無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持工作中的運(yùn)用分析

摘要：為保障國土資源的安全，無人機(jī)遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測工作當(dāng)中，并取得了令人滿意的工程成效。基于此，明確無人機(jī)遙感技術(shù)，在水土保持工作中應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以某棄土場水土保持工作為例，分析無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用方法。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)遙感技術(shù)在應(yīng)用過程中，不僅可以實(shí)現(xiàn)對區(qū)域水土保持情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還能降低水土保持工作的危險(xiǎn)性，提高工作效率與質(zhì)量。希望研究工作的開展，能為相關(guān)行業(yè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)遙感技術(shù)水土保持模型構(gòu)建水土流失

中圖分類號：S157

AnalysisofApplicationofUAVRemoteSensingTechnologyinSoilandWaterConservationWork

SHANGWenxing

HuatingWaterBureau，Pingliang，GansuProvince，744100China

Abstract：Inordertoensurethesecurityoflandandresources，UnmannedAerialVehicle（UAV）RemoteSensingtechnologyiswidelyusedinenvironmentalmonitoringwork，andhasachievedsatisfactoryengineeringresults.Basedonthis，onthebasisofclarifyingtheapplicationcharacteristicsofUAVRemoteSensingtechnologyinsoilandwaterconservationwork，theapplicationmethodofUAVRemoteSensingtechnologyisanalyzedbytakinganexampleofsoilandwaterconservationworkinawastefield.Throughtheresearch，itcanbefoundthattheapplicationprocessofUAVRemote?;Sensingtechnologycannotonlyrealizethereal-timemonitoringoftheregionalsoilandwaterconservationsituation，butalsoreducetheriskofsoilandwaterconservationwork，andimprovetheworkefficiencyandquality.Itishopedthattheresearchworkcanprovidereferenceforrelatedindustries.

KeyWords：UAVRemoteSensingtechnology;Waterandsoilconservation;Modelbuilding;Soilerosion

從2023年12月12日水利部發(fā)布的數(shù)據(jù)中得知，目前，我國水土流失面積為265.34萬km2，盡管該數(shù)據(jù)較2018年，減少了8.35萬km2，但仍占國土面積的27.6%。現(xiàn)階段，為實(shí)現(xiàn)水土資源的有效保護(hù)，工作人員可以將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于水土保持工作中，在了解各地區(qū)水土流失情況的基礎(chǔ)上，制定具有針對性的水土保持方案，是保障我國國土資源安全性的必要舉措。因此，研究此項(xiàng)課題，具有十分重要的意義。

1無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

無人機(jī)遙感技術(shù)是一種依托無線電遙控設(shè)備、機(jī)載計(jì)算機(jī)程序控制系統(tǒng)，操控不載人飛行器加載數(shù)碼相機(jī)，在待測區(qū)域上空開展航拍工作，并利用計(jì)算機(jī)對航拍圖像加以處理，得到符合人們使用需要的區(qū)域圖像信息的一種技術(shù)方法。在實(shí)際的水土保持工作中，僅需1名工作人員即可借助無人機(jī)完成相應(yīng)區(qū)域的信息收集工作，這在一定程度上降低了水土保持工作的整體工作難度。具體來說，在開展水土保持工作時(shí)工作人員可以結(jié)合待測區(qū)域的具體情況，提前規(guī)劃無人機(jī)的飛行路線與高度，然后操控?zé)o人機(jī)開展連續(xù)航拍作業(yè)操作，這種信息采集方式在提高信息采集工作效率的同時(shí)，降低了人員實(shí)測過程中出現(xiàn)安全問題的可能性[1]。

