本發(fā)明涉及植物監(jiān)測，具體涉及一種基于遙感數(shù)據(jù)的植物監(jiān)測。

背景技術(shù)：

1、外來入侵物種的出現(xiàn)常常對本地生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能造成嚴(yán)重威脅，同時也帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)風(fēng)險。草地生態(tài)系統(tǒng)中的外來入侵物種多樣且復(fù)雜，使其監(jiān)測和管理成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。專利申請cn202110440472.9公開了一種草海濕地外來物種空心蓮子草的入侵風(fēng)險測定方法。

2、一年蓬（erigeron?annuus?(l.)?pers.）隸屬菊科（asteraceae）飛蓬屬（erigeron），又名白頂飛蓬、治虐草、千層塔、野蒿，原產(chǎn)于北美洲墨西哥，目前在全世界北半球溫帶和亞熱帶地區(qū)國家的草地生態(tài)系統(tǒng)都有發(fā)生，屬于“中國外來入侵物種名單（第三批）”。傳統(tǒng)的調(diào)查方法主要依賴于地面人工觀測，這種方法費(fèi)時費(fèi)力，且難以實(shí)現(xiàn)大范圍的及時監(jiān)測。

3、遙感技術(shù)的快速發(fā)展，為物種的精準(zhǔn)識別與大范圍監(jiān)測提供了靈活的數(shù)據(jù)保障。然而，草地生態(tài)系統(tǒng)中植被冠層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及不同尺度遙感數(shù)據(jù)在外來入侵物種監(jiān)測表現(xiàn)上的差異，給外來入侵物種監(jiān)測帶來了挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述問題，本發(fā)明旨在提供一種利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的外來入侵物種一年蓬的多尺度監(jiān)測方法。

2、本發(fā)明中，“尺度”是指空間分辨率。

3、本發(fā)明中，“多尺度”是指不同的空間分辨率。

4、本發(fā)明中，“多源”是指光譜特征、紋理特征和時序特征的總稱，本發(fā)明利用多源數(shù)據(jù)提供了光譜、空間和時間維度的信息。

5、隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，多尺度遙感兼具精細(xì)化和宏觀化的監(jiān)測能力，使其能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，為外來入侵物種的精準(zhǔn)識別與大范圍監(jiān)測提供靈活的數(shù)據(jù)保障。

6、本發(fā)明中，針對不同尺度下的無人機(jī)多光譜影像數(shù)據(jù)、衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建不同遙感特征排列組合的一年蓬監(jiān)測模型，并篩選出不同尺度下最優(yōu)的一年蓬監(jiān)測模型。

7、與單一數(shù)據(jù)源相比，多源數(shù)據(jù)能夠彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)源在監(jiān)測精度上的不足，更加全面地反映外來入侵物種的分布特征及動態(tài)變化。

8、本發(fā)明中，基于無人機(jī)多光譜影像數(shù)據(jù)、worldview-2衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)和planetscope衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)，分別獨(dú)立建立一年蓬監(jiān)測模型并分別獨(dú)立進(jìn)行驗(yàn)證。

9、本發(fā)明提供了一種基于遙感數(shù)據(jù)的外來入侵物種一年蓬的監(jiān)測方法，包括以下步驟：

10、1）在一年蓬生長期，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行地面調(diào)查，采集一年蓬樣本數(shù)據(jù)；

11、2）對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行遙感多光譜影像數(shù)據(jù)采集，對采集到的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

12、3）獲取草地區(qū)域，用于多源遙感特征的計(jì)算和提取；

13、4）對預(yù)處理后的草地區(qū)域的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)計(jì)算多源遙感特征；

14、5）對計(jì)算得到的多源遙感特征進(jìn)行排列組合，利用平均下降基尼系數(shù)評估不同多源遙感特征在一年蓬監(jiān)測中的重要性，根據(jù)多源遙感特征重要性進(jìn)行排序；

15、6）利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)去除相關(guān)性較高的多源遙感特征；

