Ecodrone®無人機(jī)遙感技術(shù)在藻類研究監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

無人機(jī)遙感技術(shù)，以其快速響應(yīng)和高效覆蓋，為湖泊及水域水華分布提供了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。通過分析特定波長(zhǎng)的光譜反射率信號(hào)來識(shí)別水體中藻類的種類和豐度等信息，從而對(duì)水華現(xiàn)象進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和預(yù)警，還能夠同步監(jiān)測(cè)水體透明度、懸浮物、總氮、總磷等多個(gè)水生態(tài)環(huán)境參數(shù)。無人機(jī)遙感技術(shù)不僅能夠提供藻類水華的空間分布特征，還能對(duì)研究區(qū)大型藻類高度和生物量進(jìn)行評(píng)估，有助于精確藻類識(shí)別、大型藻類生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)、藻華監(jiān)測(cè)、高度及生物量評(píng)估，為水環(huán)境管理和保護(hù)提供更加有效的工具。

易科泰公司設(shè)立有光譜成像與無人機(jī)遙感技術(shù)研究中心，基于自主研發(fā)設(shè)計(jì)Ecodrone®品牌4旋翼輕便型無人機(jī)和8旋翼無人機(jī)專業(yè)遙感平臺(tái)及云臺(tái)，搭載高光譜、多光譜、Thermo-RGB以及高精度測(cè)深LiDAR等，組成完整的Ready-to-fly一體式無人機(jī)系統(tǒng)，具備系統(tǒng)高精度、高分辨率成像、三維點(diǎn)云高密度以及一機(jī)多能等特點(diǎn)，為藻類研究與監(jiān)測(cè)提供全面的低空遙感技術(shù)解決方案。

ü Ecodrone®輕便型一體式多光譜-紅外熱成像無人機(jī)遙感系統(tǒng)

ü Ecodrone®一體式高光譜-激光雷達(dá)無人機(jī)遙感系統(tǒng)

ü Ecodrone®一體式高光譜-紅外熱成像無人機(jī)遙感系統(tǒng)

ü Ecodrone®一體式高光譜-紅外熱成像-激光雷達(dá)無人機(jī)遙感系統(tǒng)

ü Ecodrone®水深與地形測(cè)量LiDAR無人機(jī)遙感系統(tǒng)

應(yīng)用案例1：藍(lán)藻水華豐度及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

藍(lán)藻是廣泛分布的光合微生物群體，通常在溫暖、營(yíng)養(yǎng)豐富的淡水和咸水湖泊中占主導(dǎo)地位。藍(lán)藻已知能產(chǎn)生多種毒素，是全球飲用水和灌溉水源以及漁業(yè)的主要威脅因素。因此，藍(lán)藻的相對(duì)豐度參數(shù)被認(rèn)為是內(nèi)陸和沿海水域質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，量化藍(lán)藻的相對(duì)豐度有助于環(huán)境機(jī)構(gòu)、水務(wù)部門、公共衛(wèi)生組織等機(jī)構(gòu)及時(shí)發(fā)出藍(lán)藻水華預(yù)警。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者基于高光譜成像技術(shù)開發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>，可以估算藍(lán)藻藻藍(lán)素（PC）和葉綠素a（Chl-a）的濃度比，進(jìn)而檢測(cè)藍(lán)藻在內(nèi)陸水域中的相對(duì)豐度?；?/span>遙感反演的PC:Chl-a成果可以快速推進(jìn)內(nèi)陸水域中藍(lán)藻風(fēng)險(xiǎn)的初步評(píng)估，極大地提高管理內(nèi)陸水域質(zhì)量的能力。

應(yīng)用案例2：藻類生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

海水養(yǎng)殖研究中，由于海水受洋流、潮汐等影響處于不斷變化中，這對(duì)藻類的生長(zhǎng)及代謝行為影響巨大。為精細(xì)化檢測(cè)藻類生長(zhǎng)情況，結(jié)合高分辨率多光譜數(shù)據(jù)，通過對(duì)比正射影像和NDVI，可非常清晰地看到不同養(yǎng)殖網(wǎng)或同一養(yǎng)殖網(wǎng)不同區(qū)域其植被生長(zhǎng)狀況均有明顯差別。如下兩圖，NDVI發(fā)藍(lán)對(duì)應(yīng)正射影像中紫菜附著茂密區(qū)域，說明此處紫菜生長(zhǎng)狀況良好。而NDVI發(fā)黃對(duì)應(yīng)正射影像中紫菜附著稀疏區(qū)域，則說明該區(qū)域紫菜生長(zhǎng)緩慢，半浮于水面，或由于受到某種脅迫致使生長(zhǎng)緩慢。

研究表明，無人機(jī)多光譜成像技術(shù)在大型藻類養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)中可精確、可視化反應(yīng)藻類的生長(zhǎng)現(xiàn)狀，是否遭受脅迫等，為養(yǎng)殖及研究人員提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)精細(xì)化應(yīng)對(duì)，提高養(yǎng)殖藻類的產(chǎn)量及質(zhì)量水平。

應(yīng)用案例3：潮間帶大型藻類的無人機(jī)高光譜測(cè)繪

潮間帶的大型藻類群落標(biāo)志著海洋領(lǐng)域的邊界，對(duì)這些資源的有效和可持續(xù)管理必須建立在準(zhǔn)確、高效的環(huán)境數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)上。無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)的快速發(fā)展，使得快速大面積區(qū)域調(diào)查成為現(xiàn)實(shí)。

