基于QGIS和OpenCV的水土保持監測方法的實現

黃天龍 邢旭峰 黃妙芬 陳伊晴 呂煜城 譚俊濤

摘? 要：針對如何利用計算機視覺庫OpenCV處理遙感數據，進行水土保持監測，提高水土保持監測效率和準確性的熱點問題，通過對數據采集、圖層處理和圖像處理的研究，提出了一種基于QGIS和OpenCV的水土保持監測方法。研究結果表明，該方法能夠有效處理遙感數據，提高水土保持監測效率和準確性。研究成果對遙感數據處理具有重要參考價值，有助于提高水土保持監測技術的應用水平。

關鍵詞：水土保持監測；OpenCV；QGIS；遙感數據處理

中圖分類號：TP391；S157 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）10-0113-05

Abstract： Aiming at the hot issue how to use the computer vision library OpenCV to process remote sensing data， carry out soil and water conservation monitoring， and improve the efficiency and accuracy of soil and water conservation monitoring， through the research on data acquisition， layer processing and image processing， a soil and water conservation monitoring method based on QGIS and OpenCV is proposed. The research results show that the method can effectively process remote sensing data and improve the efficiency and accuracy of soil and water conservation monitoring. The research results have important reference value for remote sensing data processing and help to improve the application level of soil and water conservation monitoring technology.

Keywords： soil and water conservation monitoring; OpenCV; QGIS; remote sensing data processing

0? 引? 言

水土流失是一個全球性的環境問題，主要是指由于水蝕和風蝕，土壤表面肥沃層逐漸流失，造成土地荒蕪，生態系統失衡。此外，水土流失還會造成水體污染、洪澇災害等一系列嚴重的環境問題。這些問題對農業生產、水資源利用和生態環境產生了很大的影響。

由于水土流失已成為全球性的環境挑戰，因此水土保持監測非常重要。水土保持監測不僅有助于及時發現和分析水土流失，預測其發展趨勢，而且為制定科學合理的水土保持規劃和決策提供重要數據支撐，為保護土地資源和維護生態平衡做出貢獻，為促進可持續發展提供堅實保障[1，2]。

我國常用的水土保持監測方法主要有調查監測法、遙感監測法、地面觀測法、資料分析法等[3-5]。遙感監測法是利用衛星遙感技術監測分析，識別土壤侵蝕程度和規模，為治理提供數據支持[6]。該方法具有數據采集速度快、數據量大等優點，但需要對數據進行復雜的處理和分析，增加了操作的復雜性和成本。

OpenCV是一個流行的計算機視覺庫，它為圖像處理提供了各種算法和功能，包括對象檢測、跟蹤、圖像分割、特征提取等[7-9]。李越[10]總結了近年來該技術在國內的應用情況，通過時間的縱向分析和技術視角的橫向分析，闡述了當前該技術在圖像處理領域的研究重點和發展趨勢。

為了降低遙感監測的復雜性和成本，近年來，越來越多的學者和專家開始探索如何利用計算機視覺技術輔助遙感監測。本文針對該問題使用OpenCV，旨在提高水土保持監測效率和準確性，探索更好地處理遙感數據的新方法及其在實際領域的應用[11]。

1? 數據采集

朱照宇等[12]對粵西地區幾種表層土壤進行了137Cs同位素示蹤研究。研究結果表明，自20世紀60年代中期以來，湖光巖受人類活動破壞較小，水土流失較少；而粵西其他地區的表層土壤則被大量侵蝕。張爭勝等[13]的研究結果表明，雷州半島中部的楊家、唐家、紀家、白沙等鄉鎮水土流失嚴重。因

此，本文以湖光巖及以上四個鄉鎮為研究對象，進行數據采集。

為了更準確地選取湖光巖及上述四個鄉鎮的衛星圖像，使用德國數據制作公司Geofabrik（Geofabrik是一家德國地理數據公司，專注于為OSM地圖數據提供技術服務和支持，它是OSM地圖數據的主要供應商）提供的包括土地利用數據和水域數據在內的中國OSM數據。此外，使用開源AreaCity項目（AreaCity項目是一個開源項目，用于爬取和分析中國省市的數據）獲得鄉鎮邊界數據。

為了操作上述數據，使用QGIS開源地理信息系統（GIS）軟件，它提供一系列地圖制作和空間數據分析功能。如矢量數據處理、柵格數據處理、制圖、空間分析等。

將上述數據載入QGIS，具體步驟如下：

1）添加土地利用數據，設置過濾表達式為"name"='湖光巖'，將生成的圖層重命名為湖光巖圖層。

2）添加四個鄉鎮邊界數據，并為每個鄉鎮邊界數據設置一個過濾表達式，過濾表達式為"name"='楊家鎮'、"name"='唐家鎮'、"name"='紀家鎮'和"name"='白沙鎮'，將生成的圖層分別重命名為楊家鎮圖層、唐家鎮圖層、紀家鎮圖層和白沙鎮圖層。

