基于無人機低空遙感技術的水土流失動態監測

安麗琴

(清水縣水務局，甘肅 清水 741400)

0 引 言

水土保持規劃是生態環境保護綜合治理開發各項工作的總體戰略部署與具體工作計劃，它對于預防水土流失，搞好總體整治，合理開發與利用土地和生物資源，提高生態環境保護，推動全國林業事業和經濟發展等工作方面都有著重要意義[1-2]。而傳統的土地保護方案設計中，面臨著資源取得技術手段簡單、科技參考不精確、規范設計方式滯后等許多不足之處[2]。尤其是對大規模的水土保持規劃管理工作，多采取以1∶10 000位置圖輔助于外業人工抽樣調研的方式開展，數據有效性較差，且外業核查覆蓋面少，無法客觀全面地反映研究范圍的基本狀況與動態變化，這些都導致了水土保持規劃設計的沒有科學化和實用價值，也導致各項措施布置不恰當、水土流失防治質量較低等問題[3-4]。

低空遙感技術具備信息的傳播速率較快、周期短、實時性強、圖像效果清晰、受氣候條件的影響較小等優點[3-5]。將低空遙感技術與水保建設現行的有關法規、規范相結合，在低空遙感技術數據收集、水土流失信息抽取和水土保持規劃設計研究等方面形成了基于低空遙感技術的生態環境保持規劃設計方法，可以克服傳統總體規劃工程設計手法的技術缺陷，極大地提高了水土保持規劃設計研究成果的專業性、細致化和效率[6-8]。本文根據陜西省榆林市橫山鮑家寺水土保持規劃設計項目，通過利用低空遙感技術對研究區域內的土地利用情況、水土侵蝕因子進行數據獲取，同時根據數據對該研究區內水土侵蝕現狀作出相應分析。

1 研究區概況

在研究中，選擇陜西省榆林市橫山鮑家寺所處的橫山區為研究對象，其中該地響水鎮的研究區域總面積約2.32 km2，高度約973～1 086 m。平均氣溫較低，約為8.5℃，年均降雨量397.8 mm，最高風力16.0 m/s(西北風)，動土最深處是1.29 m。該區域主要地形地貌是東北低且西南高的特點，其中地貌結構類型主要以鄂爾多斯地區和陜北地區中北段地區地形。位于毛烏素荒漠南緣也是該研究的研究區域，該地區的地形大多是風城草灘地，土質大多是以黃土為主，在半干旱區域，植被較為稀少，主要的植被為草本，除此之外還有一些本木和半喬木的植物，且都位于橫山境內。該地農民經濟收入較低，每年平均6 100元左右，人均基本農田面積僅有0.02 hm2左右。

2 技術路徑設計和數據來源

首先按照研究區域范圍和數字高程模型(DEM)、數字正射影像(DOM)等成果精度條件，完成飛行路徑方案設計，內容包括確定飛行方位、飛行高度、傾角、人生航向和重疊程度等，同時布置相應的數量控制點。除控制軸線之外，對于一些相應的數量解譯的標志也要布置好，其中必須將所有的地物類別包含在內，為今后開展土地使用狀況分析研究提供基礎。按照設定好的航行路徑，開展航拍和攝影，將原始的遙感影像資料進行獲取。然后再將這些資料數據置入專業的制作軟件之中如PixeIGrid等，來獲得DEM和DOM的結果。圖1為數據制作流程圖，表1為各類用地面積情況統計。

