基于無人機(jī)遙感技術(shù)的坡地果園土壤侵蝕模數(shù)計算

關(guān)鍵詞：無人機(jī)遙感技術(shù)；坡地；果園；土壤侵蝕；南方紅壤區(qū)

中圖分類號：S157文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.06.021

引用格式：，，，等.基于無人機(jī)遙感技術(shù)的坡地果園土壤侵蝕模數(shù)計算[J].中國水土保持，2025（6）：72-75，81.

土壤侵蝕是在風(fēng)力、水力和重力等作用下，土壤及其母質(zhì)被剝蝕、搬運和沉積的過程。人類對自然資源的不合理開發(fā)和利用導(dǎo)致土壤侵蝕加劇，生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯，給經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展帶來了巨大危害。我國是全球受土壤侵蝕影響最嚴(yán)重的國家之一，水土流失問題已經(jīng)成為迫切需要解決的環(huán)境問題之一，而南方紅壤區(qū)土壤抗蝕性較差，是我國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。

土壤侵蝕模型是模擬土壤侵蝕過程、估算侵蝕總量、指導(dǎo)土地規(guī)劃的重要技術(shù)工具，是土壤侵蝕研究領(lǐng)域的重要方向。20世紀(jì)40年代以來，多種適用于不同空間和時間尺度的土壤侵蝕模型相繼被開發(fā)，以通用土壤流失方程為代表的經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵蚱浣Y(jié)構(gòu)簡單、輸入?yún)?shù)較少、數(shù)據(jù)易獲取、適用性強等優(yōu)點在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。中國土壤流失方程（Chinesesoillossequation，以下簡稱“CSLE”）考慮了中國的地貌形態(tài)和水土保持措施的特點，更加適用于我國土壤侵蝕特征[1]，在南方紅壤區(qū)、黃土高原等地區(qū)都得到了廣泛應(yīng)用[2-3]，而高精度的土壤侵蝕因子數(shù)據(jù)獲取是保證基于CSLE模型計算土壤侵蝕模數(shù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，無人機(jī)遙感技術(shù)也成為低空遙感不可缺少的一部分。許多研究表明無人機(jī)遙感技術(shù)在水土流失監(jiān)測中發(fā)揮了較大作用，可為水土流失綜合防治提供技術(shù)支撐。但目前無人機(jī)遙感技術(shù)大多是應(yīng)用在流域尺度的水土流失評估[4-5]，在小空間尺度應(yīng)用較少，小空間尺度的土壤侵蝕因子數(shù)據(jù)獲取手段仍在探索階段。因此，本研究以位于南方紅壤區(qū)的某坡地果園為研究區(qū)，應(yīng)用高精度無人機(jī)低空遙感技術(shù)開展果園土壤侵蝕模數(shù)計算，并驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，旨在建立一套操作便捷、成本低、計算準(zhǔn)確的基于無人機(jī)的小尺度土壤侵蝕評估方法，為提升水土流失綜合治理的信息化水平提供支撐

1 研究區(qū)概況

廣東省珠海市瀕臨南海，地處南方紅壤區(qū)，屬典型的南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫 22.5‰ ：氣候濕潤，年均相對濕度 80% ;降水量充沛，年均降水量 2061.9mm 。受夏季降水量大且集中，以及長期人為擾動因素影響，南方紅壤區(qū)水土流失嚴(yán)重程度僅次于黃土高原[，尤其是園地水土流失十分嚴(yán)重。本研究選取位于珠海市香洲區(qū)的某大型芒果種植基地作為研究區(qū)（見圖1），其地貌類型為丘陵，土壤類型為紅壤，成土母質(zhì)為花崗巖等風(fēng)化物，富鋁化作用顯著

2研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

本研究采用CSLE 模型計算土壤侵蝕模數(shù)，計算公式為

A=R×K×L×S×B×E×T

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，單位 R 為降雨侵蝕力因子，單位 K 為土壤可蝕性因子，單位 t?hm²?h?（hm²?MJ?mm） ; L 為坡長因子，無量綱； s 為坡度因子，無量綱； B 為水土保持生物措施因子，無量綱，用于反映生物措施的水土保持效果； E 為水土保持工程措施因子，無量綱，用于描述工程措施的水土保持效果； T 為水土保持耕作措施因子，無量綱，用于描述農(nóng)業(yè)耕作的水土保持效果

坡長因子的計算公式為

式中： L_i 為第 i 個坡段的坡長因子值； λ_i 和 λ_i-1 分別為第 i 個、第 i-1 個坡段的坡長，單位 m;m 為坡長指數(shù)，依據(jù)坡度進(jìn)行取值。

m 的取值方法為

式中： θ 為坡度，單位 （^°） 。

坡度因子的取值方法為

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL190—2007），將區(qū)內(nèi)土壤侵蝕強度劃分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕6個等級，其對應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)分別為 lt;5.5～lt;25.25～lt;50 。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

