無人機在小流域水土流失綜合治理中的應用

［關鍵詞］ 無人機；遙感監測；小流域；水土流失；水土保持措施

［摘 要］ 以新密市尖山鄉下寺溝小流域為研究對象，于2022年7月利用無人機進行低空遙感監測，獲取航片722張，經數據差分解算，固定解比率達到92.683%，POS數據合格率達到98.90%，滿足數據精度要求，采用Pix4Dmapper軟件自動提取航片遙感影像。選取2012年5月遙感影像與此次航拍影像，分別提取土地利用、水保措施、水土流失情況等監測指標，分析近10 a水土保持效益，結果表明：2022年研究區土地利用類型分布更加細碎化；近10 a研究區實施退耕還林、修建梯田和谷坊、硬化道路等水土保持措施，減緩了水土流失；通過3D模型，直觀判定流域內坡度較陡區域、不穩定邊坡和滑坡等，劃定水土流失重點防治區域，分區施策；可為當地水土流失綜合治理提供一定的數據支撐。

［中圖分類號］ S157［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1000－0941（2023）07－0066－03

無人機作為低空地表信息遙測調查及效益監測的重要技術手段［1］，具有飛行速度快、航時長、高度高、姿態穩定等優點，能快捷獲取小流域數字正射影像DOM和數字高程模型DEM，再結合相關軟件可分析小流域內水土流失情況及水土保持措施等相關信息，彌補傳統水土保持調查工作中“到不了、看不全、效率低、精度差”等短板，提升水土保持監測的效率和自動化程度［2-4］。本研究以下寺溝小流域為研究對象，基于無人機遙感監測技術，具體分析無人機在小流域綜合治理中的應用。

1 研究區概況

下寺溝小流域位于河南省新密市尖山風景管理委員會西南，主要河流有寺溝河，流域面積5.22 km2，具體地理位置見圖1。該流域屬伏羲山山脈一帶淺山丘陵區，平均坡度33.73°，地勢西高東低、起伏較大，海拔366.2～837.7 m，相對高差471.5 m（見圖1）。流域內地塊呈階梯狀分布，零碎不規則，表面土層覆蓋較薄，短時產生徑流量大，水土流失嚴重，易發生山洪災害。

流域內喬木樹種有楊樹、柳樹、榆樹等，灌木樹種有荊條、胡枝子、繡線菊等，果園主要種植柿子、石榴、核桃等。

2 無人機航拍

1）設施設備及參數指標。航拍設備：華測P330 Pro純電動垂起固定翼無人機；搭載iXM 100MP相機，像素達11 664×8 750。航線規劃：在華測系統EasyFly軟件中，導入飛行范圍的矢量圖層，設置航拍起始點、起始方向和落地點，根據飛行區自動生成航線條帶。航拍參數指標：飛行高度985 m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，符合《水土保持監測技術規程（SL 277—2002）》的要求。

2）航拍。為減少周邊山體陰影及小流域內植被陰影的干擾，航拍作業時間選擇2022年7月21日太陽直射的正午。根據測區面積和地物復雜程度，在測區內均勻布設一定數量的地面控制點，采用實時動態（RTK）測量技術采集控制點坐標，作為航拍成果整體精度的驗證點位［5］。航拍過程中應及時關注無人機電量、飛行姿態、傳輸信號等情況，確保無人機正常執行任務。每架次飛行完畢后，及時導出飛行信息和航拍照片。此次航拍共布設6個地面控制點，拍攝722張航片。

3 航拍數據處理

1）數據差分解算。通過華測數據處理軟件CGO（CHC Geomatics Office）將航拍所得差分盒子數據、基站數據、基站坐標數據、航片經緯高程信息（POS數據）進行差分解算，查看固定解比率及POS數據合格率，一般作業保持在85%以上即可滿足數據精度要求。本次航拍差分解算報告見表1，其固定解比率達到92.683%，POS數據合格率達到98.90%，均滿足數據精度要求。

2）遙感影像提取。POS數據差分解算合格后，722張航片采用Pix4Dmapper軟件進行自動處理，生成數字正射影像DOM（分辨率0.15 m）和數字高程模型DEM（分辨率0.5 m），再通過Context Capture Master軟件生成3D模型；土地利用、水土保持措施、水土流失情況等數據結合現場勘察，通過ArcGIS 10.7軟件處理，獲取影像數據。

4 結果與分析

水土保持監測是一個長期的動態監測過程，為了準確科學地分析小流域水土流失情況和水土保持效益，選取研究區2012年5月遙感影像（分辨率1 m）與2022年7月無人機航拍影像（分辨率0.15 m）進行對比分析。

