基于無(wú)人機(jī)高光譜荒漠草原鼠洞識(shí)別方法研究

引言

草原鼠害主要是由于鼠類動(dòng)物終年打洞造穴、挖掘草根、大量啃食 牧草，促使土壤退化和草場(chǎng)退化，進(jìn)而造成可用草場(chǎng)面積減少，載畜量下降等問(wèn)題，給牧區(qū)和牧民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。不僅如此，鼠害的發(fā)生還常常伴有各種疾病的傳播，其中包括鼠疫、流行性出血熱、鉤端螺旋體等我國(guó)法定規(guī)定的傳染病，給人類的健康造成極 大的威脅。

我國(guó)是世界上草原資源最豐富的國(guó)家之一，草原總面積接近４００萬(wàn)ｋｍ２，位居全球第二。其中，內(nèi)蒙古自治區(qū)草原總面積達(dá)８８萬(wàn)ｋｍ２，占全區(qū)土地總面積的73.4％，是全國(guó)第三大牧區(qū)。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)蒙古自治區(qū)草原鼠害年均危害面積高達(dá)４.２萬(wàn)ｋｍ２，其中嚴(yán)重的危害面積高達(dá) 1.73萬(wàn)ｋｍ２之多。目前，大量的草 原鼠害發(fā)生不僅加劇草原退化進(jìn) 程，還會(huì)引發(fā)鼠疫。在２０１９— ２０２０連續(xù)兩年內(nèi)，內(nèi)蒙古地區(qū)均發(fā)生了鼠疫。由此可見(jiàn)，鼠害的發(fā)生不僅嚴(yán)重威脅著草原生態(tài)環(huán)境安全，還對(duì)人類的生命安全造成極大威脅。對(duì)此，加強(qiáng)鼠害監(jiān)測(cè)力度，構(gòu)建完整的鼠害監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)是有效治理草原退化和預(yù)防鼠疫發(fā)生的關(guān)鍵因素。

根據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《草原鼠荒地治理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，草原鼠 害監(jiān)測(cè)指標(biāo)以草原鼠洞口數(shù)為準(zhǔn)。進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的鼠洞數(shù)量分布 監(jiān)測(cè)，是有效地制定滅鼠措施和預(yù)防鼠疫發(fā)生的重要手段?，F(xiàn)階段 傳統(tǒng)的鼠害檢測(cè)主要以人工為主，其鼠洞數(shù)量的主要統(tǒng)計(jì)方法有：夾日法、定點(diǎn)觀測(cè)和標(biāo)志重捕法等。由于草原地域廣闊、鼠類眾 多、分布廣等因素，使得傳統(tǒng)的鼠洞數(shù)量統(tǒng)計(jì)存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高、適用面積小等諸多問(wèn)題。衛(wèi)星遙感對(duì)林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的應(yīng)用較多，形成了一套相對(duì)完整的理論技術(shù)基礎(chǔ)，但是 在草原鼠害檢測(cè)中 鮮有報(bào)道，其主要原因是衛(wèi)星遙感影像的分辨率較低，無(wú)法對(duì)于鼠 洞進(jìn)行識(shí)別。綜上所述，現(xiàn)階段對(duì)于鼠洞的識(shí)別多數(shù)采用影像分割 法或使用地面數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，容易造成遺漏、多識(shí)別、適用性不強(qiáng) 和識(shí)別精度低等問(wèn)題，在一方面也體現(xiàn)出遙感技術(shù)在鼠洞識(shí)別方面 的適用性和靈活性，為荒漠化草原鼠害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了可能。

本研究以四子王旗境內(nèi)的荒漠化草原鼠洞為研究對(duì)象，利用無(wú)人機(jī)攜帶高光譜成像儀進(jìn)行地表鼠洞樣本高光譜數(shù)據(jù)采集?；谑蠖醇?其他草原地物光譜特性，提出一種新的鼠洞指數(shù)（ＲＨＩ），以 實(shí)現(xiàn)荒漠化草原鼠洞的高精度識(shí)別。

材料與方法

2.1 研究區(qū)域

本研究的試驗(yàn)區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布 市的四子王旗境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)１１１．８８°、北 緯 ４１．７８°（如圖１所示），是長(zhǎng)爪沙鼠鼠疫自然疫源地， 屬于我國(guó)荒漠化草原的典型代表。

