海洋生态与环境科学重点实验室知识库

随着全球气候的变化和人类活动的影响，海洋环境和生态问题频繁发生，造成海洋生态破坏和海洋污染。大型水母暴发作为一种海洋生态灾害，近年来发生频率不断升高，成灾种类不断增加，对近海核电站等重大设施安全运行、海洋经济可持续发展和海洋生态环境安全造成威胁。海洋垃圾作为一种海洋环境污染，影响海洋景观，危害海洋生物与生态系统的安全，对渔业、航运等海洋经济活动也有潜在的威胁。二者都越来越引起了人们的重视。水母暴发的灾害防控与海洋垃圾的污染防治需要及时有效的监测，快速获取海域内大型水母与海洋垃圾的分布特征，目前主流的监测方法已不能满足需求。在此背景下，我们基于无人机低空遥感技术，建立针对大型水母和海洋垃圾的新型监测方法。
本研究通过大量现场试验测试了小型消费级无人机与工业级无人机监测大型水母与海滩垃圾的能力。结果表明：小型消费级无人机和工业级无人机都能够实现原位监测大型水母和海滩垃圾，并且具有良好的监测效果。小型消费级无人机适用于监测伞径长度在2-5cm之间的水母、小块垃圾和中块垃圾，适宜飞行高度在5-30m，适用监测范围小。工业级无人机适用于监测伞径长度在5cm以上的水母、大块垃圾和特大块垃圾，适宜飞行高度在100-200米，适用监测范围较大，可以满足服务功能区绝大部分场景下的监测需求。执行监测任务之前，应参考不同飞行高度下小型消费级无人机和工业级无人机能够辨别出大型水母/海滩垃圾的最小长度，结合监测对象的特征，来确定符合监测需求的机型及其适合的飞行高度。可以通过实验确定无人机航拍图像中像素个数与实际长度之间的关系，使无人机具备测量监测对象大小的能力。基于无人机低空遥感图像的监测方法，只要确定监测对象在航拍图片中占据的像素个数超过10个，就可以保证能在航拍图片中观察到监测对象。
基于工业级无人机低空遥感图像调查，分析了2021年4 -5月海南省文昌市清澜港海域内环球码头、三沙码头、航天渔人码头海域鞭腕水母的种群动态变化。结果表明： 4月中旬，三个区域鞭腕水母的丰度分别为4637 ind/km2、3114 ind/km2、608 ind/km2，4月下旬，环球码头海域和航天渔人码头海域鞭腕水母的丰度下降，分别为1961 ind/km2、259 ind/km2，三沙码头海域鞭腕水母的丰度增加，为6831 ind/km2，5月中旬，三个区域鞭腕水母的丰度均明显增加，分别为16505 ind/km2、11315 ind/km2、2424 ind/km2。4月中旬到5月中旬，三个区域鞭腕水母的丰度增加水平类似，增幅分别为256%、263%、299%。调查期间，测区内鞭腕水母整体上呈斑块化分布，在该水母的多个聚集区内，出现明显高于周围区域的水母丰度极高值。4月中旬，三个区域鞭腕水母的平均伞径分别为13.53cm、10.78cm、12.85cm，4月下旬，三个区域鞭腕水母的平均伞径分别为13.96cm、12.44cm、12.99cm，5月中旬，三个区域鞭腕水母的平均伞径分别为14.49cm、13.24cm、13.26cm，4月中旬到5月中旬，三个区域鞭腕水母的平均伞径均出现了持续的增长。本文首次通过工业级无人机低空遥感方法报道了海南省文昌市清澜港海域鞭腕水母的暴发现象，为阐明鞭腕水母的繁殖与暴发机制提供了基础资料。 
基于工业级无人机低空遥感图像调查，开展了青岛石雀滩全区域的垃圾调查，从数量和面积两个角度研究了石雀滩垃圾的空间与特征分布，并分析了其来源情况。结果表明：石雀滩的垃圾在空间分布上具有差异性，近岸区的垃圾明显多于中间区和远岸区；研究区域内，小型、中型垃圾在数量上占优，大型、特大型垃圾在面积上占比较高；塑料类垃圾是石雀滩垃圾的优势类别；白色和绿色是石雀滩垃圾的主色调；人类海岸活动和航运/渔业类活动是石雀滩垃圾的重要来源。本部分研究为市政管理部门治理海滩垃圾污染、改善海岸带环境提供基础资料，为海滩垃圾的监测提供了新的技术手段。
结合以上，本论文深入探讨了无人机执行监测任务的规范流程，具体流程包括区块划分、航线设计、GSD设置和任务执行。
本研究从技术上提供了一种使用无人机低空遥感图像定量监测大型水母与海滩垃圾的新手段，该手段效率高、成本低、流程简单，能进行快速、高频次的监测部署，具有极大的优越性和潜在的推广与应用价值。