2無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

2.1工程概況

某引水工程線路總長度為482km，在距沿水河段2km處，為實(shí)現(xiàn)河中泥沙的有效沉淀，需要修建一座沉沙池。在沉沙池修建過程中，開挖土方達(dá)到了829.2萬m3，廢渣量為688.27萬m3，為將廢渣移出施工區(qū)域，工作人員設(shè)立了多個(gè)棄土場。本文主要以其中5個(gè)典型的棄土場為研究對象，借助無人機(jī)遙感技術(shù)，首先確定了棄土場的面積、棄土量，然后對該區(qū)域的植被、裸露地表等地物面積進(jìn)行了測算，之后再結(jié)合該區(qū)域的地理信息測算了該地區(qū)的土壤流失量，為后續(xù)水土保持工作的開展提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2獲取無人機(jī)遙感影像

2.2.1布設(shè)控制點(diǎn)

無人機(jī)屬于低空飛行器，通過搭載高精度數(shù)碼相機(jī)的方式可使人獲得高分辨率的遙感影像。在本研究中，無人機(jī)型號為大疆精靈4，搭載的鏡頭為FC330。在實(shí)際的棄土場影像拍攝過程中，工作人員先以光盤為標(biāo)記，在棄土場復(fù)制了控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)，然后采用差分式GPS技術(shù)，采集地面控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)的經(jīng)緯度與高程數(shù)據(jù)。

2.2.2航拍步驟

無人機(jī)遙感系統(tǒng)是一種操作極為簡便靈活的系統(tǒng)，為保證航拍活動(dòng)的安全性，第一，在正式開展航拍工作前，工作人員對無人機(jī)進(jìn)行了檢查，確保10塊電池均充滿電，無人機(jī)遙控器的電量能夠滿足本次航拍工作的需求。第二，工作人員對航拍設(shè)備的儲(chǔ)存卡進(jìn)行了檢查，確保儲(chǔ)存卡的容量能夠滿足本次航拍工作的需求。第三，確定航拍當(dāng)日的風(fēng)速，在保證當(dāng)天風(fēng)速小于10m/s的情況下，開展航拍操作。第四，選擇合適的起飛地點(diǎn)，一般情況下，工作人員應(yīng)保證無人機(jī)的起飛區(qū)域周邊環(huán)境空曠，不存在高壓線這類的設(shè)施。第五，在航拍操作過程中，應(yīng)保證無人機(jī)的飛行高度超過周邊建筑物的高度。第六，在航拍過程中若發(fā)現(xiàn)信號突然減弱，則需要重新調(diào)整天線方向，在無人機(jī)重新接收到信號后立即進(jìn)行返航操作。第七，在手動(dòng)操作無人機(jī)時(shí)，應(yīng)盡量避免無人機(jī)處于遙控器的正上方。第八，為保證無人機(jī)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)在檢測區(qū)域設(shè)立地面站監(jiān)測員，主要負(fù)責(zé)遙控器信號傳輸情況、無人機(jī)飛行姿態(tài)、GPS信號等信息的觀測工作。第九，若fsQ2gTBFr7HrHTxBcfhoD7jMlv2I+kS3vV+D0FB1bJk=無人機(jī)在降落階段出現(xiàn)姿態(tài)不穩(wěn)定的情況，則可采用Z字降高的方法，使無人機(jī)的姿態(tài)重新恢復(fù)穩(wěn)定。第十，在無人機(jī)降落到可視范圍內(nèi)時(shí)，操作人員需及時(shí)調(diào)整自己的站立方向，確保自己的目光能夠始終正對無人機(jī)。第十一，在地緣效應(yīng)的影響下，無人機(jī)即將降落時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)姿態(tài)不穩(wěn)定的情況，此時(shí)需要對無人機(jī)的降落速度加以調(diào)控，降低無人機(jī)墜毀這類問題的出現(xiàn)概率[2]。

