一、项目概述
1. 项目背景
黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区位于黑龙江省黑河市嫩江县境内，地处大、小兴安岭山脉交接处的伊勒呼里山南部、松嫩平原的北部边缘，东与黑河市爱辉区接壤，南与卧都河林场相连，北靠嘎拉山林场，西与内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗、鄂伦春自治旗隔江相望，地理坐标介于东经125°44′57″—126°13′31″，北纬50°38′23″—50°48′10″之间。保护区南北长约28km，东西宽约24km，周长约116km，总面积约为467km²。其中，核心区面积约202.71 km²，缓冲区面积约101.94 km²，实验区面积约162.78 km²。
黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区是以保护黑嘴松鸡等珍稀濒危野生动物及其栖息的生态系统，集生物多样性保护、科学研究、宣传教育、生态旅游和可持续利用等多功能于一体的综合性野生动物类型自然保护区。2006年12月经黑龙江省政府批准建立为省级自然保护区，2013年12月经国务院批准，晋升为国家级自然保护区。
保护区成立以来，在上级主管部门的高度重视和大力支持下，保护区的管理体系、设施建设逐渐得到完善，在保护区全体职工的不懈努力下，在资源保护和本底调查方面做了大量的工作，促进了野生生物保护事业的发展。
为了今后进一步强化中央站保护区的管理和建设科学化、规范化，更有效地保护黑嘴松鸡等濒危动物及栖息的生态环境多样性，满足可持续发展战略的要求，根据实际情况需求，决定采用飞马F200智能航测系统进行1:2000比例尺高分辨率航拍影像数据获取，坐标系为国家CGCS2000，并生产数字正射影像图。利用此次数据成果组织开展后续系统的科研监测工作，认真做好科研监测规划，使该地区的自然资源得到更好的保护，让保护区的科研监测、保护管理工作更有成效，实现自然保护区事业可持续发展。
黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区范围界线
2. 利用数字正射影像图开展科研监测的必要性
2.1 地理位置重要，自然资源丰富
黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区位于黑龙江西北部，在松嫩平原向大、小兴安岭的过渡地带，呈北高南低、东高西低的半丘陵地势，地理环境及物候具有明显的特殊性。特殊的地理位置成了该地区野生动物理想的栖息地以及珍贵树种为优势的生境，是野生动植物、生态环境监测的最佳位置，在此开展科研监测十分必要而且适宜。
2.2 开展生物多样性保护和研究的需要
科研监测的目的是监测自然资源变化，为合理保护和利用自然资源提供科学依据，是自然资源保护不可缺少的工作内容之一。
2.3 保护区生态数据库建设的需要
随着我国野生动植物资源、生态环境保护的大规模开展,使得这方面的科研监测工作不仅能填补我国大量空白地区的野生动植物资源的动态变化规律，还将补充和完善现有关于野生动植物资源和生态环境保护策略的认识,为全球自然资源保护做出应有的贡献。
2.4 保护区工作正常开展的需要
通过开展系统的科研监测工作，为提高职工队伍整体素质，给职工创造适宜的办公、学习、生活场所，从而既提高职工工作积极性，稳定职工队伍，又能实现成果共享，进一步增强职工的自豪感、荣誉感，提高工作效率。通过成果展示，促进对外宣传交流，一举多得，具有明显的社会、经济和生态效益。
2.5 履行国际公约和生物多样性保护的需要
随着我国“一带一路”战略的实施，中国大国地位、作用日益凸显，外交活动日益频繁，我国的生态保护事业也日益受到国际方面的关注。保护区的科研监测工作也将成为对外交流的内容之一，从而促进生物多样性的保护。
2.6 实施“全国野生动植物保护及自然保护区建设工程”的具体体现
