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作者簡介:杜娜(1984—)?,女,碩士,高級工程師,研究方向為生態(tài)經(jīng)濟、國土空間規(guī)劃。
DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-8458
摘要:研究提出了一種基于無人機遙感影像分析的基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法,即利用無人機技術(shù)采集基本農(nóng)田土地圖像,并建立土壤、植被、氣候等因素的遙感反演模型。通過綜合考慮多種指標,計算基本農(nóng)田土地環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù),實現(xiàn)對土地環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)測。實驗證明:此種方法具有較高的監(jiān)測精度,能夠準確評價土地環(huán)境質(zhì)量并控制評價結(jié)果誤差;為農(nóng)田管理者提供了可靠的數(shù)據(jù)支持,促進農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護。
關(guān)鍵詞:無人機遙感影像??基本農(nóng)田??土地環(huán)境??遙感反演??質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測
中圖分類號:X833
基本農(nóng)田作為我國農(nóng)業(yè)的重要組成部分,其土地環(huán)境質(zhì)量直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的安全和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此,對基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測,具有十分重要的意義?;巨r(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的主要目的是了解和掌握農(nóng)田土壤、水質(zhì)、生物等環(huán)境因素的現(xiàn)狀及變化情況,及時發(fā)現(xiàn)和解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題,保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全,促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?;巨r(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測可分為土壤監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、生物監(jiān)測等[2]。為促進基本農(nóng)田土地環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,本文將結(jié)合無人機遙感影像分析技術(shù),開展對基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法的設(shè)計研究。
1??基本農(nóng)田土地?zé)o人機遙感圖像處理
1.1 ?規(guī)劃無人機的作業(yè)航線
引入無人機遙感影像分析技術(shù)對基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測。首先需要完成對基本農(nóng)田土地圖像的采集和處理[3]?;跓o人機遙感影像的基本農(nóng)田土地圖像采集與處理,主要步驟具體敘述如下。
第一步,確定監(jiān)測目標。明確需要監(jiān)測的基本農(nóng)田土地范圍和目標,確定監(jiān)測的重點和要求。第二步,選擇合適的無人機。根據(jù)監(jiān)測目標的要求,選擇合適的無人機類型和型號,考慮其載荷、航程、穩(wěn)定性等因素。第三步,安裝遙感影像設(shè)備。在無人機上安裝遙感影像設(shè)備,包括高分辨率相機、多光譜相機、紅外傳感器等,根據(jù)需要選擇合適的設(shè)備類型和數(shù)量[4]。第四步,規(guī)劃航線。根據(jù)監(jiān)測目標的要求,規(guī)劃無人機的飛行航線,確定航高、航速、拍攝間隔等參數(shù),確保拍攝的圖像能夠覆蓋整個監(jiān)測范圍。第五步,進行圖像采集。按照規(guī)劃的航線,操縱無人機進行圖像采集,注意保持無人機的穩(wěn)定性和圖像的質(zhì)量。第六步,數(shù)據(jù)傳輸和處理。將采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲净驍?shù)據(jù)中心,進行圖像處理和分析,包括圖像拼接、幾何校正、輻射定標等處理,提取所需的信息和特征。第七步,提取和分析信息。根據(jù)監(jiān)測目標的要求,對處理后的圖像進行分析和提取信息,如土地利用類型、植被覆蓋度、土壤質(zhì)量等,生成報告或地圖等成果。
在規(guī)劃無人機的作業(yè)航線時,以無人機的起飛起點為坐標原點,由其北向、東向分別引出 Y軸及X軸,構(gòu)成第一象限監(jiān)控區(qū)[5]。將 OXY設(shè)置為此坐標系中的工作環(huán)境坐標系。將凸多邊形工作區(qū)分為?n條邊界線,根據(jù)每次無人機遙感圖像采集的范圍,在監(jiān)控區(qū)內(nèi)增加若干條分區(qū)分割線,將工作區(qū)分割成多個子區(qū)。然后,求出各子操作區(qū)的橫向界限值,并以此界限值所對應(yīng)的坐標為無人駕駛點。根據(jù)遞歸原則,可以得到各航線點的坐標,其表達式為:
上述公式中:、
、
、
分別為無人機航線上的4個航測點;
為橫坐標極大值點;
為橫坐標極小值點;
為縱坐標極大值點;
為循環(huán)次數(shù)。
1.2 ?遙感影像處理
通過無人機的連續(xù)垂直航拍,獲得被監(jiān)測區(qū)域的高分辨率遙感影像,并將其作為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的重要依據(jù)。為了更方便進行監(jiān)測,對不同影像之間的單應(yīng)性矩陣進行計算,以此實現(xiàn)對遙感影像的拼接,單應(yīng)性矩陣需要滿足的要求為:
式(5)中:為常數(shù);
為監(jiān)測點二維圖像坐標;
為不同遙感影像之間的單應(yīng)性矩陣;
為三維齊次坐標。從無人機遙感圖像獲取原則出發(fā),對不同視角的航拍進行了說明,設(shè)定了相應(yīng)的大地平面,并對這個平面到原點的距離進行分析,可以得到:
式(6)中:為平面與原點之間的距離。采用單應(yīng)矩陣,可將遙感圖像中各像元的坐標轉(zhuǎn)換為一個統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)[6]。
