無人機遙感技術在水土保持工作中的應用探究

靳 艷

（清鎮市水務管理局，貴州貴陽 551400）

0 引言

水土保持對于維持生態系統，農業生產力和人類生計至關重要。隨著人們對環境挑戰的認識不斷提高，解決水土流失、水資源短缺和土地退化等問題變得至關重要。無人機遙感技術已成為這一背景下的變革性工具，標志著環境監測和管理的重大進步。無人機技術的發展歷史突顯了其快速發展，從軍事應用過渡到多樣化的民用用途。遙感的基本原理涉及在不直接物理接觸的情況下獲取有關地球表面的信息，這使得無人機特別適用于水土保持。將保護的必要性與無人機遙感的能力相結合，為加強我們對有效保護實踐的理解和實施提供了一條充滿希望的途徑。

1 無人機遙感技術概述

1.1 無人機技術發展歷程

無人機遙感技術是環境監測領域的革命性工具，有著引人入勝的發展歷程。無人機最初植根于軍事應用，現已迅速發展成為具有深遠民用影響的多功能儀器。從最初作為監視工具到農業、環境科學和災害管理的當代應用，無人機技術的發展展示了無人機技術的適應性和實用性。關鍵的里程碑包括小型化、傳感器集成和自主飛行能力方面的進步，使無人機能夠捕獲高分辨率圖像和數據。這種演變反映了從專屬軍事用途到多樣化應用的轉變，包括生態研究和資源管理。無人機技術的歷史軌跡凸顯了其變革潛力，使其成為應對包括水土保持在內的各個領域復雜挑戰的關鍵參與者[1]。

1.2 遙感技術的基本原理

遙感技術的基本原理為其在不同領域的應用奠定了基礎，包括無人機遙感的關鍵領域。遙感涉及在不直接物理接觸的情況下獲取有關物體或現象的信息。在無人機的背景下，安裝在飛機上的傳感器促進了這一過程，從地球表面捕獲數據。關鍵原理包括電磁頻譜相互作用，其中不同的材料會獨特地反射、吸收或發射能量。無人機傳感器檢測這些能量變化，將其轉化為有價值的信息。此外，空間和光譜分辨率起著至關重要的作用，決定了捕獲影像中可辨別的細節水平和特征范圍。了解這些原理對于優化無人機遙感應用至關重要，確保為水土保持等工作收集準確和有洞察力的數據，在這些領域，精確的信息對于有效決策至關重要[2]。

2 水土保持工作現狀與挑戰

2.1 水土保持的定義和重要性

水土保持是可持續環境管理的重要組成部分，其定義是指在防止水土流失、保持水質和保護自然資源的實踐。其重要性在于保障農業生產力，保護生物多樣性，減輕極端天氣事件的影響。盡管水土保持發揮著關鍵作用，但水土保持的現狀仍面臨持續的挑戰。森林砍伐、土地利用不當和氣候變化等因素導致水土流失和水資源枯竭，威脅生態系統和農業生存能力。由于資源限制，缺乏認識以及有時土地利用優先事項相互沖突，保護工作在實施方面面臨挑戰。認識到這些挑戰對于制定有效的戰略和采用無人機遙感等先進技術以加強監測和管理實踐至關重要。解決這些問題對于確保人類活動與水土資源保護之間的可持續平衡至關重要。

2.2 目前水土保持工作中存在的問題

水土保持方面存在的問題對生態系統、農業可持續性和整體環境健康構成重大威脅。一個緊迫的問題是森林砍伐、土地管理不當和集約化農業實踐造成的水土流失。這不僅導致肥沃的表層土壤流失，還會導致水體沉積，影響水質和水生物棲息地。氣候變化加劇了低效的水資源管理不當，導致水資源短缺和農業灌溉資源減少。農業徑流、工業排放和城市地區的污染將污染物引入水源，損害其質量并對人類健康構成風險。由于過度開采用于灌溉和工業用途而導致的地下水資源枯竭是另一個關鍵問題，影響生態系統并加劇水資源短缺。缺乏認識和水土保持措施的執行不力進一步加劇了這些問題。平衡全球日益增長的糧食生產需求與可持續的保護實踐是一項復雜的挑戰。解決這些現有問題需要采取綜合方法，結合無人機遙感等技術創新進行準確監測，再加上社區參與、政策改革和可持續土地利用實踐，以確保土壤和水資源的長期健康和復原力[3]。