4.1 土地利用類型提取

土地利用類型提取主要通過人工目視解譯，在計算機上直接勾繪出特定類型（旱地、林地、草地、居民地、水域和交通用地）等地物，并統計其面積。2012、2022年研究區土地利用類型分布見圖2，其面積見表2。由圖2、表2知，相對于2012年，2022年研究區土地利用類型分布更加細碎化；2022年旱地和居民地面積分別減小0.29 km2和0.04 km2，林地和草地面積分別增大0.13 km2和0.12 km2，主要表現為沿寺溝河兩岸居民地周邊耕地減少，變更為零星分布的草地，北部坡度較陡地區耕地減少，變更為草地和林地；2012年流域出水口處為大面積耕地，2022年其土地利用類型為觀光型水庫，水域面積增大0.05 km2。經過現場查勘，土地利用類型發生變化的原因主要有兩個方面，一方面是近年來退耕還林、植樹種草等防治水土流失政策的實施，另一方面是社會發展帶動當地旅游行業的興起。

4.2 水土保持措施監測

結合現場勘察情況，分別對2012、2022年遙感影像進行人工目視解譯，判別流域內已實施的各項水土保持措施。在ArcGIS 10.7中建立相應的水土保持措施線圖層或面圖層，分別對其進行矢量化，并在屬性表中自動計算措施數量和面積，其分布及面積見圖3、表3。由圖3、表3可知，截至2022年，旱地梯田主要分布在小流域坡度較陡的北部和居民地兩側， 相對于2012年其面積減小了0.13 km2；林地梯田主要分布在寺溝河下游北側，其面積增大0.07 km2；經果林零星分布在下游居民地兩側，其面積增大0.02 km2；硬化道路多分布在流域上游和流域北部坡度較陡區域，其面積增大0.03 km2；在該小流域上游修筑大小不一的谷坊共15座。

在退耕還林政策下，2022年耕地減少，林地增加，對應的水土保持措施發生變化，即旱地梯田和林地梯田的面積發生變化；經果林面積的增加得益于近年來鼓勵大面積種植經濟作物，既能減緩水土流失，又能增加經濟收入，但受地勢地形的限制，流域內還未大面積開墾種植；硬化道路面積的增加歸因于當地旅游產業的發展；谷坊等工程性措施可鞏固河床，阻擋淤泥，近10 a在該小流域上游加設谷坊15座，是防止山洪引發劇烈水土流失較有效的措施之一。

4.3 水土流失危害及隱患監測

在3D模型下直觀判定流域內坡度較陡區域、不穩定邊坡和滑坡等，劃分水土流失重點防治區域，分區施策。2022年下寺溝小流域坡度圖及部分3D模型見圖4。由圖4可知，坡度較陡地區主要集中在流域上游南部和流域北部，亦是該流域水土流失嚴重區域，這主要是因該區域多為灌木林地，雖具有一定的抗侵蝕作用，但其呈零散分布，植被覆蓋率較低，難以形成有效的固沙減流效果，在風力和水力侵蝕下，易帶走肥沃的土壤，如此往復，裸地面積逐漸增多，土壤侵蝕加劇。流域中下游不穩定邊坡造成一定的水土流失，主要是因下游水庫的建造影響了地形及周邊植物的生長，其周邊多為稀疏草地，防風固沙效果不明顯。故在今后的水土流失綜合治理過程中，應在流域上游和北部多營造根系牢固的灌木林，在流域中下游水庫周邊做好綠化防護。

5 結束語

本研究從遙感數據獲取、處理及影像提取等方面闡述了無人機在小流域水土流失綜合治理中的應用。結果表明，近10 a來，該流域實施了坡耕地改造，谷坊建設，水土保持林、經果林種植等水土保持措施，形成了工程措施、植物措施相對齊全，喬灌草共同作用的水土流失防治體系，為當地水土流失綜合治理提供一定的數據支撐。

受數據獲取的限制，本研究2012年遙感影像分辨率略低，對于一些地物類型提取與當年實際有所偏差。在今后小流域水土流失動態監測中，為了提升監測的準確性和時效性，可定時定點采用無人機技術進行遙感監測，以便獲取連續的監測數據［6-7］ADDINEN.CITE.DATA。采用人機交互目視解譯方式對水土流失監測信息進行提取，需大量時間和人力，在較大區域應用時還需進一步研究和完善。

[參考文獻]

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收稿日期：2022-11-02

第一作者： 楊力華（1994—），女，河南杞縣人，助理工程師，碩士，主要從事水土保持監測與評價工作。

E-mail：lhyangylh@163.com

（責任編輯 張緒蘭）