圖１試驗(yàn)區(qū)域

該區(qū)域氣候條件屬于典型的大陸性干旱氣候兼有山地氣候，年降水量在280ｍｍ 左右，海拔高度在1456ｍ，年平均氣溫在１—６ ℃。土壤類型以淡栗鈣土為主，草地類型為冷蒿、短花針茅及無(wú)芒隱子草，植被較為稀疏和低 矮。鼠類分布呈地區(qū)多樣性，在２００９—２０１９年間共發(fā)現(xiàn)鼠類１６種，主要種類是長(zhǎng)爪沙鼠、大沙鼠、達(dá)烏爾黃 鼠、子午沙鼠 等。其中，長(zhǎng)爪沙鼠居多，在 ２０１６—２０１９年密度呈逐年升高趨勢(shì)，是鼠疫的主要宿主。長(zhǎng)爪沙鼠不冬眠，主要在白天活動(dòng)，成年雌性長(zhǎng)爪沙鼠一年繁殖３—４胎，每胎平均５—６只，最多可達(dá)１２只。長(zhǎng)爪沙鼠每個(gè)洞系一般５—６個(gè)洞口， 多者達(dá)３０多個(gè)，形成洞群，居住洞又有倉(cāng)庫(kù)，多者６個(gè)以上，一般２—３個(gè)，１個(gè)倉(cāng)庫(kù)可存貯４—５ｋｇ牧草草穗，對(duì)草原植被破壞極大。

2.2數(shù)據(jù)獲取

采集時(shí)間選擇在中午11：00——13：00之間，天氣晴朗與無(wú)云霧遮擋，風(fēng)力低于３級(jí)（少風(fēng)或微風(fēng)）的條件下采集，以降低當(dāng)?shù)靥?氣氣候的干擾，確保每次數(shù)據(jù)采集環(huán)境誤差為最小。無(wú)人機(jī)飛行高度３０ｍ，空間分辨率2.3ｃｍ，拍攝試驗(yàn)區(qū)域總面積為2.5ｈｍ２，每個(gè)鼠洞樣本光譜圖像尺寸大小為６９６ｌｉｎｅ×７７５ｓａｍｐｌｅ×２５６ｂａｎｄ，且對(duì)每個(gè) 鼠洞樣方（樣方中利用小旗標(biāo)注鼠洞具體位置）拍攝不少于３次，以提高數(shù)據(jù)的可用性。

RHI的提出

將野外采集的鼠洞樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，導(dǎo)入軟件。通過(guò)像元純度指數(shù)算法分別提取出鼠洞、裸土、植被等３類地物的純凈像元，并繪制出鼠洞、裸土、植被反射率曲線，如圖２所示。

圖２ 鼠洞、裸土、植被反射率曲線

由圖２可以得出，草原植被的葉綠素對(duì)紅光吸收能力較強(qiáng)，因此在紅光波段附近有明顯的紅光吸收帶，反射率較低，隨著波長(zhǎng)的增加，植被反射率陡增。裸土與鼠洞在紅光波段并無(wú)上述特征，其中裸土在紅光波段附近的反射率較高，且隨著波長(zhǎng)的增加，反射率小幅上升，鼠洞在紅光波段附近反射率較低，且隨著波長(zhǎng)的增加，反射率無(wú)明顯變化。當(dāng)波長(zhǎng)到達(dá)近紅外波段附近時(shí)，植被反射率趨于平穩(wěn)，到達(dá)最大值，而裸土和鼠洞的反射率還呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。在紅光波段與近紅外波段之間，隨著波長(zhǎng)的增長(zhǎng)，各個(gè)地物的反射率均處于連續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)，曲線光滑，其中植被反射率變化最大，裸土次之，鼠洞最小。在從全波段上進(jìn)行分析，鼠洞在全波段上近似可以看成與水平軸平行的一條直線，與裸土和植被之間具有較大差異，其中在紅光波段附近３種地物之間的反 射率顯著性差異最為明顯。綜上所述，基于上述光譜曲線特征，建立 ＲＨＩ模型，具體公式為：

式中 ，ＩＲＨ為 鼠 洞 指 數(shù) ，ρＲ為 紅 波 段 ，ρＮＩＲ為 近 紅 外 波段。

分類結(jié)果與討論

4.1 分類結(jié)果

將采集的鼠洞樣本數(shù)據(jù)隨機(jī)選取１０個(gè)樣本，利用工具進(jìn)行 ＲＨＩ運(yùn)算（其灰度圖如圖３所示），為了減少不同波運(yùn)算所引起的誤差，在 ＲＨＩ運(yùn)算前分別對(duì)紅光波段與近紅外波段提?。保皞€(gè)波段進(jìn)行均值計(jì)算。隨后將ＲＨＩ運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行全部像元的閾值統(tǒng)計(jì)（ＲＨＩ部分樣本統(tǒng)計(jì)表如表１所示，表中：ＳＤ 為鼠洞樣本），得出 ＲＨＩ運(yùn)算后的閾值范圍在［０．００５０，０．９６８５］之間，為了減少誤差 ，將 經(jīng)ＲＨＩ運(yùn) 算 后 的 值 定 義 在 ［０，１］ 之間。