16、7）采用隨機(jī)森林算法構(gòu)建一年蓬監(jiān)測模型。

17、進(jìn)一步地，上述步驟1）的對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行地面調(diào)查采集一年蓬樣本數(shù)據(jù)，是根據(jù)一年蓬的形態(tài)特征確定一年蓬入侵的具體位置。一年蓬生長期形態(tài)特征主要表現(xiàn)為：莖稈挺直，上面帶有細(xì)毛；莖上的葉子細(xì)長呈線狀披針形，基部的葉子像蓮座緊貼地面。

18、進(jìn)一步地，上述步驟1）的對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行地面調(diào)查采集一年蓬樣本數(shù)據(jù)，如果在一年蓬花期進(jìn)行地面調(diào)查樣本數(shù)據(jù)采集，可以同時考慮一年蓬的花期特征。但是，后續(xù)的建模并不依賴于花期數(shù)據(jù)。

19、進(jìn)一步地，上述步驟1）的地面調(diào)查采集的一年蓬樣本數(shù)據(jù)，可以通過一年蓬的無人機(jī)可見光影像數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本擴(kuò)充。

20、進(jìn)一步地，在上述步驟2）中，遙感多光譜影像數(shù)據(jù)可以為一年蓬生長期范圍內(nèi)的多光譜影像數(shù)據(jù)，可以為花期以外的生長期、和/或花期。

21、進(jìn)一步地，在上述步驟2）中，遙感多光譜影像數(shù)據(jù)可以為目標(biāo)區(qū)域在400～1040nm波長范圍內(nèi)的多光譜影像數(shù)據(jù)。

22、進(jìn)一步地，在上述步驟2）中，遙感多光譜影像數(shù)據(jù)可以為無人機(jī)多光譜影像數(shù)據(jù)和/或衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)。

23、進(jìn)一步地，上述衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)可以為worldview-2多光譜影像數(shù)據(jù)和/或planetscope多光譜影像數(shù)據(jù)。

24、進(jìn)一步地，在上述步驟2）中，對采集到的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行的預(yù)處理，對于無人機(jī)多光譜影像數(shù)據(jù)，可以包括幾何校正、影像拼接、輻射校正；對于worldview-2衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)，可以包括幾何校正、輻射校正；對于planetscope衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)，可以包括去云、中值合成。

25、進(jìn)一步地，上述無人機(jī)多光譜影像的影像拼接可以是對采集的無人機(jī)多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊和拼接。

26、進(jìn)一步地，上述無人機(jī)多光譜影像的輻射校正可以是，借助標(biāo)準(zhǔn)的漫反射板提供的標(biāo)準(zhǔn)波段反射率與其在無人機(jī)多光譜影像中的像素值構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，來得到無人機(jī)多光譜影像的反射率數(shù)據(jù)。

27、進(jìn)一步地，上述worldview-2衛(wèi)星多光譜影像的輻射校正可以是，根據(jù)影像元數(shù)據(jù)中的參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)關(guān)系將原始值轉(zhuǎn)換為地表反射率數(shù)據(jù)。

28、進(jìn)一步地，在上述步驟3）中，獲取草地區(qū)域可以為，采用隨機(jī)森林算法構(gòu)建模型，從衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)中提取出草地區(qū)域，將衛(wèi)星多光譜影像中的除草地外的其他地物類型歸類為非草地區(qū)域，獲得草地/非草地的二元分類掩膜圖，用于一年蓬的多源遙感特征的提取和計(jì)算；或者，通過公共數(shù)據(jù)庫的土地利用類型數(shù)據(jù)（例如glc_fcs30、from-glc等）獲取草地掩膜數(shù)據(jù)，用于一年蓬的多源遙感特征的提取和計(jì)算。

29、進(jìn)一步地，在上述步驟4）中，多源遙感特征包括光譜特征和紋理特征。

30、進(jìn)一步地，在上述步驟4）中，多源遙感特征還包括時序特征。

31、進(jìn)一步地，在上述步驟5）中，可以對多源遙感特征進(jìn)行排列組合，利用隨機(jī)森林模型中的平均下降基尼系數(shù)評估不同多源遙感特征在一年蓬監(jiān)測中的重要性，輸入特征的平均下降基尼系數(shù)越大表示輸入特征越重要。

32、進(jìn)一步地，在上述步驟6）中，可以利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算不同多源遙感特征特征之間的相關(guān)性，根據(jù)多源遙感特征重要性排序，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)，量化輸入特征之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)絕對值越大表示相關(guān)性越高。