2.3數(shù)據(jù)處理

2.3.1構(gòu)建數(shù)據(jù)處理模型

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)分析模擬軟件被應(yīng)用于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)整合分析工作中，本文基于棄土場的實(shí)際情況，將PhotoScan與Pix4D軟件應(yīng)用于無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理工作中，得到了棄土場的dom、dsm影像。然后綜合應(yīng)用軟件GlobalMapper、LocaSpaceViewer、ContextCapture對影像信息進(jìn)行提取，獲得棄土場的具體面積與棄土量。為提高棄土量計(jì)算工作的準(zhǔn)確性，工作人員以施工單位計(jì)量值為參照，通過分析六組無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型，計(jì)算誤差的方法得到了精度最高的模型。同時(shí)，在開展棄土場面積分析工作時(shí)，工作人員借助全站儀對計(jì)算結(jié)果精度進(jìn)行了校驗(yàn)。由于本文的研究對象為棄土場，且在引水工程階段，施工方、監(jiān)理方、監(jiān)測單位、建設(shè)單位均對棄土場的具體情況進(jìn)行了分析，因此可以了解到本文測得的結(jié)果有著較高的精準(zhǔn)度。通過測算可以得出本次航拍棄土場的dom影像精度為0.05m，dsm影像精度為0.2cm，滿足無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測工作中的應(yīng)用要求[3]。

2.3.2精度分析

對比5個(gè)棄土場的dsm影響，可以發(fā)現(xiàn)2#、5#兩處棄土場的高程變化最小，場內(nèi)高差僅有2m，PhotoScan與Pix4D軟件分析得到的影像與實(shí)際情況也最為接近。1#、3#、5#棄土場的高程變化較大，PhotoScan與Pix4D軟件分析得到的影像與實(shí)際情況間存在著較大的差別。這一情況的出現(xiàn)說明棄土場高程變化情況與dsm影像質(zhì)量之間存在著直接的聯(lián)系。在采用外業(yè)實(shí)測的方法對dom影像精度加以分析時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，PhotoScan軟件處理得到的dom影像誤差高于Pix4D軟件處理得到的dom影像誤差。參照《1∶5001∶10001∶2000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》中，在平地丘陵地區(qū)中，無人機(jī)航空測定的第5點(diǎn)位置誤差應(yīng)小于0.6m的要求。可以發(fā)現(xiàn)，PhotoScan與Pix4D軟件分析得到的dom影像符合規(guī)范要求，因此兩種軟件分析技術(shù)都適用于本次分析工作。

在開展棄土場面積計(jì)算工作時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用Pix4D軟件分析得到的模型誤差較小，且誤差分布較為集中、分析結(jié)果相對穩(wěn)定。應(yīng)用PhotoScan軟件分析得到的模型誤差較大，誤差分布相對離散，計(jì)算結(jié)果并不穩(wěn)定。同時(shí)，對PhotoScan與Pix4D軟件產(chǎn)生的誤差加以分析，可以發(fā)現(xiàn)兩款軟件的誤差值分別為1.82%與5.15%，且兩組數(shù)據(jù)的差異顯著性均存在關(guān)系P﹤0.05，因此可以認(rèn)定在兩款軟件均符合本次測定活動(dòng)需求的基礎(chǔ)上，Pix4D軟件應(yīng)用效果優(yōu)于PhotoScan軟件。此外，在分析GlobalMapper、LocaSpaceViewer、ContextCapture軟件誤差時(shí)，發(fā)現(xiàn)3款軟件的誤差均值分別為3.37%、4.05%、3.03%，且3款軟件的差異均不存在顯著關(guān)系，P﹥0.05，因此無法判定上述3款軟件在計(jì)算面積時(shí)對精度有著顯著的影響。因此，在計(jì)算面積時(shí)，可使用Pix4D軟件構(gòu)建的模型取代PhotoScan軟件構(gòu)建的模型[4]。

2.3.3測算不同地類的面積

在實(shí)際的水土保持監(jiān)測工作中，無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理模型僅能分析得到棄土場的總面積，無法完成不同地物面積的測算工作。當(dāng)前，水土保持工作在推進(jìn)過程中往往需要獲取地面的植被面積、裸露地表面積、防塵網(wǎng)覆蓋面積等數(shù)據(jù)。對此，工作人員需要對無人機(jī)遙感技術(shù)獲得的影像進(jìn)行分類處理，進(jìn)而得到不同的地域面積。本人選擇的無人機(jī)影像處理方式為，借助eCognition軟件，分析無人機(jī)獲取的dom影像，這種分類方式在提高分類精度的同時(shí)，降低了分類工作消耗的人力資源。在實(shí)際的影像處理工作中，eCognition軟件可以在明確光譜紋理等信息的基礎(chǔ)上，利用模糊算法，先將dom影像分解成若干個(gè)對象，然后開展對象的分類處理工作[5]。