愛爾蘭相關(guān)研究人員提出了一種詳細(xì)的評(píng)估方法，基于多旋翼無人機(jī)和推掃式高光譜傳感器來研究重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)上都極為重要的潮間帶棕色大型藻類——Ascophyllum nodosum（褐藻）。經(jīng)分析驗(yàn)證，無人機(jī)高光譜成像技術(shù)可以準(zhǔn)確地識(shí)別A. nodosum和其他常見的潮間帶物種和基質(zhì)，并可視化顯示其空間分布，總體準(zhǔn)確率為94.7%。

研究結(jié)果表明，無人機(jī)搭載的高光譜遙感技術(shù)能夠有效地對(duì)潮間帶大型藻類進(jìn)行分類和可視化呈現(xiàn)，清楚地展示了無人機(jī)高光譜成像技術(shù)在大型藻類棲息地研究、資源管理和保護(hù)等方面有著巨大的潛力。

應(yīng)用案例4：利用測(cè)深Lidar評(píng)估大型藻類生物量

藻類在沿海區(qū)域提供許多生態(tài)功能，繪制和監(jiān)測(cè)沿海大型藻類資源的能力對(duì)行業(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)都很重要，對(duì)這些資源的有效和可持續(xù)管理必須建立在準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)上。Ascophyllum nodosum（褐藻）主要生長(zhǎng)潮間帶到淺水亞潮帶，是加拿大重要的商業(yè)藻類。了解褐藻分布及生物量，對(duì)于研究藻類資源及種群動(dòng)態(tài)是至關(guān)重要的。

通過衛(wèi)星圖像分類可以實(shí)現(xiàn)低潮時(shí)暴露的巖藻的面積分布圖，并進(jìn)行生物量計(jì)算，但是并非所有的沿海區(qū)域都能在低潮時(shí)進(jìn)行及時(shí)調(diào)查。這種單一的方式使得調(diào)查褐藻分布變的挑戰(zhàn)性。測(cè)深激光雷達(dá)可以在漲潮時(shí)輕松獲取浮游褐藻冠層頂部附近的回波及海床的地形地貌。相關(guān)人員使用測(cè)深lidar對(duì)海洋潮間帶的大型藻類進(jìn)行了研究，并與衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

研究發(fā)現(xiàn)，激光雷達(dá)憑借其多次回波和足夠的冠層穿透能力，可以繪制漲潮時(shí)的褐藻冠層和海床點(diǎn)云圖，從而計(jì)算褐藻的高度、估算生物量。結(jié)果表明，通過衛(wèi)星圖像分類可以實(shí)現(xiàn)低潮時(shí)暴露的褐藻的面積分布圖繪制，使用測(cè)深激光雷達(dá)技術(shù)可以在漲潮期估算密集大型藻類的高度和生物量。

應(yīng)用案例5：生物土壤結(jié)皮與沙丘石英的高光譜繪制

生物土壤結(jié)皮（BSCs），由藍(lán)藻、藻類、苔蘚、地衣和真菌組成，是重要的生態(tài)系統(tǒng)組成部分，在穩(wěn)固土壤/沙丘、水土保持以及、固氮固碳、促進(jìn)生態(tài)平衡方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著生物土壤結(jié)皮的發(fā)展與成熟，地表的土壤顆粒也逐漸被整合到它們的組織中。當(dāng)其在富含石英的環(huán)境（如沙丘）中生長(zhǎng)時(shí)，地表石英含量及BSC的發(fā)展是相輔相成的。通過機(jī)載高光譜成像技術(shù)不僅能夠精確評(píng)估BSCs的成熟度，還能為富含石英環(huán)境中的生態(tài)研究提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

生物土壤結(jié)皮對(duì)位于以色列-埃及邊境附近的Nitzana研究區(qū)富含石英的沙丘局域具有很大的穩(wěn)固作用，研究人員利用長(zhǎng)波紅外高光譜LWIR技術(shù)評(píng)估了被BSC覆蓋的沙丘場(chǎng)表面的石英含量，并將其與BSCs的發(fā)展成熟度進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，朝北、發(fā)育良好、成熟的BSC表現(xiàn)出較弱的石英光譜特征；朝南的BSC發(fā)育程度較低，對(duì)石英光譜特征的掩蓋程度較小；裸砂則表現(xiàn)出石英光譜特征。將機(jī)載高光譜結(jié)果與10個(gè)地面驗(yàn)證點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88。研究結(jié)果證明，利用機(jī)載高光譜成像技術(shù)可以有效的評(píng)估石英分布及含量，進(jìn)而推進(jìn)對(duì)于富含石英環(huán)境中BSCs的發(fā)展研究提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：[1] Rossiter T, Furey T, McCarthy T, et al. UAV-mounted hyperspectral mapping of intertidal macroalgae[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2020, 242: 106789.

[2] Webster T, MacDonald C, McGuigan K, et al. Calculating macroalgal height and biomass using bathymetric LiDAR and a comparison with surface area derived from satellite data in Nova Scotia, Canada[J]. Botanica marina, 2020, 63(1): 43-59.

[3] Shi K, Zhang Y, Li Y, et al. Remote estimation of cyanobacteria-dominance in inland waters[J]. Water research, 2015, 68: 217-226.

[4] Che S, Du G, Wang N, et al. Biomass estimation of red algae Pyropia using unmanned aerial platform based multispectral imaging[J]. Plant Methods, 2021, 17: 1-13.

[5] Weksler S, Rozenstein O, Ben-Dor E. Mapping surface quartz content in sand dunes covered by biological soil crusts using airborne hyperspectral images in the longwave infrared region[J]. Minerals, 2018, 8(8): 318.