無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

葉林春

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

水土保持監(jiān)測(cè)是反映研究區(qū)內(nèi)水土流失狀況和水土流失綜合治理情況的一種關(guān)鍵手段，對(duì)水土保持防治措施的科學(xué)實(shí)施和維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡均具有重要意義[1]。傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、資料分析等。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是現(xiàn)代便捷而精準(zhǔn)的一種新型手段。利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確判斷水土流失的精確時(shí)間、位置和強(qiáng)度，對(duì)實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)測(cè)工作的信息化建設(shè)具有重要推動(dòng)作用[2]。

1 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的弊端

為了有效預(yù)防水土流失、維持生態(tài)穩(wěn)定，采取各種不同現(xiàn)代化技術(shù)措施進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)，以水土流失區(qū)域位置、危害程度、治理措施等作為研究對(duì)象，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目區(qū)展開(kāi)全面、系統(tǒng)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，為水土保持工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中，水土流失的危害程度較大，而又由于傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)受到許多限制，存在諸多缺陷，因此如何高效、全面地進(jìn)行水土流失監(jiān)測(cè)是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的弊端主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)監(jiān)測(cè)區(qū)域受限。通常采用人工調(diào)查的監(jiān)測(cè)方式，對(duì)區(qū)域規(guī)模的要求較高，只適用于小區(qū)域的監(jiān)測(cè)且受到人為因素的影響較大，致使監(jiān)測(cè)精度無(wú)法達(dá)到規(guī)范要求，造成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。若需在大區(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)作業(yè)，會(huì)因人手不足影響人員分配，或在高危地帶的監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)，無(wú)法依靠人力進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

(2)數(shù)據(jù)采集技術(shù)滯后。數(shù)據(jù)采集主要有2個(gè)方面制約因素：一方面是研究經(jīng)費(fèi)不足，監(jiān)測(cè)范圍覆蓋不全面，無(wú)法滿足生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的要求。另一方面是主要以人工操作為主，數(shù)據(jù)信息采集效率及準(zhǔn)確率較低，部分動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)無(wú)法有效記錄，總體來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)技術(shù)有待提高，數(shù)據(jù)采集技術(shù)滯后，需要變革更新。

(3)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平較低。在信息技術(shù)急速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備正在慢慢向自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工具轉(zhuǎn)變，但仍需要提高監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為自動(dòng)化發(fā)展中的產(chǎn)物，已憑借其成本低、效率高等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展為水土保持監(jiān)測(cè)中的重要技術(shù)手段。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的主要功能是準(zhǔn)確收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理，最后形成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)圖像，該技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成國(guó)內(nèi)外學(xué)者的熱門(mén)研究問(wèn)題。現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)雖然已從試驗(yàn)階段過(guò)渡到使用階段，但技術(shù)并不十分成熟，還未能構(gòu)成完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)概述

2.1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的定義

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是以無(wú)人機(jī)作為中間載體，結(jié)合無(wú)人機(jī)飛行技術(shù)、GPS、計(jì)算機(jī)技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)，快速準(zhǔn)確地獲取信息，完成數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用分析的技術(shù)。隨著無(wú)人機(jī)上可搭載的數(shù)據(jù)化探測(cè)設(shè)備及遙感傳感器的更新完善，該技術(shù)可以根據(jù)項(xiàng)目的不同需求獲取相應(yīng)的信息，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。目前，已涉及土地利用監(jiān)測(cè)、水利水電、突發(fā)事件調(diào)查等多個(gè)領(lǐng)域。