1）外業(yè)無人機(jī)數(shù)據(jù)采集。利用大疆精靈4RTK無人機(jī)獲取低空高精度可見光圖像，試驗樣地尺寸為500m×500m ，設(shè)置橫向和縱向飛行航線，飛行高度為120m ，航線總長度為 5948m ，共有277個航點。拍攝過程中鏡頭垂直朝下，進(jìn)行多次航拍，見圖2。

2）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。基于無人機(jī)拍攝影像制作研究區(qū)正射影像圖、DSM（數(shù)字表面模型）、DEM（數(shù)字高程模型）。利用無人機(jī)遙感影像與DEM數(shù)據(jù)制作調(diào)查區(qū)野外調(diào)查底圖，并根據(jù)水土保持調(diào)查中“三同一連續(xù)”的原則對調(diào)查區(qū)地塊進(jìn)行劃分。由于果園大部分區(qū)域沒有工程措施，且所有地塊的耕作措施基本保持一致，因此主要依據(jù)林冠郁閉度和林下蓋度來區(qū)分生物措施和土地利用類型，為外業(yè)實地考察提供依據(jù)。

3）野外實地調(diào)查。通過野外實地調(diào)查，填寫野外調(diào)查表，識別研究區(qū)土地利用類型，制作研究區(qū)土地利用類型圖，依據(jù)土地利用類型圖進(jìn)行 B，E，T 因子的賦值。

4）數(shù)字化處理。對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，形成土壤侵蝕因子的柵格數(shù)據(jù)集，再利用ArcGIS中 Spa-tialAnalyst的柵格計算器工具，基于CSLE模型進(jìn)行土壤侵蝕模數(shù)計算。

3 結(jié)果與分析

3.1正射影像和DSM、DEM數(shù)據(jù)

將無人機(jī)拍攝的照片導(dǎo)人AgisoftPhotoScan軟件并選擇WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，通過對齊照片 $$ 建立密集點云 $$ 生成網(wǎng)格 $$ 生成紋理 $$ 建立數(shù)字高程模型 $$ 建立正射影像，導(dǎo)出研究區(qū)的正射影像和DSM。將導(dǎo)出的DSM減去研究區(qū)芒果樹平均樹高，并對其進(jìn)行平滑處理，得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖3。

3.2土壤侵蝕因子計算

依據(jù)中國大陸地區(qū)降雨侵蝕力空間分布數(shù)據(jù)集，研究區(qū) R 因子的平均值為 21472MJ?mm/（hm² ·h?a） ；依據(jù)中國土壤可蝕性因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)集，研究區(qū)K 因子的平均值為 （20mm ）；依據(jù)DEM數(shù)據(jù)，通過ArcGIS中的RasterSurface工具計算出研究區(qū)的 L 和 s 因子（見圖4）；基于研究區(qū)土地利用類型圖，得到研究區(qū) B，E 因子賦值結(jié)果（見圖5）。

3.3土壤侵蝕模數(shù)計算

基于CSLE模型計算研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，并進(jìn)行土壤侵蝕強度分級，結(jié)果見圖6。研究區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為 ，最大土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到 ；土壤侵蝕以輕度侵蝕為主，東北部部分區(qū)域達(dá)到了中度甚至強烈侵蝕，土壤侵蝕強度整體呈現(xiàn)東部高于西部、北部高于南部的空間特征。

4討論

經(jīng)過實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)不同區(qū)域的果樹長勢差異較大：東北部坡度較陡，林下蓋度和果樹密度均較低，果樹長勢較差；西北部坡度較緩，林下蓋度和果樹密度均較高，果樹長勢較好（見圖7）。為進(jìn)一步分析土壤侵蝕模數(shù)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取4個典型區(qū)域，即自然坡度較大的區(qū)域A、道路一側(cè)邊坡裸露且陡峭的區(qū)域B、林下蓋度較低的區(qū)域C和林下蓋度較高的區(qū)域D進(jìn)行驗證（見圖8）。結(jié)果表明：區(qū)域A、B、C土壤侵蝕模數(shù)較大，在實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域坡度大、果樹長勢差、郁閉度較低，水土流失嚴(yán)重；區(qū)域D土壤侵蝕模數(shù)較小，此區(qū)域植被覆蓋和果樹長勢較好，無水土流失現(xiàn)象。實地調(diào)查結(jié)果驗證了基于無人機(jī)遙感技術(shù)的小區(qū)域尺度土壤侵蝕模數(shù)計算方法是可行的。

