無人機航拍技術在小流域土壤侵蝕分析中的應用分析

查駿雄

(九江市濂溪區水利局，江西 九江 332000)

水土流失是全世界都要面對的生態環境問題，制約著人類生產生活及地區農業經濟的可持續發展，據統計，我國的水土流失面積總量已超過全國面積的1/3。近年來，各地區均在探索先進技術應用于水土流失的治理評估及治理中，其中無人機技術由于具有高速度、高精度、高分辨率等優勢，且是當前最為先進的地面反演技術，已經被應用于事故及安全預警、渠系信息提取、水土保持等領域當中。其中，無人機應用于水土保持工作已有部分專家學者展開了研究，對于無人機在水土保持工作中的推廣運用具有重要意義。

但是，不同地區的水土流失情況及特點各有差異，在小流域的水土流失治理過程中，常常因為測量數據缺失、位置偏遠和測量精度，達不到理想的效果，故而本文針對小流域水土流失問題開展研究，以期能為無人機技術的進一步推廣使用提供理論和實踐依據。

1 研究區概況

江西九江地處江西省北部，為長江中下游南岸城市，總面積19100km2，其中丘陵占50%、山地占15%、平原占5%，水域占30%。九江地處亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.7℃，年降雨量1450mm，主要有長江、修河以及博陽河3大水系。常住人口約490萬，城鎮居民人均收入34592元，農村居民人均可支配收入23303元，主要糧食作物有油料、土豆、玉米、大豆等。選取某植被覆蓋稀疏的山地小流域進行分析，其中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕面積占比分別為17.3%、19.1%、18.8%、15.4%，平均侵蝕模數達到7254.1t/(km2·a)。

2 無人機數據獲取及處理

研究區總面積約為7km2，將飛行航線橫向設置為26條，每條航線的飛行時間預估為18min，每條航向的重疊達到60%，旁向的重疊達到75%，無人機的飛行高度均為300m，地面的分辨率大小為0.05m，每2張照片的拍照時間間隔均為5s，總共拍攝照片1852張，具體的航線設置如圖1所示。

圖1 航拍生成三維模型

照片后期處理流程為：啟動PPGS UAV軟件-導入測量控制點-初始化處理，將照片組織起來(即對齊照片)-建立密集點云-生成三維網格-添加特征點，對坐標數據點的相控點進行校正-重新生成三維網格-給三維網格生成紋理-最終生成數字表面和高程模型。

3 分析結果

3.1 土地類型分類

將處理過后的數值表面模型進行計算機結合人工識別，對研究區的土地利用類型進行統計分析，發現該研究區的土地利用類型主要分為：農村建筑、鄉村道路、玉米種植地、蘆葦地、谷類坡耕地、水田(梯田)、荒草地以及灌木林地等，其具體分布如圖2所示。由于壩地內的土壤均來自于高地表表層的肥沃土壤，養分充足、含水率高，因而會出現喜水的蘆葦類植物；在坡度較陡地區，主要集中了谷類坡耕地以及經村民改造的水田；在更大坡度地區，由于土壤貧瘠，可利用耕地少，主要分布荒草地和灌木林地；建設用地分布較為零散，且面積較小。

圖2 土地利用類型分布

圖3 不同土地利用類型占比

對不同土地類型的面積進行匯總，得到各自面積的占比情況，如圖3所示。從圖3中可以看到：研究區主要分布為荒草地，所占比例達到60%以上，其次為灌木林地和玉米種植地，占比分別為16.99%和14.78%。因此，該小流域之所以會存在較為嚴重的水土流失現象，主要是因為山頂及坡度較陡處的植被覆蓋率較低，且經歷風力侵蝕和雨水侵蝕，很容易帶走肥沃的土壤，如此往復，必然使土壤侵蝕模數越來越高。通過實地考查，對分類結果進行了驗證，發現本次分類結果精度為85%，分類出現偏差的主要原因是山頂附近有部分大豆種植地被劃分為荒草地，由于山頂附近的土地較為貧瘠且土壤含水率低，導致每株大豆均長得較矮小，因此在航拍照片處理時將其劃分為荒草地。