3）添加水域數據并將生成的圖層重命名為水域圖層。

4）分別在湖光巖圖層和四個鄉鎮圖層上使用縮放到圖層功能。由于縮放后得到的比例尺差異較大，為盡量減少衛星圖層對實際地物細節描述的差異，選擇得到的比例尺的最大值并鎖定比例尺。

5）添加WMTS數據源，創建與Esri的World Imagery Wayback（Esri的World Imagery Wayback是一種基于時間的圖像瀏覽工具，用于查看世界各地的高分辨率衛星圖像，涵蓋過去幾年的時間段。借助World Imagery Wayback，用戶可以比較不同時間同一地點的圖像，以更好地了解地球表面的變化）的連接，加載default028mm圖層。將圖層重命名為衛星圖層，并將衛星圖層移動到所有圖層的底層，以方便后續圖層的疊加。

2? 圖層處理

圖層處理是QGIS中最基本和常見的操作之一，目的是將不同格式和來源的地理空間數據加載到QGIS中，以供后續分析、編輯、可視化等操作。圖層處理是GIS分析和制圖的前提和基礎。圖層處理主要包括以下幾個方面：數據預處理、數據編輯和數據導出。

QGIS中圖層處理的主要步驟：

1）使用矢量幾何圖形工具箱中的邊界工具，以湖光巖圖層和每個鄉鎮圖層作為輸入圖層進行操作，返回輸入幾何圖形的組合邊界（即幾何圖形的拓撲邊界）的閉包。將邊界圖層設置為紅色，調整合適的視覺寬度便于觀察。分別輸出僅包含衛星圖層和每個邊界圖層的疊加圖像，輸出范圍從每個邊界圖層計算，圖像命名格式為地物+邊界，如湖光巖邊界。結果如圖1至圖5所示，為了更好地說明地物在圖像上的位置，根據地物位置在圖像上標出地物名稱。

2）使用矢量幾何圖形工具箱中的邊界框工具，以湖光巖圖層和每個鄉鎮圖層作為輸入圖層進行操作。此工具使用最小邊界幾何算法為輸入圖層中的每個要素計算邊界框（包絡）。分別創建每個邊界框圖層，圖層命名格式為地物+邊界框，如湖光巖邊界框。

3）使用矢量疊加工具箱中的交集取反工具，以每個邊界框圖層作為輸入圖層，邊界框圖層對應的地物圖層作為疊加圖層進行操作。此工具使用算法從輸入圖層和疊加圖層提取不重疊的要素部分，并刪除兩圖層之間的重疊區域。將交集取反圖層設置為黑色，分別輸出僅包含衛星圖層和每個交集取反圖層的疊加圖像，輸出范圍從每個地物圖層計算，圖像命名格式為地物+交集取反，如湖光巖交集取反。結果如圖6至圖10所示。

4）水土保持的對象是陸地，其目的是保護陸地的水土資源，防止水土流失和降低生態環境質量，從而維持陸地的生態平衡。本文不考慮水域對陸地的影響，去除水域。使用矢量疊加工具箱中的相交工具，以湖光巖圖層和每個鄉鎮圖層作為輸入圖層，水域圖層作為疊加圖層進行操作。此工具使用算法提取輸入圖層和疊加圖層中要素的重疊部分。將相交圖層設置為黑色。將每個邊界圖層和邊界圖層對應的相交圖層疊加后，分別輸出僅包含衛星圖層和每個疊加圖層的疊加圖像，輸出范圍從每個地物圖層計算，圖像命名格式為地物+相交，如湖光巖相交。結果如圖11至圖15所示。

5）將每個相交圖層和相交圖層對應的交集取反圖層疊加后，分別輸出僅包含衛星圖層和每個疊加圖層的疊加圖像，輸出范圍從每個地物圖層計算，圖像命名格式為地物+處理結果，如湖光巖處理結果。結果如圖16至圖20所示。

3? 圖像處理

徐博倫等[14]通過Python圖像處理庫OpenCV對街景圖片中綠色像素的占比進行識別和計算，得到研究區域道路綠視率的量化數據。本文借鑒該方法對圖像進行處理，利用OpenCV識別計算圖像非黑色像素中目標像素和所有非黑色像素的比率，并將得到的比率作為圖像的水土保持比率，根據水土保持比率對水土保持進行評價。

OpenCV是一個用于計算機視覺和機器學習的開源庫。在水土保持監測中，OpenCV可用于以下方面：土地利用/覆蓋分類、土地變化檢測、水體邊界提取等。

水土保持良好的陸地在衛星圖像中通常呈現綠色。這是因為這種陸地通常覆蓋著大量的植被，可以吸收大量的陽光，產生大量的植物葉綠素?？梢栽谛l星圖像中檢測到這種葉綠素，使其呈綠色。