林下水土流失是多種因素綜合作用的結(jié)果。我國南方紅壤丘陵區(qū)地貌破碎、地形起伏大、成土母質(zhì)復(fù)雜、土壤類型多樣，土壤可蝕性因子 K 值較大，土壤的抗蝕性較差[2]，經(jīng)果林幼林郁閉度較低，林下植被稀疏[7-8]，再加上侵蝕性降雨集中和頻繁的人類擾動，林下水土流失比較嚴(yán)重。此外，研究區(qū)果園采用大水漫灌灌溉方式，經(jīng)營管理方式相對粗放，大部分區(qū)域缺少保水保肥措施，只有局部區(qū)域有坡式梯田等水土保持工程措施；果園內(nèi)交通設(shè)施用地和建設(shè)用地同樣缺少水土保持措施，導(dǎo)致地表裸露，極易引發(fā)細(xì)溝侵蝕；另外，定期的剪枝和除草工作也在一定程度上加劇了水土流失。經(jīng)果林對土壤條件要求較高，水土保持措施應(yīng)以增加林下覆蓋、攔截徑流、固土保肥為主[9]。通過在坡度較陡的區(qū)域設(shè)置魚鱗坑、果樹坑等，可匯集貯存雨水，有效攔截坡面降水徑流，減輕坡面侵蝕；通過增加林下植被覆蓋，可提高土壤持水能力，增強土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，增加土壤有機(jī)碳含量，顯著改善土壤條件[10-1]。本研究設(shè)計了3種水土保持方案（見圖9），通過GIS技術(shù)模擬不同水土保持方案下的土壤侵蝕模數(shù)變化。方案一為僅采取生物措施，使林下植被覆蓋度保持在 70% 以上；方案二為僅采取工程措施，在坡度大于 12^° 的區(qū)域布設(shè)大型果樹坑；方案三為同時采取工程措施和生物措施。可以看到，同時采取工程措施和生物措施可顯著減輕果園的土壤侵蝕強度，此情況下研究區(qū)以微度侵蝕為主，僅有小部分區(qū)域為輕度侵蝕；而在只采取生物措施的情況下，果園仍存在部分中度侵蝕區(qū)域，水土流失的控制效果有限。

5 結(jié)論

研究區(qū)為位于南方紅壤區(qū)的典型緩坡園地，基于無人機(jī)遙感技術(shù)獲取數(shù)字正射影像、DSM、DEM，進(jìn)而得到土地利用數(shù)據(jù)和土壤侵蝕因子數(shù)據(jù)，再利用ArcGIS進(jìn)行數(shù)字化處理并計算土壤侵蝕模數(shù)。計算結(jié)果表明研究區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)為 7 . 9 7 t / （ h m" 2· a ）"，最大土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到 64.00V（hm²?a） ，水土流失比較嚴(yán)重；土壤侵蝕強度以輕度侵蝕為主，東北部部分區(qū)域達(dá)到了中度和強烈侵蝕。通過實地調(diào)查對土壤侵蝕計算結(jié)果進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)東北部坡度較大，林下蓋度和果樹密度均較低，果樹長勢較差，西北部坡度較緩，林下蓋度和果樹密度均較高，果樹長勢較好，土壤侵蝕模數(shù)計算結(jié)果表現(xiàn)為東北部顯著高于西北部；選取自然坡度較大的區(qū)域A、道路一側(cè)邊坡裸露且陡峭的區(qū)域B、林下蓋度較低的區(qū)域C和林下蓋度較高的區(qū)域D共4個典型區(qū)域進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)區(qū)域 _A，B，C 的土壤侵蝕模數(shù)較大，區(qū)域D的土壤侵蝕模數(shù)較小，結(jié)果表明基于無人機(jī)遙感技術(shù)的坡地果園土壤侵蝕計算結(jié)果符合實際情況。此方法主要利用民用無人機(jī)，成本較低、操作簡單、工作量較小、參數(shù)獲取難度較低，在小區(qū)域尺度的土壤侵蝕模數(shù)計算結(jié)果符合實際情況，可提升水土流失綜合治理的信息化水平。通過設(shè)計3種水土保持方案，發(fā)現(xiàn)南方紅壤區(qū)園地水土流失防治應(yīng)采用工程措施和生物措施相結(jié)合的方式，在坡度較陡的區(qū)域設(shè)置魚鱗坑、果樹坑、梯田等，并保留林間果樹枯枝落葉以增加林下植被蓋度。此方式可有效控制園地水土流失，降低土壤侵蝕強度。

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（責(zé)任編輯 李佳星）