2 ?建立基本農(nóng)田土地環(huán)境遙感反演模型
在建立基本農(nóng)田土地環(huán)境遙感反演模型時,根據(jù)監(jiān)測目標和區(qū)域特點,選擇合適的遙感數(shù)據(jù)源,包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航空數(shù)據(jù)等,考慮其空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率等因素。明確需要反演的基本農(nóng)田土地環(huán)境因素,如土壤類型、植被覆蓋度、土壤濕度等,選擇合適的遙感指標和模型進行反演[7]。在遙感反演過程中,需要考慮環(huán)境和天氣因素對遙感數(shù)據(jù)的影響,如大氣吸收和散射、光照條件等,需要對這些因素進行評估和處理。針對無人機遙感圖像中包含了植被與土壤兩種信息的特點,采用像元二分法進行地表光譜信息的提取與反演,是實現(xiàn)遙感反演的前提[8-9]。圖像光譜信息通過像元二分模型進行分解:
式(7)中:為遙感影像的光譜信息;
為基本農(nóng)田土地上植被的光譜信息;
為植被像元占比;
為基本農(nóng)田土地上土壤光譜信息;
為土壤像元占比。
3??基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測
為了更直觀地得到土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果,需要進行對土地環(huán)境指數(shù)的計算[10]。針對存在單一影響環(huán)境質(zhì)量的元素,在其影響作用下,土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)可表示為:
式(8)中:為土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù);
為實際測量影響元素含量;
為背景土壤元素值。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合綜合指數(shù)方法,對多種影響因素共同作用下的基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進行計算:
式(9)中:為基本農(nóng)田土地環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù);
為土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)平均值;
為環(huán)境指數(shù)最小值。
4??對比實驗
以某地區(qū)基本農(nóng)田土地為例,分別利用本文上述提出的基于無人機遙感影像分析技術(shù)的監(jiān)測方法、基于GEE的監(jiān)測方法和基于Landsat的監(jiān)測方法對該土地的環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測。為了方便論述,將本文監(jiān)測方法設(shè)置為實驗組,將基于GEE的監(jiān)測方法設(shè)置為對照A組,將基于Landsat的監(jiān)測方法設(shè)置為對照B組。通過對依托的基本農(nóng)田土地進行初步調(diào)查得出,該區(qū)域鄰近湖泊,是該地區(qū)關(guān)鍵的產(chǎn)糧區(qū)域。近年來,為了提升農(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量,該區(qū)域大量使用農(nóng)藥、化肥等化學(xué)物質(zhì),導(dǎo)致土壤重金屬污染不斷加重。為了監(jiān)測這一現(xiàn)象,并采取有效的治理措施,該區(qū)域采用無人機搭載遙感影像采集設(shè)備的技術(shù)手段,獲取大量的實驗數(shù)據(jù)。在應(yīng)用無人機獲取遙感影像時,所選擇的無人機相關(guān)參數(shù)如表1所示。
針對該地區(qū)基本農(nóng)田土地,將其平均分為5個區(qū)域,并在每個區(qū)域內(nèi)隨機選擇一個點作為監(jiān)測點,分別編號為I-01、II-01、III-01、IV-01、V-01。為實現(xiàn)對3種監(jiān)測方法監(jiān)測性能的比較,將監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差作為衡量指標,公式為:
式(10)中:為監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差;
為實際土地環(huán)境污染指數(shù);
為監(jiān)測方法得到的監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)上述公式,對各個監(jiān)測點3種監(jiān)測方法的監(jiān)測結(jié)果均方根誤差進行計算,并得到如表2所示結(jié)果。
從表2中的數(shù)據(jù)對比可以看出,實驗組監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差能夠控制在小于4.00%的范圍內(nèi),而對照A組監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差在15.00%~20.00%范圍內(nèi)波動,對照B組監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差均高于20.00%。由這一結(jié)果可知:實驗組監(jiān)測方法的監(jiān)測精度更高,得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量的準確評價,而其他現(xiàn)有監(jiān)測方法不具備這一監(jiān)測精度水平。
5結(jié)語
基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測是保障農(nóng)產(chǎn)品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。通過對土壤、水質(zhì)、生物等環(huán)境因素的監(jiān)測,可以全面了解基本農(nóng)田土地環(huán)境的質(zhì)量狀況,及時發(fā)現(xiàn)和解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題。在實施監(jiān)測過程中,應(yīng)注重合理選擇采樣點、規(guī)范采樣方法、科學(xué)分析檢測等方面的工作,提高監(jiān)測結(jié)果的準確性和可靠性。同時,應(yīng)加強監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和支持。
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