33、進(jìn)一步地，在上述步驟6）中，根據(jù)重要性排序依次去除相關(guān)性絕對值大于0.7的多源遙感特征。

34、進(jìn)一步地，在上述步驟7）中，可以采用隨機(jī)森林算法，構(gòu)建不同多源遙感特征組合的一年蓬的監(jiān)測模型，并篩選出不同尺度下表現(xiàn)最佳的模型。

35、進(jìn)一步地，在上述步驟7）中，可以在構(gòu)建的一年蓬監(jiān)測模型中獲得最優(yōu)的一年蓬監(jiān)測模型。

36、本發(fā)明還提供了基于遙感數(shù)據(jù)的外來入侵物種一年蓬的監(jiān)測模型的構(gòu)建方法在外來入侵物種監(jiān)測中的應(yīng)用。

37、本發(fā)明還提供了一種基于遙感數(shù)據(jù)的外來入侵物種一年蓬的監(jiān)測方法，將待測區(qū)域的多源遙感特征輸入上述步驟7）構(gòu)建的對應(yīng)尺度的外來入侵物種一年蓬的監(jiān)測模型中，繪制一年蓬分布圖。

38、進(jìn)一步地，采用熱點(diǎn)分析工具確定一年蓬分布的熱點(diǎn)區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)不同尺度下外來入侵物種一年蓬分布的監(jiān)測。

39、本發(fā)明還提供了基于遙感數(shù)據(jù)的外來入侵物種一年蓬監(jiān)測方法在外來入侵物種監(jiān)測中的應(yīng)用。

40、進(jìn)一步地，本發(fā)明構(gòu)建的一年蓬監(jiān)測模型可以跨地域地應(yīng)用于一年蓬的監(jiān)測。

41、進(jìn)一步地，本發(fā)明構(gòu)建的一年蓬監(jiān)測模型可以跨時間地應(yīng)用于一年蓬的監(jiān)測。例如，根據(jù)生長期非花期的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)建立的一年蓬監(jiān)測模型，可以應(yīng)用于生長期非花期一年蓬的監(jiān)測，也可以應(yīng)用于花期一年蓬的監(jiān)測，生長期非花期的一年蓬監(jiān)測模型用于花期一年蓬的監(jiān)測是利用一年蓬莖葉植株的多源遙感特征進(jìn)行的。再舉例來說，根據(jù)花期的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)建立的一年蓬監(jiān)測模型，可以應(yīng)用于花期一年蓬的監(jiān)測，也可以應(yīng)用于生長期非花期一年蓬的監(jiān)測，花期的一年蓬監(jiān)測模型用于生長期非花期一年蓬的監(jiān)測是利用一年蓬花期多源遙感特征中的莖葉植株的多源遙感特征進(jìn)行的。

42、進(jìn)一步地，基于上述利用植株部分特征進(jìn)行一年蓬的監(jiān)測，可能會使監(jiān)測精度降低。根據(jù)相同生長期的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)建立監(jiān)測模型，用于相同生長期一年蓬的監(jiān)測，可以獲得最大的監(jiān)測精度，但是，可能會增加數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的工作量?？紤]時序特征的全生長期或多生長期的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)可以用于更廣泛使用的模型的構(gòu)建。

43、具體而言，本發(fā)明如下：

44、1.?一種基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

45、1）在一年蓬生長期，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行地面調(diào)查，采集一年蓬樣本數(shù)據(jù)；

46、2）對所述目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行遙感多光譜影像數(shù)據(jù)采集，對采集到的所述遙感多光譜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

47、3）獲取草地區(qū)域；

48、4）對步驟2）預(yù)處理后的草地區(qū)域的所述遙感多光譜影像數(shù)據(jù)計(jì)算多源遙感特征；

49、5）對步驟4）得到的所述多源遙感特征進(jìn)行排列組合，利用平均下降基尼系數(shù)評估不同特征在一年蓬監(jiān)測中的重要性，對多源遙感特征重要性進(jìn)行排序；

50、6）利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)去除相關(guān)性較高的多源遙感特征；

