無人機(jī)遙感在獲取水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

李凱嘉

（陜西梓澤環(huán)境工程有限公司，陜西 西安 710048）

0 工程概況

禮泉縣位于陜西省咸陽(yáng)市，境內(nèi)高程起伏大，西北高、東南低，北部丘巒起伏、溝壑縱橫，南部主要為關(guān)中平原，境內(nèi)30%的面積被五峰山、九嵕山和朝陽(yáng)山等山體覆蓋。境內(nèi)地形地貌復(fù)雜多變，北部為高海拔山區(qū)（海拔范圍為600 m~1 200 m），中部為黃土丘陵區(qū)（海拔范圍為580m~850m），南部為黃土臺(tái)原區(qū)-川原平地（海拔范圍為450 m~560 m），有涇河、泔河等河流，可利用水面積約3.333 km，為雨水和地表徑流提供了良好的排泄路徑。

基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)分析區(qū)域水土流失情況，需要獲取縣域內(nèi)地形的高程信息，可以采用數(shù)字高程模型（DEM）生成高程數(shù)據(jù)。

1 確定無人機(jī)飛行航線方案

以陜西省咸陽(yáng)市禮泉縣某村建設(shè)工程水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量為例，待測(cè)區(qū)域?yàn)? km，區(qū)域內(nèi)房屋以磚混和鋼混為主，地形整體較為平坦，地表植被分布一般，預(yù)設(shè)了4種不同的無人機(jī)飛行航線布設(shè)工況，如圖1所示。在工況1的條件下，無人機(jī)飛行航線在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)橫向均勻掃射布置。在工況2的條件下，無人機(jī)飛行航線在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)縱向均勻掃射布置。在工況3的條件下，無人機(jī)飛行航線在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)沿斜角均勻掃射布置。在工況4的條件下，無人機(jī)飛行航線在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)縱、橫2個(gè)方向均勻掃射布置。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量相控布置工況

無人機(jī)攝影測(cè)量設(shè)備為中海達(dá)多旋翼智能航測(cè)無人機(jī)，其旋翼數(shù)量為6翅，槳葉類型為全碳纖折疊槳，起飛和降落方式為垂直起降，能夠?qū)崿F(xiàn)POS輔助自動(dòng)導(dǎo)航功能，無人機(jī)設(shè)備的軸距為1 200 mm，典型的飛行高度達(dá)到60 m~750 m，最大飛行高度為4 500 m，典型的巡航速度不超過10 m/s，無人機(jī)的典型地面采用距離1.6 cm~2.0 cm、超飛質(zhì)量為12 g、太陽(yáng)高度角大于30°且陰影倍數(shù)小于2倍。根據(jù)無人機(jī)相機(jī)配備的傳感器元件的配置情況可知，當(dāng)攝影航高為750 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的地面分辨率為0.2 m。當(dāng)攝影航高為560 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的地面分辨率為0.15 m。當(dāng)攝影航高為300 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的地面分辨率為0.08 m。當(dāng)攝影航高為185 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的地面分辨率為0.05 m。

2 無人機(jī)傾斜攝影工作處理流程

水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量的無人機(jī)傾斜攝影工作流程如圖2所示。首先，選取合理的像控點(diǎn)布置方案，在測(cè)區(qū)內(nèi)布置像控點(diǎn)。其次，根據(jù)測(cè)區(qū)環(huán)境設(shè)計(jì)飛行方案，確定飛行平臺(tái)和飛行航線，操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行垂直攝影和傾斜攝影。再次，對(duì)采集的無人機(jī)傾斜攝影圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解譯，對(duì)圖像的特征進(jìn)行提取以及數(shù)據(jù)濾波等操作。最后，獲得水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與實(shí)際值進(jìn)行精度驗(yàn)證。

圖2 基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的房地一體化測(cè)量流程

3 基于無人機(jī)遙感的水土保持監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)例

3.1 區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

在水土流失評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)函數(shù)模型中，Williams提出的改進(jìn)通用土壤侵蝕方程應(yīng)用較為廣泛，其參數(shù)包括地表徑流（地質(zhì)水文因子）、降雨峰值（降雨因子）、地形因子L、植被覆蓋率C（植被因子）、土壤含礫石百分比以及土壤侵蝕系數(shù)（土壤因子）。水土流失量S如公式（1）所示。

