“现在工作人员只需点一下鼠标，停放在呼伦贝尔无人机站的无人机就会起飞，并按照预设航线和点位、飞行高度、采集时悬停的时长、要求的照片像素等要求进行数据采集，飞完后我们马上就可以远程看到采集的数据质量。”生态环境部卫星环境应用中心（以下简称卫星中心）副主任周海丽说。
无人机遥感是继航空、航天遥感之后的第3代遥感技术，以机动灵活、载荷丰富、高分辨率、高效率和低成本的优势，在生态环境监测领域得到广泛应用，与地面调查和卫星遥感形成了有益互补。卫星中心自2021年起承担了“十四五”重点研发项目，草地生物多样性智慧化遥感监测为其重点研究内容之一。生态环境部卫星环境应用中心首席科学家高吉喜说：“我们以草地生物多样性为研究对象，充分发挥无人机新质生产力作用，服务生态质量评价与生态安全管理。”
无人机草地物种识别为大范围生物多样性全面监测提供了可能
我国草地面积广阔，约占国土面积的40%，且草地类型多样，包括草甸草原、典型草原、荒漠草原等。高吉喜介绍道：“传统草地生物多样性监测主要以人工调查为主，不仅工作量大、耗时长、监测成本高，且非常依赖专家知识，较难实现标准化，亟需提高自动化、智能化水平。”
据了解，传统草地生物多样性监测，需要专业人员到现场布设一批1米见方的草地样方，采用人工方式对每株植物的种类进行记录，获取物种信息，再将植物刈割带回实验室获取生物量等数据，这样不仅会对草地造成一定程度的破坏，且部分偏远样地难以到达，影响了监测结果的代表性。
2021年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步加强生物多样性保护的意见》明确提出，“加快卫星遥感和无人机航空遥感技术应用，探索人工智能应用，推动生物多样性监测现代化”。目前，用无人机或固定点位红外相机拍照识别动物物种已经有诸多探索，但用无人机拍照识别植物，还鲜有涉及。
“我们充分应用无人机技术，联合相关载荷研制单位，牵头研制了草地生物多样性调查专用机载多光谱相机、高光谱相机及配套软件。” 卫星中心生物多样性遥感监测评估中心部门主任万华伟说：“我们根据不同草原的代表性，选取了在呼伦贝尔草甸草原、锡林郭勒典型草原、鄂尔多斯荒漠化草原等地建立试验区，反复调校拍摄高度、精度，以确定可以进行草地植物物种识别所需要的无人机调查最优方式，并形成了标准化流程。”
据了解，目前通过无人机已经采集了包括可见光、激光雷达点云、各尺度的多光谱影像、高光谱影像，再配套地面获取的样方、物种的高清照片，形成一套覆盖典型草原植物物种的数据集。借助遥感影像处理和机器学习技术，对无人机获取的遥感影像进行物种分类、关键生态参数反演等分析，就能够获得丰富的草地植物多样性量化信息。
“我们对草原植物物种组成、草场长势及其健康状况等进行跟踪监测，并建立草原基础数据库，实现了对草原牧草生长、植被覆盖度及草原‘三化’情况的动态监测，及时准确掌握各阶段草原植被生长及草原利用情况，科学评价草原生态系统健康状况。”卫星中心生物多样性遥感监测评估中心卢龙辉说。
“经过反复试验，无人机遥感技术能够快速高效采集大面积区域草地可见光、多光谱与高光谱影像数据，结合建立的生物多样性信息提取模型，进一步得到关键物种组成和分布信息，在大范围植物多样性调查中具有高效、精确和覆盖面广的优势。”万华伟说，未来可有效提高生物多样性监测预警能力，更好服务区域生态质量评价和生态安全评估工作。
大数据、AI技术为无人机生物多样性信息提取技术路径
“无人机能够获取毫米级数据，目前我们在呼伦贝尔草甸草原、锡林郭勒典型草原、鄂尔多斯荒漠化草原采集到了大量草地植物形态和光谱数据，形成了海量的样本库。”卫星中心生物多样性遥感监测评估中心肖翠说。物种多样性信息提取的精确程度、自动化程度和效率主要取决于样本库的代表性和模型构建，离不开大数据、AI等技术加持。
