基于無人機(jī)遙感技術(shù)的冀西北典型小流域綜合治理效果分析

［關(guān)鍵詞］無人機(jī)；遙感技術(shù)；治理效果；小流域；冀西北

［摘要］在河北省懷來縣東溝小流域綜合治理工程范圍內(nèi)應(yīng)用無人機(jī)遙感技術(shù)，獲取高精度正射影像圖，建立了9種治理措施的14個(gè)解譯標(biāo)志，采用人機(jī)交互方式勾繪了水土保持措施圖斑并矢量化，以便提取各類措施工程量，計(jì)算小流域水土流失治理度、林草覆蓋率、水土保持措施保存率，以及分析水土流失消長情況。結(jié)果表明：東溝小流域經(jīng)過綜合治理，水土流失治理度達(dá)到84%，未新增強(qiáng)烈及以上侵蝕，水土流失面積及強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了雙下降，林草覆蓋率達(dá)到63%，水土保持措施保存率達(dá)到100%，有效控制了水土流失，生態(tài)環(huán)境得到持續(xù)性的改善；無人機(jī)遙感技術(shù)在小流域綜合治理效果評估工作中具有很高的應(yīng)用潛力和推廣價(jià)值。

［中圖分類號］S157；P237［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］1000－0941（2023）03－0005－03

小流域綜合治理工程是以小流域水土流失治理為中心，以提高生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益和推動社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，以基本農(nóng)田優(yōu)化結(jié)構(gòu)和高效利用及植被建設(shè)為重點(diǎn)，建立具有水土保持兼高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)功能的半山區(qū)小流域綜合治理模式的工程。位于河北省西北部的張家口地區(qū)是重要的京津冀水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)，在京津冀協(xié)同發(fā)展中承擔(dān)著重要功能，地區(qū)水土保持與水源涵養(yǎng)工作尤為關(guān)鍵。本研究選定的東溝小流域綜合治理工程位于張家口市懷來縣，該項(xiàng)目于2016年實(shí)施并建設(shè)完工，是國家水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程，處于永定河上游國家級水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，在冀西北眾多小流域綜合治理工程中具有典型性和代表性。

無人機(jī)遙感技術(shù)整合了先進(jìn)的無人機(jī)飛行技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、定位定姿系統(tǒng)（POS）和差分GPS技術(shù)，是快速獲取空間信息并進(jìn)行精確建模分析的航空遙感技術(shù)手段[1]。該技術(shù)具有拍攝精度高、操作安全、影像分辨率高等特點(diǎn)，借助無人機(jī)收集地表數(shù)據(jù)信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，可獲取詳細(xì)的全覆蓋影像信息，目前已在土地利用監(jiān)測、水利水電突發(fā)事件調(diào)查等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。本研究以東溝小流域綜合治理工程為研究對象，基于無人機(jī)遙感技術(shù)，監(jiān)測、分析、研判其綜合治理成效。

1研究區(qū)本底概況及治理設(shè)計(jì)

東溝小流域位于懷來縣東北部，總面積3488.13hm2，其中草地、灌木林地面積2922.56hm2，占總面積的83.79%，而坡耕地面積為151.27hm2，僅占4.34%，具體占地類型組成見表1。流域土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，主要發(fā)生在坡耕地和干旱陽坡，侵蝕形式表現(xiàn)為坡耕地的層狀面蝕、砂礫化面蝕、細(xì)溝狀面蝕，以及一級荒山陽坡的鱗片狀面蝕和溝蝕，重力侵蝕、風(fēng)力侵蝕與之相伴發(fā)生。治理前，項(xiàng)目區(qū)林草覆蓋率為55%，存在輕度侵蝕1224hm2、中度侵蝕11hm2，無強(qiáng)烈及以上侵蝕；平均土壤侵蝕模數(shù)達(dá)1348t/（km2·a），年均土壤流失量達(dá)1.66萬t。其綜合治理設(shè)計(jì)及完成工程量見表2。

2影像生成與處理

本研究使用的是大疆經(jīng)緯M300RTK四軸旋翼無人機(jī)，配置分辨率960P的FPV攝像頭，具有障礙自動感知、跟隨拍攝、規(guī)劃飛行等功能。無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)前，要手動設(shè)置飛行范圍，調(diào)整飛行參數(shù)，進(jìn)行航線規(guī)劃，以便實(shí)時(shí)獲取所需的地表數(shù)據(jù)信息。通過PIX4Dmapper對地表數(shù)據(jù)信息進(jìn)行拼接融合，獲取清晰的TIF格式正射影像圖，并導(dǎo)入ArcGIS中自動生成瓦塊地圖，作為水土保持措施標(biāo)志解譯的判別依據(jù)。