式中：為流域面積，km；為土壤防水土流失措施；C為植被覆蓋率，%；為土壤含礫石百分比，%；L為地形因子；為土壤侵蝕系數(shù)；為降雨峰值，m/s；為地表徑流，m；S為水土流失量，t。

可以根據(jù)坡長(zhǎng)、坡度以及坡角度確定地形因子L的計(jì)算公式，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：為坡度，%；為坡長(zhǎng)，m；L為地形因子；為坡角度，°。

3.2 基于無人機(jī)遙感的水土保持監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

待測(cè)區(qū)域20個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量點(diǎn)位置誤差δ如圖3所示。由圖3可知，在同一工況下，不同檢查點(diǎn)的點(diǎn)位誤差δ存在不同程度的波動(dòng)，且各個(gè)工況的點(diǎn)位誤差δ值波動(dòng)互相分離。在工況1的條件下，點(diǎn)位誤差的最大值δ為0.069 8，最小值δ為0.050 9，平均值δ為0.059 4。在工況2的條件下，點(diǎn)位誤差的最大值δ為0.691 0，最小值δ為0.052 8，平均值δ為0.632 0。在工況3的條件下，點(diǎn)位誤差的最大值δ為0.089 6，最小值δ為0.065 9，平均值δ為0.079 7。在工況4的條件下，點(diǎn)位誤差的最大值δ為0.039 6，最小值δ為0.020 4，平均值δ為0.032 2。由此可知，在工況3的條件下，無人機(jī)飛行航線在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)沿斜角均勻掃射布置，它得到的點(diǎn)位誤差最大。在工況4的條件下，無人機(jī)飛行航線在待測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)縱、橫2個(gè)方向均勻掃射布置，其得到的點(diǎn)位誤差最小。而在工況1和工況2的條件下，得到的點(diǎn)位誤差介于兩者之間，且工況1和工況2的點(diǎn)位誤差相近。

對(duì)區(qū)域內(nèi)2020年3—12月的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，并統(tǒng)計(jì)水土侵蝕情況，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，按照侵蝕模數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的水土流失程度進(jìn)行等級(jí)劃分，當(dāng)區(qū)域內(nèi)侵蝕模數(shù)為0 t/hm/a~10 t/hm/a時(shí)，確定等級(jí)為微度侵蝕。當(dāng)侵蝕模數(shù)為10 t/hm/a~25 t/hm/a時(shí)，確定等級(jí)為輕度侵蝕。當(dāng)侵蝕模數(shù)為25 t/hm/a~50 t/hm/a時(shí)，確定等級(jí)為中度侵蝕。當(dāng)侵蝕模數(shù)為50 t/hm/a~100 t/hm/a時(shí)，確定等級(jí)為強(qiáng)度侵蝕。當(dāng)侵蝕模數(shù)為100 t/hm/a~200 t/hm/a時(shí)，確定等級(jí)為極強(qiáng)度侵蝕。當(dāng)侵蝕模數(shù)為大于或等于200 t/hm/a時(shí)，確定等級(jí)為劇烈侵蝕。

由圖3可知，3—12月縣域內(nèi)的微度侵蝕面積呈先縮小后擴(kuò)大的趨勢(shì)，面積占比從56.871%（3月）降低到48.012%（7月），隨后提高到52.985%（12月），平均侵蝕模數(shù)為3.472 t/hm/a。縣域內(nèi)的輕度侵蝕面積呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，但擴(kuò)大幅度變小，面積占比從23.214%（3月）降低到13.178%（7月），隨后再提高到26.700%（12月），平均侵蝕模數(shù)為16.394 t/hm/a。縣域內(nèi)的中度侵蝕面積也呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，但擴(kuò)大幅度變小，面積占比從10.778%（3月）提高到13.178%（7月），隨后再提高到14.960%（12月），平均侵蝕模數(shù)為34.973 t/hm/a。縣域內(nèi)的強(qiáng)度侵蝕面積呈先擴(kuò)大后縮小的趨勢(shì)，面積占比從7.397%（3月）提高到10.274%（7月），隨后降低到3.783%（12月），平均侵蝕模數(shù)為65.239 t/hm/a?？h域內(nèi)的極強(qiáng)度侵蝕面積呈先擴(kuò)大后縮小的趨勢(shì)，面積占比從1.108%（3月）提高到2.536%（7月），隨后降低到1.028%（12月），平均侵蝕模數(shù)為129.395 t/hm/a。縣域內(nèi)的劇烈侵蝕面積呈先擴(kuò)大后縮小的趨勢(shì)，且降低幅度較大，面積占比從0.633%（3月）提高到0.990%（7月），隨后降低到0.543%（12月），平均侵蝕模數(shù)為228.249 t/hm/a。