同時(shí)，為了解分類工作的可靠性，工作人員可以利用混淆矩陣，計(jì)算遙感影像分類的Kappa系數(shù)，最終得到分類工作的精度。具體來說，在分類工作結(jié)束后，工作人員可以先在影像點(diǎn)中選取一定數(shù)量的樣本，再利用混淆矩陣的行表示這些點(diǎn)被劃分到哪些種類地中，用混淆矩陣的列表示這些點(diǎn)具體屬于哪種地類。然后分析最終得到的Kappa系數(shù)，這一系數(shù)越接近1，則說明樣品點(diǎn)的分類精度越高。在本次模型計(jì)算工作中，棄土場面積誤差在1.23%～5.57%之間，棄土場棄土量誤差范圍在2.97%～10.28%之間。

2.3.4測算水土流失量

當(dāng)前，測算水土流失的方法是，在天然降雨或模擬人工降雨的情況下，采用徑流小區(qū)法、測釬法、侵蝕溝監(jiān)測法等方法，對監(jiān)測區(qū)域的土壤侵蝕情況加以分析。本文的主要研究對象為5個(gè)棄土場在4—9月間的土壤流失情況，結(jié)合棄土場的具體狀況，采用的水土流失測算方法為徑流小區(qū)法、測釬法，以《測算導(dǎo)則》中的規(guī)定為基礎(chǔ)，開展水土流失量的計(jì)算工作，并將測算結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。在實(shí)際測量過程中，工作人員在棄土場的每個(gè)坡長超過5m且沒有覆蓋防塵網(wǎng)的坡面均布設(shè)了徑流小區(qū)；在坡長較短且沒有布設(shè)徑流小區(qū)的區(qū)域布設(shè)了測釬小區(qū)。在計(jì)算各小區(qū)水土流失情況時(shí)，徑流小區(qū)的規(guī)格為4m×1m，且小區(qū)下部設(shè)置了邊長為1m的正三角形集水區(qū)，因此，在應(yīng)用徑流小區(qū)法測水土流失情況時(shí)，每個(gè)徑流小區(qū)的總面積為5m2。在劃分徑流小區(qū)時(shí)，每個(gè)小區(qū)的圍埂材料是寬度為30cm的PVC板，為避免小區(qū)在收集徑流信息時(shí)出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，PVC板的埋深為10cm，且埋板過程中需要沿著小區(qū)邊界開挖土槽，再將PVC板沿著土槽放置于土層中，之后將挖出來的土填回土槽并壓實(shí)。需要注意的是在布設(shè)小區(qū)時(shí)，應(yīng)盡量操作活動(dòng)對小區(qū)內(nèi)部情況造成干擾，以便達(dá)到提高結(jié)果準(zhǔn)確性的要求。在每次降雨結(jié)束后，取出集水桶，并用明礬加速桶中泥沙的沉降速度，在沉降工作結(jié)束后，倒出上層清水，將下層泥土晾干后稱重，即可得到該小區(qū)的土壤流失量。

3結(jié)語

總而言之，水土資源是人們賴以生存的基礎(chǔ)性資源，水土流失問題的存在，不僅會(huì)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水質(zhì)安全造成威脅，還會(huì)增大洪澇災(zāi)害的出現(xiàn)概率、阻礙我國生態(tài)體系的可持續(xù)發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)水土資源的有效保護(hù)。工作人員可以將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于當(dāng)前的水土保持工作中，確保工作人員準(zhǔn)確掌握區(qū)域內(nèi)的基本情況，進(jìn)而為水土保護(hù)、修復(fù)等工作方案的制定提供可靠的參照。

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