3建立解譯標(biāo)志

通過查詢資料，初步掌握了項(xiàng)目區(qū)內(nèi)主要土地利用和水土保持措施類型、數(shù)量及分布。針對不同水土保持措施類型、土地利用類型的影像特征，結(jié)合野外調(diào)查，建立解譯標(biāo)志，原則上每種類型的解譯標(biāo)志樣本不少于2個(gè)。本研究針對水平梯田、蓄水池、作業(yè)道路、谷坊、標(biāo)志碑、經(jīng)濟(jì)林、喬木林、混交林和封禁治理9種治理措施，建立了14個(gè)解譯標(biāo)志。其中，經(jīng)濟(jì)林、喬木林、混交林（簡稱經(jīng)喬混林）因影像特征差異性小，故合并建立了2個(gè)解譯標(biāo)志；節(jié)水管道因位于地下，遙感影像中不顯示，故無法建立解譯標(biāo)志。針對水澆地、有林地、農(nóng)村建設(shè)用地、農(nóng)村道路4種土地利用類型，建立了8個(gè)解譯標(biāo)志。解譯標(biāo)志示例見表3。

4措施圖斑矢量化

根據(jù)正射影像圖，基于項(xiàng)目區(qū)措施布局圖和解譯標(biāo)志，利用ArcGIS軟件，采用人機(jī)交互方式分別勾繪水土保持措施圖斑，再將圖斑矢量化為面狀（水平梯田、經(jīng)濟(jì)林、喬木林、混交林、封禁治理措施）、線狀（作業(yè)道路措施）、點(diǎn)狀（蓄水池、谷坊、標(biāo)志碑措施）圖斑。限于篇幅原因，表4列舉了三類措施圖斑矢量化前后對比圖。調(diào)取措施圖斑矢量圖屬性表，即可獲得各類措施工程量，即面狀措施面積、線狀措施長度、點(diǎn)狀措施數(shù)量。

5治理效果評估

5.1治理效果評估分析

基于矢量化圖斑，解譯土地利用、水土保持措施和土壤侵蝕狀況，并結(jié)合措施布局圖中的水土保持措施規(guī)模，計(jì)算出評估年2020年水土流失治理度、水土保持措施保存情況、林草覆蓋情況，其結(jié)果見表5。

由表5可知，評估年水土流失治理度達(dá)到84%；林草覆蓋率達(dá)到63%，較項(xiàng)目實(shí)施前提高了8個(gè)百分點(diǎn)；實(shí)施的水土保持措施狀況良好，保存率均達(dá)到100%。

5.2水土流失消長情況分析

依據(jù)項(xiàng)目實(shí)施前和評估年土壤侵蝕判讀結(jié)果，計(jì)算得出各地類下不同水土保持措施的土壤流失量，進(jìn)而判別、歸納各侵蝕強(qiáng)度的水土流失面積，分析不同強(qiáng)度土壤侵蝕消長情況。分析結(jié)果如下：項(xiàng)目實(shí)施年，存在微度侵蝕604hm2、輕度侵蝕1224hm2、中度侵蝕11hm2；項(xiàng)目實(shí)施4a后，有效控制了水土流失，有4hm2中度侵蝕經(jīng)治理轉(zhuǎn)化為1hm2微度侵蝕和3hm2輕度侵蝕，114hm2輕度侵蝕經(jīng)治理轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，未新增強(qiáng)烈及以上侵蝕，見表6。

6結(jié)論

（1）東溝小流域經(jīng)過綜合治理，水土流失治理度達(dá)到84%，未新增強(qiáng)烈及以上侵蝕，水土流失面積和強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了雙下降，林草覆蓋率達(dá)到63%，水土保持措施保存率達(dá)到100%，有效控制了水土流失，生態(tài)環(huán)境得到持續(xù)改善。

（2）在本次小流域綜合治理效果評估工作中，無人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)揮了不可替代的顯著優(yōu)勢。東溝小流域面積廣、地形復(fù)雜，技術(shù)人員難以做到現(xiàn)場全覆蓋調(diào)查與測量，無人機(jī)遙感技術(shù)較好解決了這一難題，大大提高了評估取證的全面性、精確性和科學(xué)性。因此，無人機(jī)遙感技術(shù)在小流域綜合治理效果評估工作中具有很高的應(yīng)用潛力和推廣價(jià)值。

［參考文獻(xiàn)］

［1］葉林春.無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2020（6）：267-269.

［作者簡介］李新旺（1982—），男，河北廣宗人，高級工程師，博士，主要從事水土保持、土地資源管理等方面的研究。［收稿日期］2022-12-01

（責(zé)任編輯張緒蘭）