基于無(wú)人機的榆樹(shù)疏林草原植被類(lèi)型劃分和覆蓋度生長(cháng)季動(dòng)態(tài)估計

DOI：?10.5846/stxb201803300694

韓東，王浩舟，鄭邦友，王鋒. 基于無(wú)人機和決策樹(shù)算法的榆樹(shù)疏林草原植被類(lèi)型劃分和覆蓋度生長(cháng)季動(dòng)態(tài)估計. 生態(tài)學(xué)報， 2018， 38（18）：6655-6663

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基于無(wú)人機和決策樹(shù)算法的榆樹(shù)疏林草原植被類(lèi)型劃分

和覆蓋度生長(cháng)季動(dòng)態(tài)估計

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韓東¹，王浩舟^1,2，鄭邦友³，王鋒^1，*

1? 中國林業(yè)科學(xué)院荒漠化研究所，北京 ??100091

2? The Faculty of Forestry & Environmental Management,?University of New Brunswick,?Fredericton,?NB E3B 5A3,?Canada

3? CSIRO Agriculture and Food,?Queensland Biosciences Precinct 306 Carmody Road,?St Lucia,?4067,?QLD,?Australia

摘要：

植被覆蓋度是評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與植被生長(cháng)的重要指標，也是全球眾多陸面過(guò)程模型和生態(tài)系統模型中表達植被動(dòng)態(tài)的重要參數。衛星遙感和地面測量是估算植被覆蓋度的常見(jiàn)方法。然而，如何精確估計榆樹(shù)疏林草原上木本、草本不同類(lèi)型植被的覆蓋度仍然具有挑戰性。無(wú)人機飛行系統有效的補充了區域尺度低空間分辨率的衛星遙感影像與樣地尺度實(shí)地調查之間的缺口，為精確的監測、評估疏林草原的植被動(dòng)態(tài)提供了新途徑。利用無(wú)人機監測平臺和決策樹(shù)算法構建了一套快速、準確、自動(dòng)獲取景觀(guān)尺度植被類(lèi)型和估算植被覆蓋度的自動(dòng)化工具，以渾善達克沙地榆樹(shù)疏林草原為對象，應用無(wú)人機監測平臺對榆樹(shù)疏林草原長(cháng)期定位監測大樣地2017年生長(cháng)季植被狀況進(jìn)行7次監測。

結果表明：

1）無(wú)人機植被監測平臺數據飛行高度100 m，獲取的樣地數字正射影像空間分辨率為2.67 cm/像元，遠高于高分衛星影像，利用決策樹(shù)算法基于數字正射影像可以實(shí)現自動(dòng)劃分榆樹(shù)疏林草原木本和草本植被類(lèi)型和估算植被覆蓋度；

2）生長(cháng)季內榆樹(shù)疏林草原木本植被覆蓋度為（19±2）%，草本植被覆蓋度為（50±8）%，植被總覆蓋度為（69±9）%，相對于木本植被，草本植被生長(cháng)季內蓋度變幅較大；

3）在整個(gè)生長(cháng)季中，木本植被和草本植被對植被總覆蓋度的平均貢獻率分別為27%和73%，草本植被對植被總蓋度的貢獻遠大于木本植被，榆樹(shù)疏林草原植被的蓋度主要受草本植被的影響。本研究證明無(wú)人機監測平臺是一種高效、準確的植被監測工具，結合機器學(xué)習算法，實(shí)現了景觀(guān)尺度植被類(lèi)型的自動(dòng)劃分和不同類(lèi)型植被覆蓋度快速獲??；在渾善達克沙地榆樹(shù)疏林草原地區首次獲取了木本植被和草本植被覆蓋度的生長(cháng)季動(dòng)態(tài)。該平臺未來(lái)可應用于各種類(lèi)型生態(tài)系統植被類(lèi)型劃分、監測和評估。

圖 １　 中國內蒙古自治區渾善達克沙地榆樹(shù)疏林草原長(cháng)期原位監測大樣地

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圖 ２　 基于無(wú)人機監測平臺和機器學(xué)習算法分析木本、草本植被類(lèi)型

和覆蓋度估算工作流程圖

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圖 ３　 渾善達克沙地榆樹(shù)疏林草原長(cháng)期定位監測大樣地2017年生長(cháng)季不同時(shí)期正射數影像（分辨率：2.67ｃｍ/像元）和植被分類(lèi)結果

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圖 ４　 渾善達克沙地榆樹(shù)疏林草原長(cháng)期定位監測大樣地2017年生長(cháng)季木本植被，草本植被和植被總植被覆蓋度動(dòng)態(tài)

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圖 ５　 2017年渾善達克沙地榆樹(shù)疏林草原長(cháng)期定位監測大樣地生長(cháng)季不同時(shí)間木本植被和草本植被對總植被覆蓋度的貢獻

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本研究構建的無(wú)人機植被監測平臺主要包括飛行方案規劃、原始影像獲取、基礎數據產(chǎn)品生產(chǎn)和圖像自動(dòng)分析。研究首次獲取了渾善達克沙地榆樹(shù)疏林草原生態(tài)系統木本植被和草本植被覆蓋度的生長(cháng)季動(dòng)態(tài)，結果表明該生態(tài)系統植被總覆蓋度的變化主要受草本植被的影響。對榆樹(shù)疏林草原生態(tài)系統植被生長(cháng)季動(dòng)態(tài)觀(guān)測證明，無(wú)人機植被監測平臺是一種高效、準確的植被監測工具，未來(lái)也可應用于其他各種類(lèi)型生態(tài)系統植被的監測和評估。

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基于無(wú)人機和決策樹(shù)算法的榆樹(shù)疏林草原植被類(lèi)型劃分和覆蓋度生長(cháng)季動(dòng)態(tài)估計