與早期的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的影像分辨率更高，主要是可以設(shè)置無(wú)人機(jī)飛行速度、高度及飛行時(shí)間等參數(shù)，進(jìn)而獲取既滿足精度要求，同時(shí)分辨率又較高的影像[4]。此外，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)還可以結(jié)合實(shí)際任務(wù)需求，設(shè)定飛行路線和飛行頻次，進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)地的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的主要特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)借助無(wú)人機(jī)收集地表數(shù)據(jù)信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理為三維圖形，在整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化層面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的主要特點(diǎn)為:①拍攝精度高。無(wú)人機(jī)的飛行范圍一般在50～1000m，采集地表數(shù)據(jù)信息時(shí)的航拍精度為0.1～0.5m。②實(shí)用性強(qiáng)且設(shè)備費(fèi)用低。無(wú)人機(jī)身形輕巧且矯健，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，飛行作業(yè)時(shí)靈活自如，對(duì)外在環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。一般作業(yè)為低空飛行，受雨雪等天氣的影響較小，同時(shí)，機(jī)身及拍攝設(shè)備費(fèi)用較低。③操作簡(jiǎn)單且安全。監(jiān)測(cè)時(shí)不需要特定的外在條件，即可快速起升，相對(duì)操作簡(jiǎn)單。同時(shí)，不易受到天氣因素的干擾，可在嚴(yán)寒或酷暑條件下作業(yè)，安全性也較高，在遇到突發(fā)狀況時(shí)，如危險(xiǎn)區(qū)域的調(diào)查、空中救援指揮等，不會(huì)造成人員的傷亡。④拍攝便捷且分辨率高。無(wú)人機(jī)易于控制飛行航線，可以根據(jù)需求多角度拍攝，針對(duì)一般監(jiān)測(cè)區(qū)可采用豎直拍攝收集數(shù)據(jù)信息，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以采用斜向拍攝收集細(xì)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，成像效果清晰。該技術(shù)充分發(fā)揮了其拍攝便捷的優(yōu)勢(shì)，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間因相互覆蓋而掩蓋原始數(shù)據(jù)的問(wèn)題，進(jìn)而能夠獲得全面詳細(xì)的影像信息和完整的監(jiān)測(cè)圖件。

3 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在水土保持監(jiān)測(cè)中，能及時(shí)準(zhǔn)確地反映水土流失動(dòng)態(tài)，提供決策依據(jù)和綜合治理方案是至關(guān)重要的[5]。目前，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的工作流程主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取、信息轉(zhuǎn)換及應(yīng)用。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查監(jiān)測(cè)，采集地形圖量測(cè)數(shù)據(jù)信息，使得水土保持監(jiān)測(cè)工作更加科學(xué)高效。具體應(yīng)用以某地區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)為例。

3.1 方案設(shè)計(jì)

以某地區(qū)工程的施工圖與當(dāng)?shù)氐孛沧鳛檠芯繉?duì)象，建立航拍監(jiān)測(cè)體系。根據(jù)研究區(qū)的工程水土流失特點(diǎn)，確定區(qū)域內(nèi)水土保持監(jiān)測(cè)范圍，本文以水土流失面積120hm2為例，監(jiān)測(cè)方法主要為無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)。依據(jù)預(yù)定的監(jiān)測(cè)范圍與時(shí)段進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)，對(duì)研究區(qū)域的水土流失情況進(jìn)行定量及定性分析，全面掌握水土流失區(qū)域防治措施的實(shí)施情況以及實(shí)施后的控制現(xiàn)狀。

3.2 監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容及成果應(yīng)用分析

(1)地質(zhì)狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。①監(jiān)測(cè)內(nèi)容: 其中包括土地利用類(lèi)型、土地?cái)_動(dòng)面積與地質(zhì)演變情況等。②應(yīng)用: 依據(jù)DOM成果和項(xiàng)目區(qū)平面布置圖，勾劃各片區(qū)的邊界線。基于AcrGIS技術(shù)，計(jì)算各片區(qū)的土地?cái)_動(dòng)面積，同時(shí)注明各區(qū)的土地利用類(lèi)型。還可以利用時(shí)間差比對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，了解土地的演變情況。

(2)水土保持工程的監(jiān)測(cè)。①監(jiān)測(cè)內(nèi)容: 主要包括取土場(chǎng)、堆放場(chǎng)以及棄土場(chǎng)的落實(shí)情況等。②應(yīng)用: 依據(jù)DOM成果確定研究區(qū)內(nèi)的取土場(chǎng)、堆放場(chǎng)以及棄土場(chǎng)，標(biāo)識(shí)其具體位置，計(jì)算其具體數(shù)量。同時(shí)，還可以計(jì)算項(xiàng)目施工期間堆放場(chǎng)內(nèi)棄渣量的變化，并從影像和三維模型中觀察水土防治措施的落實(shí)情況。

