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Method Article
이 백서에 제시된 프로토콜은 경로 최적화, 균형 수용 샘플링, 지상 및 무인 항공기 시스템(UAS) 이미지를 활용하여 방목장 생태계의 식생을 효율적으로 모니터링합니다. 지상 및 UAS 방법으로 얻은 이미지의 결과를 비교합니다.
방목장 생태계는 전 세계적으로 36억 헥타르를 차지하며 미국에는 2억 3,900만 헥타르가 있습니다. 이러한 생태계는 글로벌 생태계 서비스를 유지하는 데 매우 중요합니다. 이러한 생태계의 식생 모니터링은 방목장 건강을 평가하고, 야생 동물 및 가축의 서식지 적합성을 측정하고, 침입성 잡초와 싸우고, 일시적인 환경 변화를 설명하기 위해 필요합니다. 방목장 생태계는 광대한 지역을 포괄하지만, 기존의 모니터링 기술은 종종 시간이 많이 걸리고 비용 효율성이 낮고 관찰자 편향이 높으며 적절한 공간 정보가 부족한 경우가 많습니다. 이미지 기반 식생 모니터링은 더 빠르고, 영구적인 기록(즉, 이미지)을 생성하고, 관찰자 편향을 줄일 수 있으며, 본질적으로 적절한 공간 정보를 포함합니다. 공간적으로 균형 잡힌 샘플링 설계는 천연 자원을 모니터링하는 데 유용합니다. 지상 카메라 및 무인 항공 시스템(UAS)에서 획득한 이미지를 사용하여 BAS(Balanced Acceptance Sampling)로 알려진 공간적으로 균형 잡힌 샘플링 설계를 구현하기 위한 프로토콜이 제시됩니다. 경로 최적화 알고리즘은 '출장 판매원 문제'(TSP)를 해결하는 데 추가로 사용되어 시간과 비용 효율성을 높입니다. UAS 이미지는 핸드헬드 이미지보다 2-3배 더 빠르게 획득할 수 있지만, 두 가지 유형의 이미지는 정확성과 정밀도 측면에서 서로 유사합니다. 마지막으로 각 방법의 장단점에 대해 논의하고 다른 생태계에서 이러한 방법에 대한 잠재적 응용 프로그램의 예를 제공합니다.
방목장 생태계는 미국에서 2억 3,900만 ha, 전 세계적으로 36억 ha에 이르는 광대한 지역을 포괄합니다1. 방목장은 다양한 생태계 서비스를 제공하며 방목장 관리에는 여러 토지 이용이 포함됩니다. 미국 서부의 방목장은 야생 동물 서식지, 물 저장, 탄소 격리 및 가축을 위한 사료를 제공합니다2. 방목장은 침입종, 산불, 기반 시설 개발, 천연 자원 추출(예: 석유, 가스 및 석탄)을 포함한 다양한 교란의 영향을 받습니다3. 식생 모니터링은 전 세계의 방목장 및 기타 생태계 내에서 자원 관리를 유지하는 데 매우 중요합니다 4,5,6. 방목장의 식생 모니터링은 방목장 건강, 야생 동물 종에 대한 서식지 적합성을 평가하고 침입종, 산불 및 천연 자원 추출로 인한 경관 변화를 목록화하는 데 자주 사용됩니다 7,8,9,10. 특정 모니터링 프로그램의 목표는 다양할 수 있지만, 통계적으로 신뢰할 수 있고 반복 가능하며 경제적인 동시에 여러 이해 관계자의 요구에 맞는 모니터링 프로그램이 바람직합니다 5,7,11. 토지 관리자들은 모니터링의 중요성을 인식하고 있지만, 모니터링은 종종 비과학적이고 비경제적이며 부담스러운 것으로 여겨진다5.