2.3 無人機遙感技術能夠解決的挑戰

無人機遙感技術在解決水土保持領域的一些挑戰方面具有巨大的潛力。一個關鍵的挑戰是需要精確和及時地收集數據。配備先進傳感器的無人機可以有效地捕獲高分辨率圖像，并收集有關土地覆蓋、植被健康和土壤侵蝕的數據。這種能力有助于準確監測，從而及早發現保護問題。另一個挑戰是廣闊且難以進入的地形，特別是在偏遠或危險地區。無人機提供了一種經濟高效且靈活的解決方案，可在不危及人類安全的情況下進入具有挑戰性的景觀進行監測和評估。此外，傳統的地面方法往往難以達到規模和覆蓋范圍，而無人機可以迅速覆蓋廣闊的區域，提供全面的景觀視圖。無人機遙感還可以克服空間和時間分辨率的局限性。通過提供實時或近乎實時的數據，無人機可以實現動態監測，這對于評估不斷變化的環境條件和及時響應新出現的保護需求至關重要。

3 無人機遙感技術在水土保持中的應用

3.1 地表覆蓋分類與土壤侵蝕狀況監測

3.1.1 植被覆蓋分析

無人機遙感技術在水土保持中的應用，特別是在土地覆蓋分類和監測方面的應用，是向環境精準管理邁出的一大步。配備專用傳感器的無人機可以對植被覆蓋進行詳細分析，這對于評估生態系統健康狀況和識別容易遭受侵蝕或退化的區域至關重要。植被覆蓋分析涉及對植物類型、密度和健康狀況的評估。無人機捕獲的高分辨率圖像可以區分各種植被類型，包括森林、草原和農作物。從無人機數據得出的植被指數，如歸一化差值植被指數（NDVI），提供了植物健康和活力的定量測量。這些信息對于檢測壓力、疾病或入侵物種的跡象非常寶貴，有助于早期干預和有針對性的保護工作。此外，無人機通過捕捉植被覆蓋的時間變化來促進動態監測。這對于跟蹤季節性變化、確定土地利用趨勢以及評估保護干預措施隨時間推移的有效性至關重要。無人機的實時或近乎實時的能力增強了保護策略的響應能力，允許根據不斷變化的環境條件及時進行調整[4]。

3.1.2 土壤侵蝕狀況監測

利用無人機遙感技術進行水土流失監測是現代水土保持戰略的關鍵方面。配備專用傳感器和成像能力的無人機為評估土壤侵蝕模式提供了一種動態和精確的手段，這是環境可持續性的關鍵問題。無人機捕獲的高分辨率圖像可以對土壤侵蝕過程進行詳細分析。識別和量化易受侵蝕地區的能力使有針對性的干預措施能夠減輕進一步的退化。無人機可以在不同的空間和時間尺度上捕獲圖像，提供隨時間推移的侵蝕動態的全面視圖。這個時間維度對于了解天氣事件、土地利用變化或保護措施對土壤侵蝕率的影響至關重要。無人機有助于創建精確的高程模型和三維地形圖，從而可以高精度地識別易受侵蝕的區域。通過利用運動結構（SfM）和光探測和測距（LiDAR）等先進技術，無人機可以生成詳細的地形數據，從而提高侵蝕評估的準確性。無人機的實時監測能力能夠快速應對新出現的侵蝕威脅，有助于及時實施保護措施。通過土壤侵蝕監測收集的數據不僅有助于制定有效的侵蝕控制戰略，還有助于更廣泛的土地管理實踐，支持可持續農業和生態系統健康[5]。

3.2 監管與監測

3.2.1 無人機遙感技術在水土流失監管中的應用

無人機遙感技術通過高效且具有成本效益的數據收集和分析手段，徹底改變了環境保護工作的格局。特別是無人機遙感技術在水土保持方面具有重要應用價值，尤其側重于水土流失監督管理。無人機遙感技術在水土保持方面的應用帶來了顯著優勢。配備專用傳感器的無人機可以捕獲高分辨率航空圖像、多光譜數據，甚至激光雷達掃描，從而可以對地形和植被進行詳細監測。在水土流失監督和管理中，這些能力被證明是無價的。無人機可以快速勘測大面積區域，識別易出現水土流失的區域，并為決策者提供關鍵數據。此外，無人機可以實時或按計劃部署，從而能夠持續監測和及時應對水土流失事件。這種積極主動的方法將水土流失的風險降至最低，并通過防止河流和湖泊的沉積來幫助保護水資源。此外，從無人機收集的數據可以整合到地理信息系統（GIS）中進行全面分析，有助于制定有效的保護策略。