(3)水土保護(hù)措施的監(jiān)測(cè)。①監(jiān)測(cè)內(nèi)容: 主要包括物理工程措施、生物措施和其他臨時(shí)防治措施。②應(yīng)用: 依據(jù)DOM成果獲取研究區(qū)的水土保護(hù)措施情況。物理工程措施的成果可應(yīng)用于確定土地整治面積、工程及植物護(hù)坡位置和面積等；生物措施的成果可應(yīng)用于確定綠化面積和植被覆蓋度等；其他臨時(shí)防治措施的成果可應(yīng)用于確定臨時(shí)攔擋位置及長(zhǎng)度等。

(4)土壤流失情況的監(jiān)測(cè)。①監(jiān)測(cè)內(nèi)容: 主要包括土壤流失面積、流失量及流失危害等。②應(yīng)用: 利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取土壤流失面積，結(jié)合地面觀測(cè)所獲得的土壤侵蝕模數(shù)，計(jì)算各片區(qū)的土壤流失量，還可以只依靠無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，根據(jù)植被覆蓋度、土地利用類(lèi)型等數(shù)據(jù)，代入方程及分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，獲得土壤流失量、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

(5)水土流失防治效果監(jiān)測(cè)。①監(jiān)測(cè)內(nèi)容: 主要包括土壤流失控制比、林草植被恢復(fù)率及覆蓋率等指標(biāo)。②應(yīng)用: 獲得數(shù)據(jù)信息后代入各指標(biāo)的計(jì)算公式即可，同時(shí)需檢驗(yàn)其是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 監(jiān)測(cè)的預(yù)期成果及建議

(1)預(yù)期成果。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用需及時(shí)提取有效數(shù)據(jù)信息，并做好原始記錄，按照相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，完備手續(xù)，檢查數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，以便逐一應(yīng)用到監(jiān)測(cè)工作中。針對(duì)水土保持及流失情況的監(jiān)測(cè)，應(yīng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并撰寫(xiě)相關(guān)的監(jiān)測(cè)總結(jié)報(bào)告，其中應(yīng)包括監(jiān)測(cè)報(bào)告、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、相應(yīng)的監(jiān)測(cè)圖件和必要的影像資料。

(2)建議。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用仍存在不足之處，在水土保持監(jiān)測(cè)中還沒(méi)有形成完整的技術(shù)路線，處于初級(jí)探索階段[6]。例如現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)的搭載主要是可見(jiàn)光波段，也可以搭載熱紅外、高光譜等載荷，以便滿足環(huán)境影響評(píng)價(jià)的不同需求。在監(jiān)測(cè)水體及植被等要素時(shí)，搭載多光譜成像儀，更能全面地監(jiān)測(cè)地表水環(huán)境質(zhì)量和環(huán)境的動(dòng)態(tài)演變情況，有助于客觀評(píng)價(jià)項(xiàng)目對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。還可以研發(fā)各類(lèi)采樣設(shè)備，融合重量輕、體積小等優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)低空采樣分析，同時(shí)結(jié)合地面監(jiān)測(cè)手段，為無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)方法提供補(bǔ)充。在今后的監(jiān)測(cè)中應(yīng)制定相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)置專(zhuān)門(mén)的技術(shù)試驗(yàn)區(qū)，使此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用更加標(biāo)準(zhǔn)化，形成系統(tǒng)化的完整體系，為水土保持監(jiān)測(cè)工作提供更好的服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，水土保持監(jiān)測(cè)工作在要求高效率的同時(shí)，還向著智能化方向發(fā)展。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不僅改進(jìn)了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，還能提高項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的精度和自動(dòng)化程度。通過(guò)本文分析可知，利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)能收集區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，從而研究分析出各部分監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的瓶頸，解決了精度低、區(qū)域局限性等常見(jiàn)問(wèn)題，加快了水土保持監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的自動(dòng)化發(fā)展。