無人機(jī)航拍技術(shù)在小流域土壤侵蝕分析中的應(yīng)用分析

查駿雄

(九江市濂溪區(qū)水利局，江西 九江 332000)

水土流失是全世界都要面對的生態(tài)環(huán)境問題，制約著人類生產(chǎn)生活及地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(qū)均在探索先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于水土流失的治理評估及治理中，其中無人機(jī)技術(shù)由于具有高速度、高精度、高分辨率等優(yōu)勢，且是當(dāng)前最為先進(jìn)的地面反演技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用于事故及安全預(yù)警、渠系信息提取、水土保持等領(lǐng)域當(dāng)中。其中，無人機(jī)應(yīng)用于水土保持工作已有部分專家學(xué)者展開了研究，對于無人機(jī)在水土保持工作中的推廣運(yùn)用具有重要意義。

但是，不同地區(qū)的水土流失情況及特點(diǎn)各有差異，在小流域的水土流失治理過程中，常常因?yàn)闇y量數(shù)據(jù)缺失、位置偏遠(yuǎn)和測量精度，達(dá)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(jī)技術(shù)的進(jìn)一步推廣使用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 研究區(qū)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(fēng)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(zhèn)居民人均收入34592元，農(nóng)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(jìn)行分析，其中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)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(shù)達(dá)到7254.1t/(km2·a)。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取及處理

研究區(qū)總面積約為7km2，將飛行航線橫向設(shè)置為26條，每條航線的飛行時(shí)間預(yù)估為18min，每條航向的重疊達(dá)到60%，旁向的重疊達(dá)到75%，無人機(jī)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(shí)間間隔均為5s，總共拍攝照片1852張，具體的航線設(shè)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(dòng)PPGS UAV軟件-導(dǎo)入測量控制點(diǎn)-初始化處理，將照片組織起來(即對齊照片)-建立密集點(diǎn)云-生成三維網(wǎng)格-添加特征點(diǎn)，對坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)的相控點(diǎn)進(jìn)行校正-重新生成三維網(wǎng)格-給三維網(wǎng)格生成紋理-最終生成數(shù)字表面和高程模型。

3 分析結(jié)果

3.1 土地類型分類

將處理過后的數(shù)值表面模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)結(jié)合人工識別，對研究區(qū)的土地利用類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)的土地利用類型主要分為：農(nóng)村建筑、鄉(xiāng)村道路、玉米種植地、蘆葦?shù)?、谷類坡耕地、水?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(nèi)的土壤均來自于高地表表層的肥沃土壤，養(yǎng)分充足、含水率高，因而會出現(xiàn)喜水的蘆葦類植物；在坡度較陡地區(qū)，主要集中了谷類坡耕地以及經(jīng)村民改造的水田；在更大坡度地區(qū)，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(shè)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(jìn)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(qū)主要分布為荒草地，所占比例達(dá)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(yán)重的水土流失現(xiàn)象，主要是因?yàn)樯巾敿捌露容^陡處的植被覆蓋率較低，且經(jīng)歷風(fēng)力侵蝕和雨水侵蝕，很容易帶走肥沃的土壤，如此往復(fù)，必然使土壤侵蝕模數(shù)越來越高。通過實(shí)地考查，對分類結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)本次分類結(jié)果精度為85%，分類出現(xiàn)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(dǎo)致每株大豆均長得較矮小，因此在航拍照片處理時(shí)將其劃分為荒草地。

3.2 不同土地類型土壤侵蝕結(jié)果

圖4 2000與2018年高程變化

將本次航拍結(jié)果(2018年)與2000年的高程勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖4所示，見表1。相較于2000年，2018年時(shí)的大部分土地利用類型均有向海拔高處發(fā)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(nóng)舍建筑，而大豆種植地和灌木林地則向下發(fā)展了9.7和33.2m。對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為土地類型對于土壤侵蝕的影響主要表現(xiàn)在：①農(nóng)村建筑高程集中于1180m附近溝坡處，人類活動(dòng)尤為活躍，對于土地的開發(fā)利用最頻繁，導(dǎo)致土壤的塊狀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，進(jìn)而加劇了土壤侵蝕，故而區(qū)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(nèi)，在水力侵蝕以及在風(fēng)力侵蝕作用下，被侵蝕的土壤會被帶走并沉積在壩體內(nèi)，進(jìn)而使高程增加；③大豆分布于高程1100m左右，能增加區(qū)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(qū)域的水土流失依舊最為嚴(yán)重。

表1 不同土地利用類型高程變化統(tǒng)計(jì)

表2 小流域多年氣象水文要素統(tǒng)計(jì)

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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看出：該研究區(qū)的平均氣溫雖然有波動(dòng)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(qū)域氣候變化相關(guān)；平均風(fēng)速在多年時(shí)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(shù)均沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律；平均氣壓呈顯著遞減趨勢(p<0.001)。區(qū)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(fēng)速的增加，又加劇了對土壤的侵蝕，使得區(qū)域向暖干方向發(fā)展，同時(shí)也造成研究區(qū)的土壤侵蝕成因較為復(fù)雜。

4.2 水土保持措施影響

人類活動(dòng)對于土壤侵蝕有利有弊，過渡的開發(fā)利用會導(dǎo)致土地破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤侵蝕增加，而實(shí)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(fā)以后，國家逐步重視環(huán)境治理工作，采取了一系列的水土保持措施(研究區(qū)集中于生態(tài)措施)，對于區(qū)域的減流減沙起到了一定效果。采用GIS軟件對MODIS和GIMMS NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了研究區(qū)植被覆蓋率隨時(shí)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(qū)NDVI值總體呈逐漸增大趨勢，這主要得益于國家實(shí)施退耕還林還草政策，研究區(qū)的植被覆蓋率顯著提升，再加上梯田的生態(tài)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(dòng)對于土壤侵蝕的影響貢獻(xiàn)，對其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別得到了在植被覆蓋率增大后，研究區(qū)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(dòng)減少約0.19萬t，兩者的貢獻(xiàn)率分別為27%和73%，可見，人類活動(dòng)對于研究區(qū)土壤侵蝕的影響具有決定性作用。

5 結(jié)論

采用無人機(jī)航拍技術(shù)，獲取研究區(qū)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)分析結(jié)果，總結(jié)并揭示了氣象水文因素和人類活動(dòng)對于土壤侵蝕的影響，得到了兩者的貢獻(xiàn)率分別為27%和73%，研究結(jié)果對于無人機(jī)技術(shù)在水土流失治理中的應(yīng)用推廣具有重要意義。