基于無人機遙感影像分析的基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法

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作者簡介：杜娜（1984—）?，女，碩士，高級工程師，研究方向為生態(tài)經(jīng)濟、國土空間規(guī)劃。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-8458

摘要：研究提出了一種基于無人機遙感影像分析的基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法，即利用無人機技術(shù)采集基本農(nóng)田土地圖像，并建立土壤、植被、氣候等因素的遙感反演模型。通過綜合考慮多種指標(biāo)，計算基本農(nóng)田土地環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)，實現(xiàn)對土地環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)測。實驗證明：此種方法具有較高的監(jiān)測精度，能夠準(zhǔn)確評價土地環(huán)境質(zhì)量并控制評價結(jié)果誤差；為農(nóng)田管理者提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，促進農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護。

關(guān)鍵詞：無人機遙感影像??基本農(nóng)田??土地環(huán)境??遙感反演??質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：X833

基本農(nóng)田作為我國農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其土地環(huán)境質(zhì)量直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的安全和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，對基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測，具有十分重要的意義。基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的主要目的是了解和掌握農(nóng)田土壤、水質(zhì)、生物等環(huán)境因素的現(xiàn)狀及變化情況，及時發(fā)現(xiàn)和解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題，保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測可分為土壤監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、生物監(jiān)測等[2]。為促進基本農(nóng)田土地環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，本文將結(jié)合無人機遙感影像分析技術(shù)，開展對基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法的設(shè)計研究。

1??基本農(nóng)田土地?zé)o人機遙感圖像處理

1.1 ?規(guī)劃無人機的作業(yè)航線

引入無人機遙感影像分析技術(shù)對基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測。首先需要完成對基本農(nóng)田土地圖像的采集和處理[3]。基于無人機遙感影像的基本農(nóng)田土地圖像采集與處理，主要步驟具體敘述如下。

第一步，確定監(jiān)測目標(biāo)。明確需要監(jiān)測的基本農(nóng)田土地范圍和目標(biāo)，確定監(jiān)測的重點和要求。第二步，選擇合適的無人機。根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的要求，選擇合適的無人機類型和型號，考慮其載荷、航程、穩(wěn)定性等因素。第三步，安裝遙感影像設(shè)備。在無人機上安裝遙感影像設(shè)備，包括高分辨率相機、多光譜相機、紅外傳感器等，根據(jù)需要選擇合適的設(shè)備類型和數(shù)量[4]。第四步，規(guī)劃航線。根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的要求，規(guī)劃無人機的飛行航線，確定航高、航速、拍攝間隔等參數(shù)，確保拍攝的圖像能夠覆蓋整個監(jiān)測范圍。第五步，進行圖像采集。按照規(guī)劃的航線，操縱無人機進行圖像采集，注意保持無人機的穩(wěn)定性和圖像的質(zhì)量。第六步，數(shù)據(jù)傳輸和處理。將采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲净驍?shù)據(jù)中心，進行圖像處理和分析，包括圖像拼接、幾何校正、輻射定標(biāo)等處理，提取所需的信息和特征。第七步，提取和分析信息。根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)的要求，對處理后的圖像進行分析和提取信息，如土地利用類型、植被覆蓋度、土壤質(zhì)量等，生成報告或地圖等成果。

在規(guī)劃無人機的作業(yè)航線時，以無人機的起飛起點為坐標(biāo)原點，由其北向、東向分別引出 Y軸及X軸，構(gòu)成第一象限監(jiān)控區(qū)[5]。將 OXY設(shè)置為此坐標(biāo)系中的工作環(huán)境坐標(biāo)系。將凸多邊形工作區(qū)分為?n條邊界線，根據(jù)每次無人機遙感圖像采集的范圍，在監(jiān)控區(qū)內(nèi)增加若干條分區(qū)分割線，將工作區(qū)分割成多個子區(qū)。然后，求出各子操作區(qū)的橫向界限值，并以此界限值所對應(yīng)的坐標(biāo)為無人駕駛點。根據(jù)遞歸原則，可以得到各航線點的坐標(biāo)，其表達式為：

上述公式中：、、、分別為無人機航線上的4個航測點；為橫坐標(biāo)極大值點；為橫坐標(biāo)極小值點；為縱坐標(biāo)極大值點；為循環(huán)次數(shù)。

1.2 ?遙感影像處理

通過無人機的連續(xù)垂直航拍，獲得被監(jiān)測區(qū)域的高分辨率遙感影像，并將其作為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的重要依據(jù)。為了更方便進行監(jiān)測，對不同影像之間的單應(yīng)性矩陣進行計算，以此實現(xiàn)對遙感影像的拼接，單應(yīng)性矩陣需要滿足的要求為：