圖３ ＲＨＩ運(yùn)算灰度圖

利用工具對(duì)ＲＨＩ運(yùn)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行鼠洞與非鼠洞（植被、裸土）的像元提取，由于無(wú)人機(jī)拍攝高度較高，導(dǎo)致高光譜數(shù)據(jù)中鼠洞的像元占比較少，為了使鼠洞與非鼠洞的像元選取均勻，故選取每類像元數(shù)在０到１００之間，從而制作出兩類地物的感 興區(qū)域閾值統(tǒng)計(jì)如表２所示（表中：ＳＤ 代表鼠洞，Ｎ－ ＳＤ代表非鼠洞）

表１ ＲＨＩ部分樣本統(tǒng)計(jì)表

從表２中可以得出 ，鼠洞的閾值在０．０１４５— ０．１０６８ 之 間，平均值在 ０．０３４２—０．０９７０之間。非鼠洞的閾 值在０．１４５２—０．５９６１之 間 ，平 均 值 在 ０．２８６０—０．３７０２之間。鼠洞與非鼠洞兩類地物之間閾值無(wú)重疊，具有較強(qiáng)的可分性，鼠洞與非鼠洞的ＲＨＩ閾值分布如圖４所示。

圖４ 鼠洞與非鼠洞的 ＲＨＩ閾值分布

結(jié)合上述閾值區(qū)間，通過(guò)目視解譯法對(duì)感興區(qū)域內(nèi)的全部像元進(jìn)行閾值統(tǒng)計(jì)分析，從而尋找出鼠洞與非鼠洞的最佳閾值分界 在０．１０７０，因此得出鼠洞的閾值范圍為［０，０．１０７］，非 鼠洞（植被、裸土）的閾值范圍為［０．１０７，１］。

表２ 鼠洞與非鼠洞的感興區(qū)域閾值統(tǒng)計(jì)

為了驗(yàn)證該閾值的魯棒性，現(xiàn)利用該閾值對(duì)不同的鼠洞樣本進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該閾值對(duì)于鼠洞的識(shí)別效果好，能很好地提取出鼠洞?，F(xiàn)隨機(jī)選?。唇M樣本采用 ＲＨＩ進(jìn)行鼠洞識(shí)別。由于整個(gè)圖像尺寸過(guò)大，不利于鼠洞可視化的展示，故將識(shí)別后的圖像進(jìn)行局部放大與裁剪處理后進(jìn)行展示（ＲＨＩ鼠洞提 取效果可視化如圖５所示），

圖５ ＲＨＩ鼠洞提取效果可視化：（ａ）鼠洞識(shí)別預(yù)測(cè)圖；（ｂ）鼠洞樣本

可以得出 ＲＨＩ對(duì)于無(wú)人機(jī)高光譜的荒漠化草原鼠洞識(shí)別效果較好，能有效的消除其他地物的影響。

Ｋａｐｐａ系數(shù)是一種基于混淆矩陣來(lái)衡量分類精度的指標(biāo)?，F(xiàn)將余下的鼠洞樣方和隨機(jī)樣方，利用感興區(qū)域通過(guò)目視解譯法分別提取出鼠洞與非鼠洞（植被、裸土）特征，制作掩膜文件和統(tǒng)計(jì)數(shù)值。對(duì)鼠洞樣本進(jìn)行ＲＨＩ運(yùn)算，利用本文所得出的閾值區(qū)間分類出鼠洞與非鼠洞的掩膜文件，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，完成基于ＲＨＩ的混淆矩陣表，如表３所示。

表３ 基于ＲＨＩ的混淆矩陣表

由于無(wú)人機(jī)拍攝高度較高，對(duì)于鼠洞的像元占比較少，故對(duì)于非鼠洞的像元只提?。常玻秱€(gè)像元，以提高精度驗(yàn)證的可靠性。通過(guò)計(jì)算得出，總體識(shí)別精度 達(dá)９７％，Ｋａｐｐａ系數(shù)可達(dá)０．９３。結(jié)果表明，ＲＨＩ的提 出，進(jìn)一步提升了鼠洞的識(shí)別精度和效率。

