基于无人机航拍技术的家庭牧场草地放牧强度评估方法

本发明属于无人机遥感技术监测领域，尤其涉及一种基于无人机航拍技术的家庭牧场草地放牧强度评估方法。

背景技术：

1、放牧是人类对天然草地利用的主要方式之一，主要包括自由放牧和围栏放牧。而草地与放牧家畜之间存在着相互依赖的关系。草地为家畜提供了丰富的食物资源以及栖息地。满足家畜的饲料需求的，提供了广阔的生存空间。而放牧家畜通过采食和践踏来影响草地土壤的物理结构，同时通过采食活动及畜体对营养物质的转化影响草地物质循环。

2、放牧强度是草地与草食动物相互关系的反应向量，反应了草地利用的程度。可以通过草地植物的采食率或放牧家畜的放牧率、载畜率等表示。放牧强度的高低与草地生态系统之间存在重要的关系。过度放牧会导致草地被过度的消耗，造成草地退化、草地固碳能力降低、水土流失，增加草地土壤的侵蚀风险等环境问题。而长期禁牧不利于草地资源的更新和再生，造成草地资源的浪费，不利于草牧业经济的发展。适宜的草地放牧强度不仅是学术界广泛关注的民生问题，也是草原管理工作迫切需要的重要信息。

3、区域尺度放牧强度往往通过县级行政区划以上的家畜统计资料计算获取，难以获取更小空间尺度(村庄、牧场)时序放牧强度空间分异特征。传统草地放牧强度调查主要有实地调查和入户调查，由于放牧家畜数量和个体大小均处于动态变化之中，若需要得到比较准确的检测数据，需要高频次的调查。然而人工调查通常费时费力，工作量巨大，效率低下，对于大区域高频次的放牧强度动态监测来说不切实际。部分学者通过gps追踪技术获取畜群活动轨迹，但限于仪器大小和成本尚不能大面积推广使用，多以家畜个例轨迹估算畜群活动范围，尚存在较大的不确定性。具体的文献为：

4、(ji w,luo y,liao y,et al.uav assisted livestock distributionmonitoring and quantification:a low-cost and high-precision solutio n[j].animals,2023,13(19))。这些研究仍然难以实现对家畜放牧强度空间异质性的动态监测。

5、卫星遥感技术是区域尺度监测草地植被关键指标(盖度、生物量、lai等)的重要手段，理论上可以通过放牧造成草地关键指标变化反推放牧强度，但现有放牧遥感研究尚未厘清草地放牧强度、草地关键指标和遥感光谱响应特征之间的关联性。无人机受电池续航能力和天气因素的制约，基于无人机航拍技术的野外调查未能够实现长时间序列的连续监测。本发明基于无人机航拍系统和分析系统fragmap进行研究，不受地形条件限制，可实现对家畜畜群的连续性追踪监测，获取家畜畜群的时空分布特征。与现有遥感技术相比，基于无人机航拍系统和分析系统的操作门槛低，更易上手，能够连续性跟踪监测家畜畜群。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于无人机航拍技术的家庭牧场草地放牧强度评估方法,以解决传统放牧强度调查费时费力，效率低下，无法实现高频次的放牧强度动态监测；gps项圈调查放牧强度时受设备大小和费用限制，不能直接获取区域内所有家畜运动轨迹的缺点，缺乏对家畜活动范围的分散度和聚集度等特征描述，现有无人机航拍技术存在的缺陷为无人机受电池续航能力和天气因素的制约，基于无人机航拍技术的野外调查未能够实现长时间序列的大范围、定点重复的连续监测的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种基于无人机航拍技术的家庭牧场草地放牧强度评估方法，包括如下步骤：

4、步骤1、划分家畜采食格网，观测时对所有家畜采食格网采用fragmap无人机航拍与分析系统中的mosaic飞行模式进行航拍观测，获取家畜采食格网中的无人机航拍影像；