据了解，卫星中心牵头构建的地面调查植物形态和光谱特征数据库中，地面样方调查植物43科104属152种，获取植物图像1万余张；无人机遥感调查草地植物形态特征和光谱特征数据库中，无人机采集草地物种图片1.9万张，截取单个物种植物图片最终形成超40万张的无人机遥感调查草地植物形态和光谱特征数据集。而这些数据，需要通过深度学习的数据分析模型，将无人机采集到的信息与观测地物目标联系起来，定量反演或推算草地的生态属性信息。
“建立草地物种智能识别模型与生物多样性关键参数反演模型，基于激光雷达、无人机多光谱、可见光等数据，可以实现对草地物种高精度识别、草地植物高度、植被覆盖度、植被生物量等关键生态参数的反演。”卫星中心生物多样性遥感监测评估中心王永财说。
据介绍，卫星中心草地物种智能识别模型与生态关键参数反演模型，利用AI目标检测、深度学习网络模型、回归分析法、线性混合像元分解法（二分法）和机器学习（随机森林）等模型方法建构完成。目前，已构建起草地植物物种无人机图像目标检测和智能识别的规范化流程，并已在呼伦贝尔草甸草原、锡林郭勒典型草原等地开展了示范应用，实现了60个草地物种识别准确率超过85%，反演了呼伦贝尔草甸草原样地、锡林郭勒典型草原样地、鄂尔多斯荒漠草原样地植物高度、盖度与生物量，精度均高于90%。
“为进一步深化无人方式草地生物多样性调查技术应用，我们还专门研制了履带式无人车与四足机器人等草地生物多样性地面移动观测平台，突破了无人车路径规划与导航技术、障碍物检测技术和机械臂技术等多项关键技术的融合。”卫星中心生态部高海峰说，这为进一步在更复杂区域、更多植被类型中利用进行生物多样性调查提供了技术探索。
“目前，卫星中心开发的草地生物多样性参数反演软件系统已融合卫星、航空、地面激光雷达等多源数据，形成了包括样带—样地—样方数据管理、遥感数据预处理、物种智能识别与草地参数反演模块，各模块均可独立运算和工作，为草地生物多样性遥感监测业务化运行提供系统平台支撑。”周海丽说。
加强体制机制建设，培育全国无人机遥感监测力量
“卫星中心承担着全国生态环境遥感监测的政策规划、管理制度、标准规范的研究与拟订工作，负责生态环境遥感监测业务体系、技术体系的建设与运行。”周海丽说：“我们将进一步推动生物多样性无人机遥感监测的规范化与标准化，同时系统布设一批无人机遥感监测生物多样性大样地，并加强基层无人机遥感监测能力的培育。”
据了解，为强化生物多样性无人机监测，卫星中心牵头起草《草地植物多样性无人机调查技术规范》（团体标准，以下简称《技术规范》），已由中国环境科学学会于2023年12月20日正式发布。《技术规范》规定了草地植物多样性无人机调查的调查程序、调查准备、数据采集与预处理、植物多样性调查参数获取、成果整理与归档等技术要求，为规范化开展草地生物多样性无人机快速调查和监测提供了技术依据。
“在已有《技术规范》基础上，卫星中心还将进一步围绕全国生态质量评价与生态安全中有关生物多样性遥感监测和监管需求，建立生物多样性无人机遥感监测技术行业标准，推动全国范围内生物多样性监测数据的标准化，提高数据的一致性与共享水平。”周海丽说。
“形成稳定、高效的无人机遥感监测能力，依赖于相关技术的研发应用，也依赖于丰富的基础数据。”万华伟说，同时无人机遥感监测技术也可以大幅减少地方生态环境部门实施生物多样性监测的人力成本，因此开展无人机操作技术与遥感数据处理分析技术培训，通过系统的实践提高基层部门无人机遥感监测技能和数据分析能力，将有助于形成生物多样性无人机遥感监测业务化应用体系。
“未来，卫星中心将进一步加强生物多样性无人机遥感监测技术示范，构建集数据采集、处理、分析和展示于一体的生物多样性无人机遥感监测系统，助力建设互联互通生物多样性数据共享平台，提升我国生物多样性监测的数智化水平，为点靓美丽中国贡献遥感力量。”周海丽说。
原题：草地生物多样性监测的新质生产力：无人机+AI
来源 | 中国环境
作者 | 中环报记者秦超
生态环境部卫星环境应用中心
欢迎关注