式（5）中：為常數(shù)；為監(jiān)測點二維圖像坐標(biāo)；為不同遙感影像之間的單應(yīng)性矩陣；為三維齊次坐標(biāo)。從無人機遙感圖像獲取原則出發(fā)，對不同視角的航拍進行了說明，設(shè)定了相應(yīng)的大地平面，并對這個平面到原點的距離進行分析，可以得到：

式（6）中：為平面與原點之間的距離。采用單應(yīng)矩陣，可將遙感圖像中各像元的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)[6]。

2 ?建立基本農(nóng)田土地環(huán)境遙感反演模型

在建立基本農(nóng)田土地環(huán)境遙感反演模型時，根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)和區(qū)域特點，選擇合適的遙感數(shù)據(jù)源，包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航空數(shù)據(jù)等，考慮其空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率等因素。明確需要反演的基本農(nóng)田土地環(huán)境因素，如土壤類型、植被覆蓋度、土壤濕度等，選擇合適的遙感指標(biāo)和模型進行反演[7]。在遙感反演過程中，需要考慮環(huán)境和天氣因素對遙感數(shù)據(jù)的影響，如大氣吸收和散射、光照條件等，需要對這些因素進行評估和處理。針對無人機遙感圖像中包含了植被與土壤兩種信息的特點，采用像元二分法進行地表光譜信息的提取與反演，是實現(xiàn)遙感反演的前提[8-9]。圖像光譜信息通過像元二分模型進行分解：

式（7）中：為遙感影像的光譜信息；為基本農(nóng)田土地上植被的光譜信息；為植被像元占比；為基本農(nóng)田土地上土壤光譜信息；為土壤像元占比。

3??基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測

為了更直觀地得到土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果，需要進行對土地環(huán)境指數(shù)的計算[10]。針對存在單一影響環(huán)境質(zhì)量的元素，在其影響作用下，土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)可表示為：

式（8）中：為土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；為實際測量影響元素含量；為背景土壤元素值。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合指數(shù)方法，對多種影響因素共同作用下的基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進行計算：

式（9）中：為基本農(nóng)田土地環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)；為土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)平均值；為環(huán)境指數(shù)最小值。

4??對比實驗

以某地區(qū)基本農(nóng)田土地為例，分別利用本文上述提出的基于無人機遙感影像分析技術(shù)的監(jiān)測方法、基于GEE的監(jiān)測方法和基于Landsat的監(jiān)測方法對該土地的環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測。為了方便論述，將本文監(jiān)測方法設(shè)置為實驗組，將基于GEE的監(jiān)測方法設(shè)置為對照A組，將基于Landsat的監(jiān)測方法設(shè)置為對照B組。通過對依托的基本農(nóng)田土地進行初步調(diào)查得出，該區(qū)域鄰近湖泊，是該地區(qū)關(guān)鍵的產(chǎn)糧區(qū)域。近年來，為了提升農(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量，該區(qū)域大量使用農(nóng)藥、化肥等化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致土壤重金屬污染不斷加重。為了監(jiān)測這一現(xiàn)象，并采取有效的治理措施，該區(qū)域采用無人機搭載遙感影像采集設(shè)備的技術(shù)手段，獲取大量的實驗數(shù)據(jù)。在應(yīng)用無人機獲取遙感影像時，所選擇的無人機相關(guān)參數(shù)如表1所示。

針對該地區(qū)基本農(nóng)田土地，將其平均分為5個區(qū)域，并在每個區(qū)域內(nèi)隨機選擇一個點作為監(jiān)測點，分別編號為I-01、II-01、III-01、IV-01、V-01。為實現(xiàn)對3種監(jiān)測方法監(jiān)測性能的比較，將監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差作為衡量指標(biāo)，公式為：

式（10）中：為監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差；為實際土地環(huán)境污染指數(shù)；為監(jiān)測方法得到的監(jiān)測結(jié)果。根據(jù)上述公式，對各個監(jiān)測點3種監(jiān)測方法的監(jiān)測結(jié)果均方根誤差進行計算，并得到如表2所示結(jié)果。

從表2中的數(shù)據(jù)對比可以看出，實驗組監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差能夠控制在小于4.00%的范圍內(nèi)，而對照A組監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差在15.00%～20.00%范圍內(nèi)波動，對照B組監(jiān)測結(jié)果的均方根誤差均高于20.00%。由這一結(jié)果可知：實驗組監(jiān)測方法的監(jiān)測精度更高，得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量的準(zhǔn)確評價，而其他現(xiàn)有監(jiān)測方法不具備這一監(jiān)測精度水平。

5結(jié)語

基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測是保障農(nóng)產(chǎn)品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。通過對土壤、水質(zhì)、生物等環(huán)境因素的監(jiān)測，可以全面了解基本農(nóng)田土地環(huán)境的質(zhì)量狀況，及時發(fā)現(xiàn)和解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題。在實施監(jiān)測過程中，應(yīng)注重合理選擇采樣點、規(guī)范采樣方法、科學(xué)分析檢測等方面的工作，提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，應(yīng)加強監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和支持。

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