圖1 DEM、DOM 數據制作流程圖

表1 研究區各類用地面積現狀情況統計

由圖1可知，從DEM和DOM中獲取分辨率和高程精確度的結果有1 m，0.53 m：0.1 m，0.47 m的平面精確度。

3 土地利用現狀

基于獲取的DOM和DEM研究數據，并結合國家生態保護建設的有關標準準則，在ArcGIS中對水土保持防治工程土地使用狀況進行目視檢查解譯，現狀土地包括旱田、江河水域、荒草地、半裸地、內陸海灘、山坡耕地、疏林、梯田、有林區、礦山土地、傳統村莊、景觀名勝基礎設施土地和高速公路土地等共13類土地，并繪制研究區內土地的使用狀況示意圖(圖2)。為了保證規劃設計人員工作效率得到提高，同時可以將詳細的數字化基礎信息和分析服務更加迅速，所以獲得了土地編碼、圖斑編碼、一般坡度以及第一和最小點的高度。此外，還有圖斑建筑面積和所在村落數量等特征屬性數據信息內容并加以賦值，這些數據都可連動查找所在村落的特征屬性以及信息。這種方法的使用還體現在對于分組采集的研究領域中提取信息，將溝道型式和溝長以及高度和比降，還有一般寬度和溝道面積與溝道的起終止端高程、水平距離等特征屬性數據，并進行了賦值[9]。溝道的形狀及屬性信息不但可以作為土地侵蝕狀況分類，而且還可以為生態環境及城市總體規劃的設計人員開展重大工程措施規劃布局，提供直觀精確的參考依據。

圖2 研究區土地利用現狀圖

4 水土流失現狀分析

現階段，國內外關于水土侵蝕與區土地侵蝕程度的認識基本一致，主要用水土侵蝕的硬度表現區土地侵蝕的力度[10]。因此，本文將通過分析研究區土地侵蝕硬度，對土地侵蝕現象作出進一步解析。研究區內的溝谷縱橫交錯，地勢起伏較大，溝谷川地也占有較大面積。按照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)中的水力沖刷強度面蝕、溝蝕等級指標，對研究區內水土流失強度進行劃分。

4.1 水土流失相關因子指標提取

4.1.1 坡度指標因子提取

在研究過程中，將研究斜坡分成6個等級，主要使用ArcGIS中的3DAnalysT為技術工具，把DEM結果作為基準，以《土地保護整治計劃通則》(GB/T15772-1995)為標準，主要有5°的斜坡、5°～8°的斜坡、8°～15°的斜坡、15°～25°的斜坡、25°～35°的斜坡以及大于等于35°的斜坡，它們都具有斜坡矢量的數值。通過將不同斜坡等級的體積和大小的占比計算，可以得到研究區內斜坡等級的示意圖。其中，坡率在8°～15°左右的地塊占研究區域內總面積最大，達75.74 hm2。

4.1.2 植被覆蓋度指標因子提取

利用遙感技術圖像分析技術從ENVI軟件上首先獲得研究區域的植被，隨后將植被提取圖像和生態環境保持管理工程土地利用狀況圖片進行疊加，從而計算現狀各種土地的植被覆蓋率。按照《土地侵蝕程度類型等級規范》(SL 190-2007)中土地侵蝕面蝕等級指標里相應的非林草蓋度等級規范，土地植被覆蓋率圖是通過將植被覆蓋率按比例劃分的，其中有4個類別：第一類是30%、第二類是30%～45%、第三類是45%～60%、第四類是60%。在此要說明的是，在大于60%的土地中，分別有林地和荒草地，還有疏林和坡耕地，其中荒草地占比最多，最少的是坡耕地。

4.1.3 土地利用類型指標因子提取

綜合參考有關各種土地使用類型對土地侵蝕強度影響的有關文獻資料，并根據研究范圍內現狀土地的使用類型，最后制定了根據不同土地的使用類型對土地侵蝕強度分級的定級指標[11]。見表2。

表2 土地利用定級指標

4.1.4 溝壑密度指標因子提取

溝谷密度是指每平方公里范圍內河川溝(或水文網)的平均總長度，以km或者km2來表示。它是對于土地流失狀況的另類表達形式，同時也是一項重要的可供參考的指標，主要看土地流失級別的分類。使用ArcGIS軟件將匯水面面積和溝谷的網絡信號進行獲取，同時將DEN中獲得的數據分辨率為1 m的設為11 hm2的水面面積閾值。為了測算每個統計單位中的溝谷和總坡面的占比，也可將全溝谷密度系數統計表建立出來。

4.2 水土流失強度分析通過提取

通過對研究區內土地流失有關因子指標解析，并依據《土地流失類型等級規范》(SL 190-2007)中相關等級指標以及按照土地的利用狀況類型，對研究區內土地流失硬度的要求作出界定。具體流程見圖3。

圖3 研究區土地侵蝕流程分析圖

4.2.1 土地侵蝕面蝕分析

在研究中土地侵蝕面強度等級圖的繪制要通過以下幾點來獲得：

1) 參照《土地侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)，其中對土地侵蝕面蝕等級的標明要記錄下來。

