基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的土壤流失監(jiān)測(cè)研究

謝 翔，段文明，孟 琳，趙登良，徐 偉

(青島市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司(濟(jì)南中心)，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

水土流失會(huì)導(dǎo)致土體質(zhì)量下降，生態(tài)惡化等現(xiàn)象，采取相關(guān)水土保持措施對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境意義重大，采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)水土保持措施的實(shí)施效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)效率較高，這也是近年來(lái)許多專家學(xué)者的常用方法。肖莉等人[1]以某地區(qū)公路工程為研究對(duì)象，采用低空無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，對(duì)其水土保持措施的實(shí)施效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確、直觀的反映該工程的水土流失情況，可行性較高。程曦等人[2]以某輸變電工程為研究對(duì)象，基于無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)，建立該工程的數(shù)字表面模型，對(duì)其水土保持防治效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：采用無(wú)人機(jī)對(duì)該地區(qū)的水土流失進(jìn)行監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高，可直觀反映其防治效果。劉祥等人[3]以某地區(qū)棄渣場(chǎng)為研究對(duì)象，采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)其水土流失情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)水土流失的誤差小于5%，準(zhǔn)確性較高。陳宇等人[4]基于無(wú)人機(jī)技術(shù)，對(duì)某水利樞紐工程的水土流失情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：該工程水土保持措施的實(shí)施效果良好，且無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較高。丁宏宇等人[5]以某煤礦工程為研究對(duì)象，基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，建立其三維模型，分析該地區(qū)的土壤流失及水土保持情況，結(jié)果表明：該技術(shù)的監(jiān)測(cè)誤差為5.8%，可行性較高。本次研究采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，并結(jié)合Pix4D軟件及Pho-Loc模型，對(duì)該地區(qū)棄土場(chǎng)的土壤流失情況進(jìn)行測(cè)算。

1 工程概況

本研究以某地區(qū)為研究對(duì)象，該地區(qū)氣候?yàn)閬啛釒Ц咴撅L(fēng)型，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，其雨季主要集中于5—10月，日照充足，無(wú)霜期達(dá)9個(gè)月。該地區(qū)土壤以綠洲潮土、風(fēng)沙土為主，其水文氣象見(jiàn)表1。

表1 水文氣象情況

由于該地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，且河流湖泊較多，年均降雨量高達(dá)813mm，經(jīng)常發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，水土流失十分嚴(yán)重，且以水力侵蝕為主，平均土壤侵蝕模數(shù)200t/(km2·a)，水土流失面積為1.047×105萬(wàn)km2，其中，中輕度流失面積占比58.8%，中度流失面積占比16.81%，強(qiáng)烈流失面積占比10.88%，極強(qiáng)烈流失面積7.64%，劇烈流失面積4.35%。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)及相關(guān)設(shè)備

為分析該地區(qū)的土壤流失情況，以該地區(qū)的3個(gè)棄土場(chǎng)為研究對(duì)象，分別為1#棄土場(chǎng)、2#棄土場(chǎng)、3#棄土場(chǎng)，其控制點(diǎn)數(shù)量分別為7個(gè)、7個(gè)、8個(gè)，其檢查點(diǎn)數(shù)量均為3個(gè)。無(wú)人機(jī)及相機(jī)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2—3。

表2 無(wú)人機(jī)相關(guān)參數(shù)

表3 相機(jī)相關(guān)參數(shù)

利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)得出的數(shù)據(jù)，可采用Pix4D、PhotoScan等軟件對(duì)其進(jìn)行處理，即可得出棄土場(chǎng)的DOM影像，以此測(cè)算監(jiān)測(cè)對(duì)象的周長(zhǎng)、坡度、坡長(zhǎng)等參數(shù)，根據(jù)坡體的相關(guān)參數(shù)即可得出棄土場(chǎng)的面積，結(jié)合該地區(qū)的降雨量數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出棄土場(chǎng)的土壤流失量(Sr)，其計(jì)算公式如式(1)所示。

Sr=γSLcosθ×103

(1)

式中，γ—土壤容重，g/cm3；S—棄土場(chǎng)面積，m2；L—土壤流失厚度，mm；θ—棄土場(chǎng)坡體坡度，(°)。

為研究不同軟件處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)比分析Pix4D、PhotoScan軟件得出的棄土場(chǎng)面積計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表4。由表4可知，采用PhotoScan軟件處理得出的棄土場(chǎng)面積的最大誤差為13.45%，最小誤差為0.54%，其平均誤差為6.81%；采用Pix4D軟件處理得出的棄土場(chǎng)面積的最大誤差為6.79%，最小誤差為0.53%，其平均誤差為3.26%。說(shuō)明Pix4D軟件較為準(zhǔn)確，且其誤差波動(dòng)范圍較小，其測(cè)量結(jié)果較為穩(wěn)定。以采用Pix4D軟件得出的棄土場(chǎng)面積為研究對(duì)象，分析不同模型對(duì)其測(cè)量精度的影響可得：Pho-Con模型得出的測(cè)量誤差最小，其平均誤差為2.33%；Pho-Loc模型得出的測(cè)量誤差最大，其平均誤差為4.57%。