为了适应我国国民经济建设和生态环境建设的需要，国家林业局实施了六大林业建设工程，并把“全国野生动植物保护及自然保护区次考察建设工程”作为六大工程之一。其中,自然保护区的科研监测是主要建设内容之一，中央站保护区科研监测工作的开展，是贯彻和实施“全国野生动植物保护及自然保护区建设工程”的具体体现。
二、项目实施
项目实施主要分为数据采集、数据处理、数字正射影像图及数字表面模型生产三个阶段。
1. 项目组织
1.1 人员安排
安排技术人员3人，完成外业像控点采集、无人机航飞及内业数据处理工作。
1.2 智能航测系统
保护区面积较大，地形环境复杂，网络CORS站信号差，地面控制点布设难度较大。飞马F200智能航测系统内置双频差分GPS定位系统，通过PPK解算，获取厘米级POS数据，可以极大减少控制点数量，降低人员安全风险，提高作业效率。我们使用一架飞马F200智能航测系统挂载4200万像素正射模块进行高分辨率航拍影像数据获取，配合稀少地面控制点，利用多个起降架次完成保护区范围的全覆盖。
1.3 数据生产软硬件
数据处理采用飞马无人机管家—“全成果影像工作站”配合Mirauge3D全自动影像智能建模系统进行内业影像数据处理工作，生产高分辨率数字正射影像图及数字表面模型。硬件设备采用4台工作站进行内业数据处理工作。
飞马无人机管家
Mirauge3D全自动影像智能建模系统硬件环境配置表
1.4 其他作业设备
作业用车辆、RTK、笔记本工作站等。
1.5 数据成果
序号 数据成果
2. 数据采集
2.1 像控点量测
经过现场踏勘，结合保护区地形和交通情况，提前在GoogleEarth软件中进行像控点预设，并在无人机航飞作业前进行实地靶标布设，使用RTK测量像控点点位坐标。
像控点点位图
2.2 航线设计
保护区地形以山区为主，最高点海拔约600米，最低点海拔约300米。使用飞马无人机管家"智航线"模块进行无人机航线规划，将保护区kml范围线直接导入智航线进行设计，并对任务区域进行自动分割和管理，保证后期处理接边飞行需要。按照1：2000比例尺精度要求，结合保护区地形情况，设计地面分辨率14厘米，航向重叠度75%，旁向重叠度70%。生成区块后，选择航线生成功能自动生成航线，相对飞行高度约1086米。
航线规划
2.3 无人机航飞
飞马无人机采用模块化设计，可快速完成安装，手抛自动起飞，飞行过程中实时重点监控飞机姿态、位置、高度、空速、剩余电量等参数。降落时使用一次性降落伞，免叠伞、免维护，自动计算风向与风速，完成全自主定点伞降。外业航飞作业时间共计22天，总飞行96架次，共获取航拍影像83504张。
2.4 数据质检
无人机航飞完成后，使用飞马无人机管家“智检图”模块进行快速航飞质量现场检查及评估。完成数据导入后，点击处理执行质检，质检完成后查看质检结果。
2.5 执行质检
3. 数据处理
3.1 差分解算
使用飞马无人机管家“智理图”模块进行无人机数据预处理。首先将基站和机载数据转换为RINEX标准格式，再将转换完的基站GPS数据及机载GPS数据导入智理图解算出厘米级POS数据。
RT27格式转换
GPS解算
3.2 影像处理
使用飞马无人机管家“智理图”模块将照片进行畸变纠正、影像匀色处理。通过飞马特有的基于格网畸变模型算法，逐块区域的相机畸变模拟，可准确量化不规则相机的畸变信息，从而实现高精度数据成图。
畸变纠正
3.3 成果生产
由于保护区地处林区，地形复杂、高程落差大、植被密集，给外业无人机航摄、像控点布设造成极大困难；且外业航摄时间正值春季，植被生长较为迅速，获取的影像数据存在纹理、色差差异较大等问题。诸多因素导致内业数据处理困难，对软件和内业人员要求较高，而Mirauge3D恰好能够应对这种情况。
Mirauge3D是一款专业的影像智能建模系统，能同时兼顾二三维数据处理，对大数据量、弱纹理、稀少控制点、多架次不同航高等类型数据，都有较好的支持。针对此次保护区数据处理，采用Mirauge3D处理空三及生产数字正射影像图，完美解决了大数据量、弱纹理、稀少像控点情况下的空三拆分问题，只需单个工程一次性提交即可完成空三计算，同时配合正射镶嵌模块处理数字正射影像图，大幅度提高了整个生产效率。
航摄照片POS分布
航摄照片POS分布
优化镶嵌线
4. 数据成果
数字正射影像图
数字表面模型
三、利用数字正射影像图在科研监测中的应用