圖3 待測(cè)區(qū)域無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位誤差

從圖4中也可以看出，在同一年度，從微度侵蝕向劇烈侵蝕變化時(shí)，隨著侵蝕強(qiáng)度的增加，面積占比也逐漸降低，微度侵蝕與輕度侵蝕的面積占比的和大于70%，極強(qiáng)度侵蝕與劇烈侵蝕的面積占比的和小于5%。以3月份為例，微度侵蝕的面積占比為56.871，隨后逐漸降低，劇烈侵蝕的面積占比為0.663%，微度侵蝕與輕度侵蝕的面積占比的和為80.085%。由此可知，縣域內(nèi)的水土流失以輕度侵蝕和微度侵蝕為主，當(dāng)制定區(qū)域內(nèi)的水土流失治理與生態(tài)恢復(fù)治理方案時(shí)，可以重點(diǎn)考慮這2種等級(jí)的侵蝕治理。

圖4 監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同水土侵蝕程度的水土面積占總面積的百分比

由于研究區(qū)域內(nèi)的水土流失情況與地形因子的相關(guān)性較高，因此對(duì)12月監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同坡度等級(jí)條件下水土流失面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析地形因素對(duì)水土侵蝕等級(jí)的影響，結(jié)果見表1。統(tǒng)計(jì)時(shí)，將地形因子中的坡度劃分為6個(gè)等級(jí)，坡度增量為15°。由表1可知，在同一坡度區(qū)間中，從微度侵蝕到劇烈侵蝕，隨著侵蝕等級(jí)的增加，水土流失的面積不斷減少，以坡度0°~15°為例，微度侵蝕時(shí)的水土流失面積為1 731.179 km，中度侵蝕時(shí)的水土流失面積為53.890 km，劇烈侵蝕時(shí)的水土流失面積為0.023 km。在同一侵蝕等級(jí)條件下，隨著坡度角度的增加，水土流失的面積也呈逐步減少的趨勢(shì)，以微度侵蝕為例，坡度為0°~15°時(shí)的水土流失面積為1 731.179 km，坡度為30°~45°時(shí)的水土流失面積為295.038 km，坡度為75°~90°時(shí)的水土流失面積為3.201 km。綜合分析可知，縣域內(nèi)的水土流失面積主要集中在坡度角度較小的范圍內(nèi)，水土流失治理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地形坡度小于30°時(shí)的水土侵蝕治理，而當(dāng)坡度角度大于75°時(shí)，水土流失的面積較小。

表1 12月監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同坡度等級(jí)條件下水土流失面積

4 結(jié)語

以禮泉縣某村建設(shè)工程水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量為例，采用無人機(jī)遙感技術(shù)研究區(qū)域水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，得到以下2個(gè)結(jié)論：1） 在工況3的條件下，得到的點(diǎn)位誤差最大，在工況4的條件下，得到的點(diǎn)位誤差最小，工況1和工況2得到的點(diǎn)位誤差介于兩者之間，且工況1和工況2的點(diǎn)位誤差相近。2） 研究區(qū)域內(nèi)水土流失以輕度侵蝕和微度侵蝕為主，當(dāng)制定區(qū)域內(nèi)的水土流失治理與生態(tài)恢復(fù)治理方案時(shí)，可以重點(diǎn)考慮這2種等級(jí)的侵蝕治理；水土流失面積主要集中在坡度角度較小的范圍內(nèi)，水土流失治理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地形坡度小于30°時(shí)的水土侵蝕治理，而當(dāng)坡度角度大于75°時(shí)，水土流失的面積較小。