3.2.2 無人機遙感技術在水土流失監測中的應用

無人機已成為水土流失監測的變革性工具，以高效和具有成本效益的方式獲取關鍵數據提供了強大的手段。無人機遙感技術在水土流失監測領域取得了長足的進步。無人機配備了先進的傳感器，可以捕捉高分辨率的航空圖像，并收集有關土壤特征、植被覆蓋、地形和侵蝕模式的數據。這些豐富的信息使研究人員和環保主義者能夠以前所未有的細節和準確性密切監測易受侵蝕的地區。無人機在水土流失監測方面的主要優勢之一是它們覆蓋廣闊且能夠穿越具有挑戰性的地形。這些多功能機器可以進入地面勘測難以的偏遠或危險位置，提供各種水土流失動態的全面視圖。事實證明，這種能力在容易出現水土流失的地區特別有價值，有助于確定需要立即關注的區域。此外，無人機的實時或預定部署允許持續監測，確保及時發現和解決侵蝕事件。從這些任務中收集的數據可以使用先進的軟件進行處理和分析，并集成到地理信息系統（GIS）中，從而促進數據驅動的決策。

3.3 數據采集與分析

3.3.1 空間數據采集

無人機遙感技術促進的空間數據采集是推進水土保持戰略的基石。配備尖端傳感器的無人機（UAV）能夠獲取高分辨率空間數據，提供對給定區域的地形、土地覆蓋和環境動態的詳細見解。無人機以非凡的空間精度捕獲圖像，允許創建詳細的地圖和三維模型。這些數據對于識別易受侵蝕的地區、評估植被覆蓋和了解水資源的空間分布非常寶貴。獲取這種細粒度信息的能力提高了保護規劃和管理的準確性。通過無人機收集空間數據的效率在大型或具有挑戰性的地形中尤為明顯。傳統的地面方法可能在可達性和覆蓋范圍方面遇到困難，而無人機可以快速覆蓋廣闊的區域，確保全面的數據收集。此功能對于監控隨時間的變化和響應不斷變化的環境條件至關重要。此外，無人機數據采集的實時性或近實時性增強了對空間特征的動態監測。環保主義者可以及時應對新出現的問題，例如土地利用的變化或突發的環境威脅，從而優化水土保持措施的有效性。

3.3.2 數據處理與模型建立

數據處理和模型構建是利用無人機遙感技術有效保持水土的關鍵階段。無人機（UAV）收集的大量信息需要復雜的處理技術來提取有意義的見解并為保護策略提供信息。捕獲高分辨率影像后，第一步涉及預處理任務，例如地理配準和影像校準。這確保了準確的空間表示，將數據與地理坐標對齊以進行精確分析。隨后，可以采用圖像增強技術來改善視覺質量并突出與水土保持相關的特定特征，例如土地覆蓋模式和易受侵蝕的地區。然后，處理后的數據成為模型構建的基礎。應用先進的算法和機器學習技術來開發可以預測和分析土壤和水動態各個方面的模型。例如，可以訓練機器學習模型來識別植被健康模式，檢測土地覆蓋隨時間的變化，并評估土壤侵蝕的風險。將無人機數據集成到地理信息系統（GIS）平臺中增強了空間分析能力，從而可以創建詳細的地圖和可操作的見解。這些模型有助于基于證據的決策，指導保護主義者實施有針對性的可持續土地管理措施。從本質上講，數據處理和模型構建的結合將原始無人機數據轉化為可操作的信息，為設計和實施有效的水土保持策略提供了強大的工具集。這種技術和分析的整合提高了保護工作的精確度和影響力，確保了環境管理的整體方法。

4 結語

綜上所述，無人機遙感技術的融合是水土保持工作革新的基石。通過利用先進的傳感器和實時功能，無人機增強了我們以前所未有的精度監測、分析和應對環境挑戰的能力。從優化土地利用規劃到減輕土壤侵蝕風險，該技術的應用多種多樣且具有影響力。數據收集、處理和模型構建的融合使保護主義者能夠做出明智的決策，促進人類活動與重要自然資源保護之間的平衡。當我們處理復雜的環境問題時，無人機成為寶貴的工具，開創了有效和可持續保護實踐的新時代。