5、步骤2、将获取的无人机航拍影像进行处理，得到家畜正确地理位置的正射影像；

6、步骤3、从正射影像中识别的所有家畜所在位置及其空间分布获得家畜畜群时空分布动态；

7、步骤4、计算放牧强度，具体包括以下步骤：统计每个家畜采食格网中家畜单位数量，结合每个家畜采食格网，在家畜采食格网尺度计算家畜单位密度：

8、

9、式中，d为放牧强度，n为每个点代表的畜群数量，s为格网面积；

10、步骤5、将计算所得的家畜单位密度通过地学统计学空间插值算法获取空间尺度家畜活动分异规律；

11、步骤6、验证地学插值精度，得到最优空间插值结果；

12、步骤7、获得畜群放牧强度空间异质性，具体包括以下步骤：

13、基于步骤6中的最优空间插值结果，结合公式2和gis空间分析工具，对最优空间插值结果进行归一化处理，将家畜单位密度映射到[0,1]区间内用来表示牧场放牧强空间分异；分析牧场家畜活动空间分异特征；其中数值归一化公式如下所示：

14、

15、式中，x为归一化数值，xi为放牧强度，xmin为放牧强度最小值，xmax为放牧强度最大值。

16、进一步的，所述步骤1中当家畜活动集中时，逐格网进行航拍观测；当畜群活动分散的时候，使用多台无人机同时进行协同观测。

17、进一步的，地学统计学空间插值算法包括含障碍的扩散插值法、径向基函数法、全局多形式法、反距离权重法、局部多项式法、含障碍的核插值法和经验贝叶斯克里金法。

18、进一步的，所述步骤6具体包括以下步骤：

19、使用留一法交叉验证的方法对7类地学统计插值方法进行精度检验；首先将插值样本数据集均匀分为10组，每次提取1组数据作为测试集来验证插值精度，剩余数据作为训练集来获取插值结果，依次循环直至所有数据均出现在测试集和训练集为止；其次，结合所有测试集数据所对应的插值结果，利用平均相对误差、平均绝对误差和均方根误差三个指标来评价插值结果精度，三个指标值越小，插值结果精度越高,得到最优空间插值结果；三类指标计算公式如下所示：

20、

21、式中：mre表示相对绝对误差，n表示样本个数；yi表示研究人员在实地计数家畜数量的真实值；y′i表示地学插值后家畜数量的预测值；

22、

23、式中：mae表示平均绝对误差，n表示样本个数；

24、

25、式中：rmse表示均方根误差，n表示样本个数。

26、进一步的，步骤2中家畜群航拍影像的处理包括格网正射影像合成和几何精校正处理，具体处理步骤包括：

27、步骤1、打开pix4dmapper软件，新建工程，导入需要处理的无人机航拍照片；

28、步骤2、设置坐标系统，导入地面控制点和pos数据，进行相机定位和点云生成；

29、步骤3、使用点云编辑工具，移除不需要的点云数据；

30、步骤4、设置正射影像分辨率、坐标系统和文件格式参数，生成格网正射影像；

31、步骤5、结合gis地理配准工具，利用格网中标志性地物对正射影像进行几何精校正，获取正确地理位置的正射影像。

32、进一步的，步骤3中基于opencv可视化功能软件herdcounter创建黑色方块并导入每头家畜的像素数来提取和统计家畜的空间分布信息；通过检查每个黑色方块确定自动识别的准确性，对误选或遗漏的家畜进行人工手动纠正，最终结合牧场家畜所在位置经纬度信息获得家畜畜群时空分布动态。本发明的一种基于无人机航拍技术的家庭牧场草地放牧强度评估方法，具有以下优点：

33、本发明基于无人机航拍技术与系统,结合人机交互识别家畜和地统计学插值算法，评估了牧场家畜放牧强度空间异质性分布状况。此方法有效的解决了传统放牧强度调查费时费力，效率低下，无法高频次调查以及gps项圈放牧强度调查方法受设备大小和费用限制，无法直接获取区域内所有家畜运动轨迹等一系列问题，具有方便携带，操作简单，节约人力，物力与时间成本以及效率高的特点，能够实现大范围、定点重复无人机航拍，其监测数据时间序列长，监测周期短，监测频率高。