3.2 不同土地類型土壤侵蝕結果

圖4 2000與2018年高程變化

將本次航拍結果(2018年)與2000年的高程勘察數據進行對比分析，結果如圖4所示，見表1。相較于2000年，2018年時的大部分土地利用類型均有向海拔高處發展的趨勢，其中土豆種植地和土豆種植地的變化范圍最大，其次為谷類坡耕地和農舍建筑，而大豆種植地和灌木林地則向下發展了9.7和33.2m。對數據進行統計分析，認為土地類型對于土壤侵蝕的影響主要表現在：①農村建筑高程集中于1180m附近溝坡處，人類活動尤為活躍，對于土地的開發利用最頻繁，導致土壤的塊狀結構發生破壞，進而加劇了土壤侵蝕，故而區域的平均高程在逐漸增加；②玉米種植地地處小流域壩體內，在水力侵蝕以及在風力侵蝕作用下，被侵蝕的土壤會被帶走并沉積在壩體內，進而使高程增加；③大豆分布于高程1100m左右，能增加區域的地表植被覆蓋率，減少一定坡度范圍類的水土流失；④水田(梯田)對水土流失有減緩作用，因此從整體上來講其高程變化不大；⑤灌木林地主要分布于坡頂，呈零散分布，具有一定的抗侵蝕作用，但是覆蓋率較低，難以形成有效的固沙減流效果，故而這一區域的水土流失依舊最為嚴重。

表1 不同土地利用類型高程變化統計

表2 小流域多年氣象水文要素統計

注：***、**分別表示通過0.0001和0.001顯著性水平，-表示未通過顯著性檢測。

4 土壤侵蝕原因分析

4.1 氣象水文因素影響

對該小流域多年來的氣象水文要素進行統計，見表2。從表2中數據可以看出：該研究區的平均氣溫雖然有波動變化，但整體呈遞增趨勢(p<0.0001)，平均增幅為0.1℃/10a；降雨量在此期間未有明顯變化趨勢，區域氣候變化相關；平均風速在多年時間里呈遞增趨勢(p<0.0001)，平均變化幅度約為0.08m/10a；相對濕度和日照數均沒有表現出明顯的變化規律；平均氣壓呈顯著遞減趨勢(p<0.001)。區域降水量的減少，對土壤侵蝕的作用也隨之降低，但溫度和風速的增加，又加劇了對土壤的侵蝕，使得區域向暖干方向發展，同時也造成研究區的土壤侵蝕成因較為復雜。

4.2 水土保持措施影響

人類活動對于土壤侵蝕有利有弊，過渡的開發利用會導致土地破碎嚴重，導致土壤侵蝕增加，而實行禁牧禁林政策，則有利于提高植被覆蓋率，從而減少土壤侵蝕程度。改革開發以后，國家逐步重視環境治理工作，采取了一系列的水土保持措施(研究區集中于生態措施)，對于區域的減流減沙起到了一定效果。采用GIS軟件對MODIS和GIMMS NDVI數據進行分析，得到了研究區植被覆蓋率隨時間的變化特征，如圖5所示。從圖5中可以看到這些年間研究區NDVI值總體呈逐漸增大趨勢，這主要得益于國家實施退耕還林還草政策，研究區的植被覆蓋率顯著提升，再加上梯田的生態工程措施，使得減沙效果更佳，故而土壤侵蝕有下降趨勢。

圖5 NDVI值變化特征

4.3 土壤侵蝕歸因分析

為了探討氣象水文和人類活動對于土壤侵蝕的影響貢獻，對其進行了統計分析，根據計算結果分別得到了在植被覆蓋率增大后，研究區的土壤侵蝕量共減少0.26萬t，其中因水文氣象因素減少0.07萬t，因人類活動減少約0.19萬t，兩者的貢獻率分別為27%和73%，可見，人類活動對于研究區土壤侵蝕的影響具有決定性作用。

5 結論

采用無人機航拍技術，獲取研究區的土地分類和土壤侵蝕信息，對不同土地類型下的土壤侵蝕情況進行了統計分析，并根據分析結果，總結并揭示了氣象水文因素和人類活動對于土壤侵蝕的影響，得到了兩者的貢獻率分別為27%和73%，研究結果對于無人機技術在水土流失治理中的應用推廣具有重要意義。