表4 棄土場(chǎng)面積計(jì)算結(jié)果

綜合以上分析可得：采用Pix4D軟件及Pho-Loc模型得出的棄土場(chǎng)面積誤差最小，因此，本研究采用以上軟件及模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 結(jié)果分析

采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)1#棄土場(chǎng)土壤流失量進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知：該棄土場(chǎng)的最大土壤流失量為1453.010kg，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的降雨量為4mm；最小土壤流失量為208.049kg，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的降雨量為21.4mm；對(duì)比不同坡面的土壤流失量可得：其間的土壤流失情況具有一定的差異性，其中，a面與c面的土壤流失量較小，均值分別為72.77、74.18kg，b面與d面的土壤流失量較大，均值分別為227.67、258.86kg，說(shuō)明該棄土場(chǎng)的土壤流失以其b面與d面為主。

表5 1#棄土場(chǎng)土壤流失量

采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)2#棄土場(chǎng)土壤流失量進(jìn)行測(cè)算，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。由表可知：該棄土場(chǎng)的最大土壤流失量為5968.795kg，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的降雨量為41mm；最小土壤流失量為1307.186kg，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的降雨量為25mm，對(duì)比1#棄土場(chǎng)數(shù)據(jù)可得：2#棄土場(chǎng)的土壤流失量較大，且二者間的差值較大，說(shuō)明2#棄土場(chǎng)的水土保持方案實(shí)施效果較差，對(duì)環(huán)境改善效果較不明顯。不同坡面的土壤流失情況具有一定的差異性，其中，c面流失量最大，其均值為1350.47kg，b面流失量最小，其均值為185.18kg，說(shuō)明2#棄土場(chǎng)的土壤流失以其c面為主。

采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)3#棄土場(chǎng)土壤流失量進(jìn)行測(cè)算，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。由表可知：該棄土場(chǎng)的最大土壤流失量為13641.286kg，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的降雨量為30.4mm；最小土壤流失量為2897.116kg，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的降雨量為18.4mm。在3個(gè)棄土場(chǎng)中，3#的土壤流失量最大，說(shuō)明其水土流失情況較為嚴(yán)重，且該地區(qū)所采用的水土治理方案對(duì)其改善效果較不明顯。不同坡面的土壤流失情況具有一定的差異性，其中，a面最大，其均值為3370.90kg，c面最小，其均值為695.85kg，說(shuō)明3#棄土場(chǎng)的土壤流失以其a面為主。

表7 3#棄土場(chǎng)土壤流失量

為分析采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)土壤流失量測(cè)算的準(zhǔn)確性，以3#棄土場(chǎng)為研究對(duì)象，將其測(cè)算得出的模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。由圖可知，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)得出的土壤流失量與降水量間呈正相關(guān)關(guān)系，隨著降雨量的增大，棄土場(chǎng)的土壤流失量逐漸增大。對(duì)比實(shí)測(cè)值與模擬值可得，土壤流失量模擬值均大于其實(shí)測(cè)值，且當(dāng)降水量較大時(shí)，二者間的差異較為明顯，當(dāng)降水量較小時(shí)，而二者間的差值較小，說(shuō)明當(dāng)降雨量較小時(shí)，采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)棄土場(chǎng)的土壤流失情況進(jìn)行測(cè)算的準(zhǔn)確性較高，當(dāng)降水量較大時(shí)，采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)測(cè)算棄土場(chǎng)的土壤流失情況準(zhǔn)確性較差。

圖1 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

4 結(jié)論

本研究通過(guò)大量的實(shí)地測(cè)量及軟件模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)域水土流失情況的可行性，而且也給出了處理數(shù)據(jù)最合適的軟件和模型，這些都會(huì)給相關(guān)的工作提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。但需要注意的是：本文所研究的區(qū)域僅僅是3個(gè)棄土場(chǎng)，相對(duì)于其他不同地形地貌來(lái)說(shuō)，其是否存在特殊性還有待分析，至少需要更多數(shù)據(jù)去驗(yàn)證。而且各地區(qū)在土壤類型、地質(zhì)條件、降雨量、溫度等方面也存在極大差異，在本地區(qū)應(yīng)用效果較好的監(jiān)測(cè)方法，并不一定適合其他地區(qū)，因此在應(yīng)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)時(shí)，還需要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r具體分析，不可盲目照搬其他工程的成功經(jīng)驗(yàn)。