2) 分析數據主要使用ArcGIS軟件，該軟件中有數據分析的功能。

3) 疊加各類新生成的植被覆蓋率圖以及地勢的坡度圖。

4) 最終得到的土地侵蝕面強度等級圖還需要將土地侵蝕面等級結果進行修成，使用不同土地，并利用類別所對應的土地入侵強度來修正。

4.2.2 土地侵蝕溝蝕分析

通過調查獲取的溝谷密度指標因子和溝谷所占坡面體積比，以及根據《土地侵蝕地貌分類分級規范》(SL 190-2007)中土地侵害溝蝕等級指數，確立研究區內土地侵害溝蝕的強度等級，并制作溝谷侵害強度等級示意圖。

4.2.3 水土流失強度分析

因研究區溝道具有特定比重，為獲得較準確的土質侵蝕結論，經過參閱有關文獻研究資源以及與水保研究專家的互動交換，決定采用土質沖刷溝蝕的硬度來校準表面蝕硬度。按照溝道占圖斑面積的百分比，對研究區內土地侵蝕面蝕成果加以校對，最后進行校對后的土地侵蝕力度等級確定[12]。

4.3 水土流失現狀分析

圖4為土地侵蝕狀況的示意圖，它的劃分依據是水土流失的強度。通過對土地侵蝕最強烈地區總面積的計算統計可知，在研究區內的土地流失平均面積的總面積189.56 hm2，以研究區內的所有土地面積為總體，占比是81.76%；在以土地流失面積為總面積時，輕微喪失的平均面積為146.37 hm2，它的占比是63.13%；0.76 hm2是中等喪失的平均面積，19.69 hm2的強烈喪失平均面積以及22.32 hm2的極強烈喪失平均面積和0.51 hm2的劇烈喪失平均面積，它們的占比分別為0.29%、8.49%、9.63%及0.22%，可以看出極強烈喪失平均面積最少。由以上水土流失的數據可以看出，最大比例的水土流失覆蓋的面積是輕度的，因此為了避免水土流失更加嚴重就要采取相應的措施來保護生態環境。

圖4 研究區水土流失現狀圖

就土地使用種類而言，輕微水土侵蝕一般散布于斜坡在15°～25°之間的有森林、疏林和荒草地；嚴重水土侵蝕一般散布于斜坡在25°～35°之間的荒草地、坡農田和疏森林；水土流失較嚴重的地區，一般散布在斜坡超過35°以上的荒草地、裸地和內陸海灘。就植物覆蓋度而言，研究區輕微和中等水土侵蝕一般集中分布在森林樹木覆蓋率在45%～60%的地區；劇烈和極強土地侵蝕一般集中分布在森林樹木覆蓋率在30%～45%的地區；水土流失嚴重的地區森林樹木覆蓋率低于30%。

5 結 論

本文通過運用低空遙感技術，收集了榆林市橫山鮑家寺研究區內的DOM和DEM數據信息，基本上獲取了研究區內土地利用狀況，并根據獲取的地勢坡度、植被覆蓋面、溝谷密度等有關指標，綜合評價了研究區內土地侵蝕狀況。結論如下：

1) 據統計和計算，以研究區內的總面積為整體，189.56 hm2的水土流失面積就要占其81.76%的比例，其輕微、中等、嚴重、極嚴重、嚴重喪失的總面積占比分別為63.13%、0.29%、8.49%、9.63%和0.22%。根據數據分析結果，應盡快采取生態環境綜合措施控制水土流失情況繼續惡化，使研究區域輕度水土流失面積比例較大情況得到控制和改善。

2) 從土地使用類型和植被覆蓋率兩個方面，對研究區域土地侵蝕現象的空間分異進行分析。結果表明，各種土地使用類型出現水土侵蝕的程度均隨著坡度的提高而加劇，水土侵蝕主要出現在坡度超過15°的斜坡。水土侵蝕大多出現在植被覆蓋率不足60%的斜坡，植被覆蓋率對水土侵蝕危害較大，應當提高植被覆蓋率以減少水土侵蝕的出現。

綜上所述，通過運用低空遙感技術進行水土流失狀況數據分析，能夠提升水土保持管理的有效性、準確度和規范化。同時，進一步推動水土保持管理的數字化、信息化進度，還能為生態環境保持與管理措施建設和后期的水土保持區動態監控，以及生態環境治理等有關工作提供技術支持與幫助。