為了更好地分離圖像中的陸地區域，對衛星圖像進行了閾值處理。由于衛星圖像的陸地顏色受光照、遙感設備特性、土壤成分等諸多因素的影響，因此在閾值化時需要考慮更廣的顏色范圍。由于HSV顏色空間對光照等因素的影響相對不敏感，因此采用HSV顏色空間進行閾值化[15]。

HSV顏色模型是一種描述顏色的方式，其中顏色由三個分量組成：色相（Hue）、飽和度（Saturation）和明度（Value）。HSV基本顏色范圍（模糊范圍）如表1所示，各分量的下限用下標min表示，上限用下標max表示。在表中，每種顏色都有一個基本的色相、飽和度和明度范圍，這些范圍是模糊的，因為顏色的具體定義會根據不同的應用而有所不同。對于某種顏色，凡是落在其基本色相范圍內的顏色，都可以認為是該顏色。

本文在對衛星圖像進行閾值處理時，綠色和青色都包含在閾值范圍內。由于綠色和青色在H通道上是連續的，而S和V通道上和下限是相同的，因此閾值設置Hmin為35，Hmax為99、Smin為43、Smax為255、Vmin為43和Vmax為255。這些數值僅供參考，在實際應用中可能需要根據具體情況進行微調，以達到更好的效果。

在OpenCV中執行以下操作以計算水土保持比率：

1）定義一個計算水土保持比率的函數，將BGR格式的圖片作為參數傳入函數，2）～8）均在該函數內操作。

2）將BGR格式的圖像轉換為灰度圖像，統計其中非零像素個數。

3）設置閾值并創建僅包含適合顏色范圍的部分的遮罩。

4）通過遮罩操作原圖，選擇與顏色范圍相匹配的部分。

5）將選中區域轉化為灰度圖，統計其中非零像素個數。

6）將選中區域非零像素個數與原圖非零像素個數之比作為水土保持比率。

7）函數返回水土保持比率。

8）反復調用該函數計算各地物圖像的水土保持比率。

將QGIS圖層處理的每個地物處理結果圖像重命名為每個地物的漢語拼音小寫縮寫，例如將湖光巖處理結果圖像重命名為hgy，以避免編程中的兼容性問題。

計算水土保持比率代碼如圖21所示。

計算結果如表2所示。

各地物之間的距離很近，都在湛江市內。衛星圖像拍攝時間段相同，比例尺相同，可以認為圖像分辨率是相同的。水土保持比率的高低反映了一個地區的水土保持狀況。結果表明，湖光巖的水土保持比率最高，可能是因為它是一個生態環境良好的自然保護區。各鄉鎮水土保持比率均低于湖光巖，且差異較大，可能受自然因素和人為因素影響。

為更好地了解區域水土保持變化情況，可通過加載不同時間段的衛星圖層得到不同時間段的衛星圖像，并采用相似的操作方法比較水土保持比率，進行更深入的分析。

4? 結? 論

本文介紹如何使用計算機視覺庫OpenCV處理遙感數據，提高水土保持監測效率和準確性，避免了缺乏高效圖像處理算法、缺乏通用圖像處理工具、難以實現自動監測等問題，實現基于QGIS和OpenCV的水土保持監測方法。然而，由于遙感監測方法可能受到天氣、光學效應、地形、遙感儀器等因素的影響，因此在獲取的衛星圖像中可能難以區分水域和陸地的差異。本文采用同一坐標系下的水域數據代替使用OpenCV分水嶺算法計算湖光巖圖層水域分布，但這也可能導致一些實際差異。為了更準確地區分水域和陸地，可將遙感技術與地面觀測相結合，利用地面觀測數據對遙感圖像進行驗證和校正。

為了提高水土保持監測效率和準確性，可以運用多種方法。一是通過多源數據融合進行綜合分析，包括衛星數據、氣象數據、植被指數數據等；二是改進監測算法，采用不同的閾值處理和特征提取方法；三是建立土地利用變化模型來預測趨勢。這些方法的綜合運用，可以進一步提高水土保持監測效率和準確性。

隨著社會經濟的發展，水土保持監測進入了一個新的歷史階段。水土保持監測的進一步發展，將為我們更好地認識和管理資源提供有力支持。同時，我們也需要不斷加強對水土流失等環境問題的關注和治理，為實現可持續發展目標而不懈努力。

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作者簡介：黃天龍（2001—），男，漢族，廣東河源人，本科

在讀，研究方向：農業資源與環境信息采集；通訊作者：邢旭峰（1972—），男，漢族，河北保定人，副教授，碩士，研究方向：海洋信息采集與處理。