TCSES 123-2023 草地植物多样性无人机调查技术规范

ICS13.020.01CCSZ00/09团体标准T/CSES123—2023草地植物多样性无人机调查技术规范Technicalspecificationforunmannedaerialvehiclesurveyofgrasslandplantdiversity（发布稿）2023-12-20发布2023-12-20实施中国环境科学学会发布T/CSES123—2023I目次前言.................................................................................II1范围................................................................................32规范性引用文件......................................................................33术语和定义..........................................................................34调查程序............................................................................45调查准备............................................................................56数据采集与预处理....................................................................67植物多样性调查参数获取..............................................................98成果整理与归档.....................................................................12附录A（资料性）信息记录表............................................................13附录B（资料性）无人机影像空间分辨率、影像大小的计算方法..............................18T/CSES123—2023II前言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由生态环境部卫星环境应用中心提出。本文件由中国环境科学学会归口。本文件起草单位：生态环境部卫星环境应用中心、长光禹辰信息技术与装备(青岛)有限公司、中国科学院植物研究所、山东省济南生态环境监测中心、中央民族大学、宁波大学。本文件主要起草人：高吉喜、万华伟、杨斌、李敏、彭羽、孙军、谢淦、孙伟伟、孙晨曦、张军强、刘建军、杨晓钰、杨刚、王永财、马桂仓、张志如、朱萨宁、高海峰、施佩荣、吕娜。T/CSES123—20233草地植物多样性无人机调查技术规范1范围本文件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。本文件适用于利用无人机开展草地植物多样性调查。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T27663全站仪GB/T39616卫星导航定位基准站网络实时动态测量（RTK）规范CH/T2009全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范CH/Z3001-2010无人机航摄安全作业基本要求CH/T3005低空数字航空摄影规范CH/T8024机载激光雷达数据获取技术规范HJ1168全国生态状况调查评估技术规范——草地生态系统野外观测NY/T2998-2016草地资源调查技术规程3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。草地植物grasslandplant生长在草地生态系统中的植物。本文件指草地上的种子植物，不包含蕨类、苔藓、地衣等孢子植物。样地samplesite为开展观测所选定的一定面积的、能代表群落基本特征（如种类组成、群落结构、层片、外貌以及数量特征等）的地段。样方sampleplot用于观测植物群落特征而设置的取样地块。样线linetransect在具有植物代表性的地段中所设置的一条基线。物种丰富度speciesrichnessT/CSES123—20234一个群落或生境中物种种类数目的多寡。本文件中指草地植物物种的种类数量。物种频度speciesfrequency群落中某种物种出现的样方数占整个样方数的百分比。植被盖度fractionalvegetationcover单位面积内植被冠层（包括叶、茎、枝）垂直投影面积所占的比例。地上生物量abovegroundbiomass某一时刻单位面积内地面以上植物实存生活的有机物质（干重）总量。4调查程序草地植物多样性无人机调查工作可分为调查准备、无人机数据采集与预处理、地面验证数据采集、植物多样性调查参数获取、成果整理与归档等阶段，具体内容见图1。调查前，应结合具体需求，按照调查程序的要求，制定相应的调查方案，确定调查的主要内容。图1草地植物多样性无人机调查流程地面验证数据采集成果整理归档无人机载数据采集可见光影像多光谱影像激光雷达数据方案设计与作业区域资料获取无人机平台及载荷选型调查样地设置飞行前准备准备工作物种丰富度物种频度物种多样性指数植被盖度植被高度生物量植物多样性调查参数获取T/CSES123—202355调查准备作业区域资料获取和方案设计5.1.1应根据飞行任务区域范围、数据需求，获取卫星高清影像、地形图、交通图、草地类型图、草地土壤类型和质地等作业资料，设计草地生物多样性无人机调查方案。