51、7）采用隨機(jī)森林算法構(gòu)建一年蓬監(jiān)測模型。

52、2.?根據(jù)項(xiàng)1所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：通過一年蓬的無人機(jī)可見光影像數(shù)據(jù)，對步驟1）所述的地面調(diào)查采集的一年蓬樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本擴(kuò)充。

53、3.?根據(jù)項(xiàng)1或2所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：步驟2）所述的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)采集中，所述多光譜影像數(shù)據(jù)可以為在400～1040nm波長范圍內(nèi)的多光譜影像數(shù)據(jù)。

54、4.?根據(jù)項(xiàng)1至3中任一項(xiàng)所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：步驟2）所述的遙感多光譜影像數(shù)據(jù)，為無人機(jī)多光譜影像數(shù)據(jù)和/或衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)。

55、5.?根據(jù)項(xiàng)4所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：所述衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)為worldview-2多光譜影像數(shù)據(jù)和/或planetscope多光譜影像數(shù)據(jù)。

56、6.?根據(jù)項(xiàng)1至5中任一項(xiàng)所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：步驟3）中，獲取草地區(qū)域?yàn)?，由衛(wèi)星多光譜影像提取草地/非草地的二元分類掩膜圖，或者，通過公共數(shù)據(jù)庫的土地利用類型數(shù)據(jù)獲取草地掩膜數(shù)據(jù)。

57、7.?根據(jù)項(xiàng)1至6中任一項(xiàng)所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：步驟4）中，所述多源遙感特征包括光譜特征和紋理特征。

58、8.?根據(jù)項(xiàng)7所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：步驟4）中，所述多源遙感特征還包括時序特征。

59、9.?根據(jù)項(xiàng)1至8中任一項(xiàng)所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：步驟6）中，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)，去除相關(guān)性絕對值大于0.7的多源遙感特征。

60、10.?根據(jù)項(xiàng)1至9中任一項(xiàng)所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，其特征在于：步驟7）中，在構(gòu)建的一年蓬監(jiān)測模型中獲得最優(yōu)的一年蓬監(jiān)測模型。

61、11.?一種基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬的監(jiān)測方法，包括以下步驟：

62、1）采用項(xiàng)1至10中任一項(xiàng)所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法，構(gòu)建一年蓬監(jiān)測模型；

63、2）將待測區(qū)域的多源遙感特征輸入步驟1）構(gòu)建的對應(yīng)尺度的所述監(jiān)測模型中，繪制一年蓬分布圖；

64、3）采用熱點(diǎn)分析工具確定一年蓬分布的熱點(diǎn)區(qū)域。

65、12.?項(xiàng)1至10中任一項(xiàng)所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬監(jiān)測模型的構(gòu)建方法和/或項(xiàng)11所述的基于遙感數(shù)據(jù)的一年蓬的監(jiān)測方法在外來入侵物種監(jiān)測中的應(yīng)用。

66、本發(fā)明提供了一種靈活、高效且高精度的監(jiān)測方法，為一年蓬的精準(zhǔn)識別與動態(tài)監(jiān)測提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于多源遙感特征融合，包括光譜特征、紋理特征，以及可選地包括時序特征，建立了草地生態(tài)系統(tǒng)一年蓬的監(jiān)測模型。利用本發(fā)明的一年蓬監(jiān)測模型，可以快速且無損地識別一年蓬及其分布特征。

67、本發(fā)明披露了一種基于遙感數(shù)據(jù)的外來入侵物種一年蓬的監(jiān)測方法。本發(fā)明的方法適用于外來入侵物種一年蓬的監(jiān)測、管理和早期預(yù)測預(yù)警等技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明可以根據(jù)入侵區(qū)域的多尺度遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合光譜特征、紋理特征以及可選的時序特征，建立外來入侵物種一年蓬的多尺度監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)外來入侵物種一年蓬的快速、高效和精準(zhǔn)的識別。

68、本發(fā)明使用多源遙感特征融合技術(shù)有效解決了單一數(shù)據(jù)源的局限性，通過綜合利用不同特征的互補(bǔ)信息，顯著改善了一年蓬的監(jiān)測精度，為草地生態(tài)系統(tǒng)一年蓬的監(jiān)測與防治提供了科學(xué)依據(jù)，具有推動生態(tài)管理和保護(hù)的巨大應(yīng)用潛力。