1. 生态系统大样地监测
利用保护区数字正射影像图，分析植被状况，选择人为干预较少、自然演替较为完整、交通方便、便于观测的区域。监测内容包括森林大气环境、森林常规气象及小气候、森林土壤理化性质、森林水文和植物化学、森林群落的组成和结构、森林生态系统活力、森林生态系统抵抗力、森林生态系统健康等方面。通过数字正射影像图还可以实现对小班、林班数据的采集和获取，不仅可以获取到树木的具体信息，还可以针对性地进行森林资源调查及林区规划。研究人员也可以通过数字正射影像图进行林区小班边界的自动生成，得到的小班区划精度可以满足林业实际生产需求，从而大幅减轻外业调查的工作量，提高作业效率。
大样地范围界线
2. 红外相机样线监测
利用保护区数字正射影像图，结合保护区区域、地势情况和野生动物的活动规律，完成对红外相机拍摄位置的布控工作。在无人机监测的同时，辅以红外相机监测黑嘴松鸡等野生动物的生活习性、种群动态与生态研究。在布设的每一部红外相机上，都拍摄到了珍贵的野生动物的身影，例如棕熊、猞猁、驼鹿、狐狸、狼、雪兔、草兔、獾子、貉子以及各种鸟类。
监测样地红外相机布设位置图
监测样地红外相机-SY_00008-黑嘴松鸡
监测样地红外相机-SY_00017-棕熊
3. 保护区功能区域划分
自然保护区按功能划分为核心区、缓冲区和实验区，核心区是区内保存完好的天然状态的生态系统及珍稀、濒危动植物的集中分布区；缓冲区只准从事科研活动；实验区可开展旅游活动。
4. 生态环境监测
每年4—11月的上旬无风天，利用无人机进行全区域定位自动飞行拍摄，获取不同时期的数字正射影像图，经过对比分析，用来监测保护区内的森林、沼泽、土地等变化情况。
保护区不同时期对比图
5. 野生植物数据库建设
利用数字正射影像图对保护区内不同地类的矢量图斑进行提取，结合现有相关资料，建立野生植物数据库，用来监督管理保护区内植被覆盖情况及生态环境修复进度管理。促进保护区生态系统得到有效保护，增强其调节气候、保持水土、涵养水源的功能，减少自然灾害，进而对周边农牧业生产起到直接屏障作用。
6. 野生动物行为轨迹分析
通过为野生动物佩戴跟踪器，记录野生动物行为活动轨迹、起始时刻、运动时间、运动速度、停留时间、各个区域内的运动距离、进出区域次数、第一次进入某个区域之前的时间、停留时间、多只动物相互交往活动和原始活动，能够得到实时变化的野生动物运动轨迹和活动形态（饮食、睡眠、移动、追逐等）资料。将这些数据分类统计到数字正射影像图上，得到野生动物活动情况报告，将空间数据用可视化的方式来表达，同时辅助保护区工作人员对野生动物异常行为分析提供有效帮助，为野生动物争取最佳救助时间。
7. 野生动物数据库建设
利用保护区数字正射影像图的几何特征和影像特征，将各类监测数据与之结合，通过常年积累，逐步建立与完善：保护区野生动物资源本底数据库、保护区野生动物四季动态种群数据库、保护区野生动物生活史数据库、种群家族关系动态跟踪数据库。
全面准确掌握保护区内所有野生动物的生活史、野生动物种群动态和群落动态波动规律、保护区繁殖期和越冬期野生动物容纳量、野生动物年际间种群数量波动状况及原因、气候四季与年际变化规律、野生动物人工救护操作规范等，为制定科学综合系统的野生动物保护方案提供详实可靠的依据。
四、意义
此次利用飞马智能无人机系统和Mirauge3D影像智能建模系统生产的数字正射影像图进行的科研监测工作，得到了我省政府部门的大力支持，黑龙江卫视《新闻夜航》栏目对此进行了专题跟踪报道，并在全省进行了大力推广，保护区生物多样性保护工作取得丰硕成果，为进一步开展保护和科研监测研究奠定基础。利用飞马智能无人机系统挂载视频图传、红外成像、激光Lidar等多种模块，结合先进的技术手段，可为森林防火、森林资源调查、森林巡护、植被覆盖度、病虫害监测、扰动土地面积的动态变化状况、水土保持状况、生物健康分析、生物量估算、气象监测、水文监测、土壤监测、野生动物追踪、反偷猎偷采空中巡逻、保护区规划建设等保护区日常科研监测工作提供大量帮助。
文章部分资料由黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区提供。