전통적으로 방목장 모니터링은 육안 또는 시각적 추정10, 다우벤미어 프레임(Daubenmire frames)12, 플롯 차트(plot charting)13, 식생 횡단부(scale transects)14를 따라 선 점 절편(line point intercept)14 등 다양한 방법으로 수행되었다. 육안 또는 시각적 추정은 시간 효율적이지만 높은 관찰자 편향15의 영향을 받습니다. 다른 전통적인 방법도 높은 관찰자 편향의 영향을 받으며 시간과 비용이 많이 들기 때문에 비효율적인 경우가 많습니다 6,15,16,17. 이러한 전통적인 방법 중 많은 부분을 구현하는 데 필요한 시간은 종종 너무 부담스러워 통계적으로 유효한 표본 크기를 얻기 어렵게 만들어 신뢰할 수 없는 모집단 추정치를 초래합니다. 이러한 방법은 확률적이라기보다는 편의에 따라 적용되는 경우가 많으며, 관찰자는 데이터를 수집하는 위치를 선택합니다. 또한 보고된 샘플 위치와 실제 샘플 위치가 자주 달라 식생 모니터링 데이터에 의존하는 토지 관리자 및 기타 이해 관계자에게 혼란을 야기합니다18. 최근 연구에 따르면 이미지 기반 식생 모니터링은 시간과 비용 측면에서 효율적입니다 6,19,20. 짧은 시간 내에 주어진 영역 내에서 샘플링할 수 있는 데이터의 양을 늘리면 시간이 많이 걸리는 기존 기술에 비해 데이터의 통계적 신뢰성이 향상됩니다. 이미지는 현장 데이터를 수집한 후 여러 관찰자가 분석할 수 있는 영구적인 기록입니다6. 또한 많은 카메라에는 GPS(Global Positioning System)가 장착되어 있으므로 수집 위치18,20으로 이미지에 위치 정보 태그를 지정할 수 있습니다. 현장에서 정확하게 위치한 컴퓨터 생성 샘플링 포인트를 사용하면 이미지가 핸드헬드 카메라로 획득되든 무인 항공 시스템으로 획득하든 관계없이 관찰자 편향을 줄일 수 있습니다.
시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들며 관찰자 편향이 높을 뿐만 아니라, 기존의 천연자원 모니터링은 낮은 표본 크기와 집중된 표본 추출 위치로 인해 이질적인 방목장을 적절하게 특성화하지 못하는 경우가 많습니다21. 공간적으로 균형 잡힌 샘플링 설계는 천연 자원을 더 잘 특성화하기 위해 관심 영역에 걸쳐 샘플 위치를 보다 고르게 분배합니다 21,22,23,24. 이러한 설계는 단순 무작위 표본추출에 비해 통계적 정확도를 달성하기 위해 더 작은 표본 크기가 필요하기 때문에 표본 추출 비용을 줄일 수 있습니다25.
이 방법에서는 BAS(Balanced Acceptance Sampling)22,24로 알려진 공간적으로 균형 잡힌 샘플링 설계가 이미지 기반 모니터링과 결합되어 방목지 식생을 평가합니다. BAS 포인트는 관심 영역26에 최적으로 분포되어 있습니다. 그러나, 이는 포인트가 visitation20을 위한 최적의 경로로 정렬된다는 것을 보장하지 않는다. 따라서 BAS 포인트는 출장 판매원 문제(TSP)27를 해결하는 경로 최적화 알고리즘을 사용하여 정렬됩니다. 이 순서로 점을 방문하면 점을 연결하는 최적의 경로(즉, 최소 거리)가 결정됩니다. BAS 포인트는 지리 정보 시스템(GIS) 소프트웨어 프로그램으로 전송된 다음 GPS가 장착된 휴대용 데이터 수집 장치로 전송됩니다. BAS 지점을 찾은 후 GPS가 장착된 카메라와 비행 소프트웨어를 사용하여 작동하는 무인 항공 시스템으로 이미지를 촬영합니다. 현장에 들어가면 기술자가 각 지점으로 걸어가 각 BAS 지점에서 0.3mm GSD(Ground Sample Distance)로1m2 모노포드 탑재 카메라 이미지를 획득하고, UAS는 동일한 지점으로 비행하여 2.4mm-GSD 이미지를 획득합니다. 그 후, 'SamplePoint'28을 사용하여 식생 피복 데이터를 생성하여 36개의 점/이미지를 수동으로 분류합니다. 지상 및 UAS 이미지 분석에서 생성된 식생 피복 데이터를 비교하고 각 방법에 대해 보고된 획득 시간을 비교합니다. 대표적인 연구에서는 인접한 두 개의 10에이커 방목장 부지가 사용되었습니다. 마지막으로, 이 방법의 다른 응용과 향후 프로젝트 또는 다른 생태계의 프로젝트를 위해 어떻게 수정될 수 있는지에 대해 논의합니다.