第1章  引言 1

1.1  研究背景 1

1.1.1  海洋生态灾害—大型水母暴发 1

1.1.2  海洋环境污染—海洋垃圾 2

1.2  大型水母和海洋垃圾的监测方法 2

1.3  无人机低空遥感在海洋生态学研究中的应用 5

1.4  国内外研究现状 6

1.5  研究目的与内容 7

第2章  无人机低空遥感监测大型水母和海洋垃圾的现场实验 9

2.1  前言 9

2.2  材料与方法 9

2.2.1  小型消费级无人机与工业级无人机 9

2.2.2  无人机监测试验区域 10

2.2.3  无人机飞行任务规划 11

2.2.4  无人机“测量”大型水母的伞径 12

2.2.5  图像处理和大型水母/海洋垃圾的识别 12

2.3  结果 13

2.3.1  小型消费级无人机监测大型水母和海洋垃圾 13

2.3.2  工业级无人机监测大型水母和海洋垃圾 18

2.3.3  小型消费级无人机和工业级无人机的监测效率 23

2.4  讨论 24

2.5  结论 26

第3章  无人机低空遥感监测大型水母—以海南省文昌市清澜港海域鞭腕水母为例 27

3.1  前言 27

3.2  材料与方法 27

3.2.1  调查区域 27

3.2.2  低空遥感图像的采集 28

3.2.3  实地捕捞 29

3.2.3  低空遥感图像的处理 29

3.3  结果 30

3.3.1  2021年4月中旬到5月中旬环球码头海域鞭腕水母的种群动态变化 30

3.3.2  2021年4月中旬到5月中旬三沙码头海域鞭腕水母的种群动态变化 32

3.3.3  2021年4月中旬到5月中旬航天渔人码头海域鞭腕水母的种群动态变化 35

3.3.4  无人机测量鞭腕水母的伞径结果与岸边脱水测量结果的比较 38

3.4  讨论 39

3.5  结论 42

第4章  无人机低空遥感监测海洋垃圾—以青岛石雀滩为例 45

4.1  前言 45

4.2  材料与方法 46

4.2.1  调查区域及样区划分 46

4.2.2  低空遥感图像的采集 46

4.2.3  图像处理和垃圾的识别 47

4.2.4  垃圾的密度与面积计算 48

4.2.5  垃圾的分类 49

4.3  结果 50

4.3.1  石雀滩垃圾的空间分布 50

4.3.2  石雀滩垃圾的大小分布 52

4.3.3  石雀滩垃圾的类型组成 53

4.3.4  石雀滩垃圾的颜色特征 54

4.3.5  石雀滩垃圾的来源分析 55

4.4  讨论 56

4.5  结论 58

第5章  无人机执行监测任务的流程探讨 61

5.1  区块划分 61

5.2  航线设计 61

5.3  GSD设置 62

5.4  任务执行 63

第6章  结论与展望 65

6.1  主要结论 65

6.2  特色与创新 66

6.3  不足与展望 67

参考文献 68

致  谢 78

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 79