5.1.2飞行作业前，应结合作业资料赴飞行任务区域实地踏勘验证作业区域范围、面积、地势起伏状况等地理条件，实地踏勘应按照CH/Z3001-2010中5.1条相关规定执行。其中还应包括但不限于以下信息：──最大高程差：通过地图工具，大致评估最大高差，并在实地踏勘时询问、对比，确定真实高差；──优选起飞点：寻找测区范围内或邻近测区的起飞点与转场点，增加有效数据采集时间；──测区组成：寻找不同气候、不同海拔等生境条件下的草地区域，保证测区内具有当地典型的植被类型或物种。无人机平台及载荷选型应根据数据采集和植物多样性调查需求，进行飞行平台与载荷设备选型。无人机及载荷应符合以下要求：a)无人机平台──无人机满电满载续航时间应不小于20min；──抗风能力大于四级；──工作温度范围不超过-15℃～45℃。b)可见光相机──有效像素不低于1200W。c)多光谱相机──光谱范围不小于400nm～900nm，光谱通道数不低于4个，并至少包括红、绿、蓝、近红外波段；──波段半高宽不大于40nm；──探测器量化位数不低于12bits。d)激光雷达──激光雷达点测距误差宜不大于1cm；──回波数不小于3个；──扫描频率不低于100000点/秒。调查样地和样方设置5.3.1无人机调查样地设置5.3.1.1在设置样地前，宜采用无人机载多光谱或可见光相机对调查区域获取全局概况图，包括调查区域面积、植被群落分布、草地长势空间分布等信息，影像空间分辨率宜优于50cm。5.3.1.2无人机物种调查以样地为基本单元，在调查区域内，按照物种的代表性、典型性，以及草地长势的差异，分梯度布设样地，样地大小宜设置为30m×30m。5.3.1.3在样地内规划4条均匀分布的虚拟样线，间距6m，以便于无人机按样线飞行拍摄影像，见图2。5.3.2地面验证样方设置5.3.2.1对于同一调查区域，在无人机调查初期，随机选取部分30m×30m样地，在每个样地中设置不少于5个1m×1m样方，用于验证无人机调查结果的真实性，样方布设见图2。T/CSES123—202365.3.2.2调查方法应符合HJ1168、NY/T2998的规定，并按统一格式（附录A.4）进行数据记录与归档。图2样地样方布设示意图飞行前准备飞行前，针对天气状况、空域状态与设备状态等进行检查，并符合以下条件：──飞行条件评估：在计划飞行任务日期前，评估飞行任务当天的光照条件（如阴天、多云、雨雪、雾霾等天气不宜执行任务）与风速（大于5.5m/s时不应执行任务），研究确定飞行时段；──空域申请：至少提前3天向空域管理部门申请飞行任务区域的飞行空域，经批准后方可开展飞行任务；──设备检查：至少提前1天对使用设备进行全面检查，并对执行飞行任务区域进行室内飞行任务模拟，以保证飞行任务开展当天硬件设备状态与飞行作业流程正常。6数据采集与预处理机载可见光影像采集6.1.1飞行作业要求机载可见光影像主要用于调查工作中的物种识别，飞行作业应满足以下要求：──拍摄方式：利用旋翼无人机，以悬停的方式拍摄，稳定拍摄高空间分辨率影像，每个拍摄点至少包括垂直拍摄和45°角度侧拍；──悬停定位精度：垂直方向误差不大于0.1m，水平方向误差不大于0.3m，可通过RTK设备保证空间信息定位精度；地理位置信息宜采用经纬度表示。──飞行方式：无人机在样地中按照样线飞行，一条样线中，拍摄点位均匀分布，宜不少于5个；拍摄时，应确保样线内植被未受风的扰动出现明显的摆动、翻叶等状况。──飞行高度：通过影像的空间分辨率与影像大小综合确定（见附录B），空间分辨率宜优于1mm，单张影像范围宜不小于2m×2m。──影像信息：应包含相机的焦距、像素尺寸、像素分辨率以及影像获取时的地理位置、相对高度等关键信息。其他操作要求参照CH/Z3001-2010执行。6.1.2数据预处理方法30m30m1m1m样地样线样方T/CSES123—20237为保证单景影像中研究目标细节信息准确度，应对单景影像进行畸变校正。无人机调查中，畸变主要是视场过宽造成的边缘畸变。对于没有明显形变的影像，裁剪影像外围部分，裁剪后影像范围不小于1m×1m；对于有明显形变的影像，宜采用棋盘格法进行几何标定。6.1.3数据质量控制参照CH/Z3005对影像质量进行检查，影像质量应符合以下要求：──影像质量良好，影像无拖影、无畸变；──影像中不可有大面积的阴影、烟雾、过曝等缺陷；──数据信息准确，读取部分数据并通过读取检验。6.1.4数据存储数据获取完成后，以文件夹的方式管理，并列出数据清单。数据至少包含以下内容：──原始数据：无人机获取的原始数据，数据命名应符合第8章c）中要求；──处理结果：经过几何畸变纠正的单景影像以及处理过程中的辅助信息，数据命名方式应与原始数据对应；──飞行设置：飞行中的重要参数设置，如航线，飞行高度，重叠度设置等，建议以录屏或截图等方式进行记录；──外业现场照：外场作业时现场拍摄的照片，其中包括人员、设备、场景等要素；──无人机飞行记录表：记录表参见第8章b）及附录A.2。机载多光谱影像采集6.2.1飞行作业要求飞行作业宜符合以下要求：a)用于物种识别的影像获取的飞行作业──拍摄方式：以定点悬停、垂直对地观测的方式，与6.1.1条的可见光影像同步拍摄；──悬停定位精度：按照6.1.1条的“悬停定位精度”；──飞行方式：按照6.1.1条的“飞行方式”，利用旋翼无人机近地面飞行；──飞行高度：通过影像的空间分辨率与影像大小综合确定（见附录B），空间分辨率宜优于2mm，单张影像范围宜不小于2m×2m；──影像信息：应包括相机的焦距、像素尺寸、像素分辨率以及影像获取时的地理位置、相对高度、下行光辐射强度以及探测器曝光时间、增益等关键信息。b)用于植被参数提取的影像获取的飞行作业──拍摄方式：以垂直对地观测的方式对样地进行全覆盖拍摄；──几何精度：