼠土丘直径在30～110 cm，在航拍影像中识别点的面积不同，进而造成航拍最佳高度的差异。

最佳航拍高度基于土丘识别度确定，土丘识别度取决于无人机航拍土丘数量和人工调查土丘数量，无人机航拍土丘数量的提取受无人机型号、搭载平台等的影响。因此，50 m 是此型号无人机最佳航拍高度，但研究中航拍高度的确定方法可以应用与任何无人机。最小取样面积的确定是基于巢式样方的思想，其主要用于估算群落或区域的物种多样性以及确定群落的最小取样强度[31]。本研究将其应用于东北鼢鼠土丘数量调查中，并确定无人机航拍最小取样面积为2.21 hm2，是使用无人机技术对东北鼢鼠土丘数量进行调查时最理想的取样面积。最小取样面积的确定使研究人员在野外调查时不必在大于该面积的范围外进行不必要的取样，也可避免在低于最小面积的取样时低估东北鼢鼠的土丘数量。

新土丘更能反映地下啮齿动物的种群数量动态变化[32]。航拍图片中的新旧土丘不易识别，而土壤水分含量和植物群落组成在新旧土丘上均不同[33-34]。高光谱遥感可以根据植被反射的光谱值以及土壤和植被的混合光谱对新旧土丘进行解译与判别[35-36]，后期使用无人机航拍调查时，可以搭载高光谱或多光谱相机等传感器，进一步分辨新旧土丘。 目前，研究人员主要采用目视及机器学习方法解译航拍影像。目视解译虽然准确率得到保证，但受解译人员素质等人为主观因素的影响，且增加了处理数据的工作量。机器学习方法虽然一定程度上排除了人为主观因素的影响，但准确率方面相比目视解译存在较大的改进空间。已有学者将机器视觉与无人机遥感相结合的方法应用于生物监测方面的研究[37-38]，二者结合能够在保证准确率的基础上提高效率。后续研究中，可以采用机器视觉与无人机遥感相结合的方法来提高采集数据的精确度及航拍影像处理能力。

4 结论

本研究运用无人机航拍技术对呼伦贝尔草甸草原东北鼢鼠种群相对数量进行调查，得出以下结论：

1) 土丘识别度随航拍高度增加而降低。航拍高度为30 m 时，土丘识别度最高，50 和30 m 无显著差异。据此，无人机最佳航拍高度为50 m。

2) 各航拍点土丘密度随航拍面积增大而增加。航拍面积为0.205 和0.569 hm2时土丘密度增加趋势明显，航拍面积为2.21 hm2时土丘密度出现增长拐点。因此，最小取样面积为2.21 hm2。

致谢：本研究得到了内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗、鄂温克族自治旗草原工作站的大力支持，课题组研究生杨素文、纪羽、李鑫、徐凯、张昊婷、杨可、商正昊妮、白钧元、刘启富等的帮助，在此表示感谢。