1. 연구 영역 정의, 샘플 포인트 및 이동 경로 생성, 현장 준비
그림 1: 관심 연구 영역에 대한 묘사 .이 위치는 미국 와이오밍주 래러미 카운티의 샤이엔 남쪽 방목지에 있습니다(이미지 출처: Wyoming NAIP Imagery 2017). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 현장 데이터 수집 및 후처리
그림 2: 미션 허브의 사용자 인터페이스. 지도는 연구 사이트 중 하나를 가로지르는 일련의 30개 BAS 지점을 따라 드론 비행 경로를 보여주며, 팝업 창에는 각 웨이포인트의 이미지 획득 매개변수가 표시됩니다. 그림 2 는 사이트 1과 관련이 있지만 사이트 2와 모양이 비슷합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: Android 스마트폰에서 실행되는 Litchi의 임무 실행 애플리케이션의 웨이포인트 비행 임무. 고유한 웨이포인트 ID는 자주색으로 표시되며 연구 영역의 다양한 지점에서 이미지가 촬영된 상대적 순서를 나타냅니다. 7(6)과 같은 각 웨이포인트의 숫자는 이미지가 촬영된 지면 위의 높이(첫 번째 숫자)와 홈 포인트 또는 드론 발사 지점 위의 높이(두 번째 숫자)의 정수 값을 나타냅니다. 지도에 레이블이 지정된 연속적인 웨이포인트 사이의 거리를 확인합니다. 그림 3 은 사이트 1과 관련이 있지만 사이트 2와 모양이 비슷합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 이미지 분석
참고: 모든 단계는 www.SamplePoint.org 의 '튜토리얼' 섹션에서 찾을 수 있습니다. 추가 'tutorial.pdf' 파일이 첨부되어 있습니다.
4. 통계 분석
UAS 이미지 획득은 지상 기반 이미지 수집 시간의 절반도 안 걸렸으며, 지상 기반 이미지에서는 분석 시간이 약간 짧았습니다(표 1). 지상 기반 이미지는 해상도가 더 높았기 때문에 더 짧은 시간에 분석되었을 수 있습니다. 기지 간 보행 경로 시간의 차이는 시작점과 끝점(발사장)이 기지 2보다 기지 1에 더 가깝기 때문일 수 있습니다(그림 1
천연자원 모니터링의 중요성은 오래 전부터 인식되어 왔다14. 글로벌 환경 문제에 대한 관심이 높아짐에 따라 시간과 비용 효율적인 신뢰할 수 있는 모니터링 기술을 개발하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이전의 여러 연구에 따르면 이미지 분석은 시간, 비용, 유효하고 방어 가능한 통계 데이터 제공 측면에서 기존 식생 모니터링 기술에 비해 유...
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다. 이 연구에 사용된 소프트웨어는 저자들이 오픈 소스로 또는 기관의 허가를 통해 사용할 수 있었습니다. 이 연구에 사용된 소프트웨어의 후원을 받는 저자는 없으며 유사한 연구를 수행할 수 있는 다른 소프트웨어 프로그램을 사용할 수 있음을 인정합니다.
이 연구는 Wyoming Reclamation and Restoration Center와 Jonah Energy, LLC의 대다수 자금 지원을 받았습니다. Trimble Juno 5 호기에 자금을 지원해 주신 Warren Resources와 Escelara Resources에 감사드립니다. 와이오밍의 식생 모니터링 자금을 지속적으로 지원해 주신 Jonah Energy, LLC에 감사드립니다. 이 연구에 사용된 UAS 장비를 제공한 와이오밍 지리 정보 과학 센터(Wyoming Geographic Information Science Center)에 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
ArcGIS | ESRI | GPS Software | |
DJI Phantom 4 Pro | DJI | UAS | |
G700SE | Ricoh | GPS-equipped camera | |
GeoJot+Core | Geospatial Experts | GPS Software | Used to extract image metadata |
Juno 5 | Trimble | Handheld GPS device | |
Litchi Mission Hub | Litchi | Mission Hub Software | We chose Litchi for its terrain awareness and its ability to plan robust waypoint missions |
Program R | R Project | Statistical analysis/programming software | |
SamplePoint | N/A | Image analysis software |
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