4.2 討論

由圖５和表３可知，本研究所提出的 ＲＨＩ對(duì)荒 漠化草原鼠洞的識(shí)別有較好的適用性，特征分類精度高。主要原因在于以下幾個(gè)方面：通過(guò)對(duì)光譜曲線做非線性放大處理后，反射率值提升到１以上的同時(shí)維持了各個(gè)地物光譜曲線的特征，這為后續(xù)進(jìn)行荒漠化草原鼠洞地物的提取提供了有效保證。鼠洞的光譜曲線與其他地物光譜曲線相比，無(wú)較大的波動(dòng)，在全波段上可看作一條水平直線，且反 射率數(shù)值較小，而其他地物光譜曲線在全波段上具有較大波動(dòng)，反射率較大。使得各個(gè)地物在做ＲＨＩ運(yùn)算時(shí)，鼠洞的變化最小，相對(duì)于其他地物具有較強(qiáng)的可分性。

本文所提出的ＲＨＩ中，調(diào)整了ＲＶＩ指數(shù)中紅波段與近紅外波段的比值順序，在此基礎(chǔ)上又增加一步運(yùn)算，即近紅外波段減１操作。這讓整個(gè)高光譜圖像在做ＲＨＩ運(yùn)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果有效地控制在０—１之間，使得鼠洞的計(jì)算結(jié)果值最小，進(jìn)而有效的將鼠洞與 陰影區(qū)分開(kāi)，完成漠化草原鼠洞 的 高 精 度識(shí)別。

為了更進(jìn)一步地驗(yàn)證本研究所提的ＲＨＩ，現(xiàn)選?。撤N常用的植被指數(shù)做比較，即歸一化植被指數(shù)、 土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)、比值植被指數(shù) 。對(duì)于數(shù)據(jù)預(yù)處理采用與ＲＨＩ計(jì)算規(guī)則相同的處理方法，隨后分別將樣本帶入不同的植被指數(shù)模型對(duì)總體精度（ＯＡ）與 Ｋａｐｐａ 系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，不同植被指數(shù)分類精度比較如表 ４ 所示。

表４ 不同植被指數(shù)分類精度比較

由表４可知，對(duì)于無(wú)人機(jī)高光譜荒漠化草原鼠洞的識(shí)別，現(xiàn)有的植被指數(shù)識(shí)別總體精度均在６５％ 左右，無(wú)法達(dá)到荒漠化草原鼠洞的識(shí)別要求。而本研究所提出的ＲＨＩ模 型，識(shí) 別 總 體 精 度 達(dá) ９７％， Ｋａｐｐａ系數(shù)在０．９３，相對(duì)于前面３種植被指數(shù)總體精度分別提高了３０％、３１．８％和３０．４％，Ｋａｐｐａ系數(shù)分別提高了０．５３、０．５６和０．５４。以上結(jié)果表明，ＲＨＩ的提出，對(duì)于無(wú)人機(jī)高光譜荒漠化草原鼠洞的識(shí)別具有較強(qiáng)的適用性，能對(duì)荒漠化草原鼠洞進(jìn)行有效的識(shí)別與分類。

結(jié)論

目前，現(xiàn)有的植被指數(shù)對(duì)于荒漠化草原鼠洞的識(shí)別精度較差，無(wú)法有效的提取荒漠化草原鼠洞。本文利用無(wú)人機(jī)攜帶高光譜儀進(jìn)行荒漠化草原鼠洞的數(shù)據(jù)采集，提出 ＲＨＩ模型針對(duì)荒漠化草原鼠洞識(shí)別，研究發(fā)現(xiàn)，ＲＨＩ指數(shù)模型相對(duì)于ＤＮＶＩ、ＳＡＶＩ、 ＲＶＩ等指數(shù)模型具有較高的識(shí)別效果，計(jì)算得出鼠洞的閾值區(qū)間在［０，０．１０７］，非鼠洞（植被、裸土）的閾值區(qū)間在［０．１０７，１］，該閾值具有較好的泛化能力，能有效地提取各個(gè)樣本的鼠洞。經(jīng)精度驗(yàn)證得出，總體識(shí)別精度達(dá)９７％，Ｋａｐｐａ系數(shù)可達(dá)０．９３。ＲＨＩ指數(shù)的提出，彌補(bǔ)了現(xiàn)有植被指數(shù)對(duì)鼠洞識(shí)別上的不足，克服了空中數(shù)據(jù)對(duì)草原鼠洞分類難的問(wèn)題，有效 地提高草原鼠洞的識(shí)別精度和效率。鼠害監(jiān)測(cè)還需考慮鼠洞是否為有效鼠洞，在今后將考慮 ＲＨＩ識(shí)別規(guī)則結(jié)合其他輔助工具對(duì)草原鼠 害進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為預(yù)防鼠疫、草原恢復(fù)、鼠害防治等提供幫助。

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審核編輯 黃宇