基于無人機遙感影像分析的基本農田土地環境質量監測方法

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

作者簡介：杜娜（1984—）?，女，碩士，高級工程師，研究方向為生態經濟、國土空間規劃。

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-8458

摘要：研究提出了一種基于無人機遙感影像分析的基本農田土地環境質量監測方法，即利用無人機技術采集基本農田土地圖像，并建立土壤、植被、氣候等因素的遙感反演模型。通過綜合考慮多種指標，計算基本農田土地環境綜合質量指數，實現對土地環境質量的動態監測。實驗證明：此種方法具有較高的監測精度，能夠準確評價土地環境質量并控制評價結果誤差；為農田管理者提供了可靠的數據支持，促進農田可持續發展和環境保護。

關鍵詞：無人機遙感影像??基本農田??土地環境??遙感反演??質量動態監測

中圖分類號：X833

基本農田作為我國農業的重要組成部分，其土地環境質量直接關系到農產品的安全和農業的可持續發展[1]。因此，對基本農田土地環境質量進行監測，具有十分重要的意義。基本農田土地環境質量監測的主要目的是了解和掌握農田土壤、水質、生物等環境因素的現狀及變化情況，及時發現和解決農業生產過程中的環境問題，保障農產品的質量安全，促進農業的可持續發展。基本農田土地環境質量監測可分為土壤監測、水質監測、生物監測等[2]。為促進基本農田土地環境的可持續發展，本文將結合無人機遙感影像分析技術，開展對基本農田土地環境質量監測方法的設計研究。

1??基本農田土地無人機遙感圖像處理

1.1 ?規劃無人機的作業航線

引入無人機遙感影像分析技術對基本農田土地環境質量進行監測。首先需要完成對基本農田土地圖像的采集和處理[3]。基于無人機遙感影像的基本農田土地圖像采集與處理，主要步驟具體敘述如下。

第一步，確定監測目標。明確需要監測的基本農田土地范圍和目標，確定監測的重點和要求。第二步，選擇合適的無人機。根據監測目標的要求，選擇合適的無人機類型和型號，考慮其載荷、航程、穩定性等因素。第三步，安裝遙感影像設備。在無人機上安裝遙感影像設備，包括高分辨率相機、多光譜相機、紅外傳感器等，根據需要選擇合適的設備類型和數量[4]。第四步，規劃航線。根據監測目標的要求，規劃無人機的飛行航線，確定航高、航速、拍攝間隔等參數，確保拍攝的圖像能夠覆蓋整個監測范圍。第五步，進行圖像采集。按照規劃的航線，操縱無人機進行圖像采集，注意保持無人機的穩定性和圖像的質量。第六步，數據傳輸和處理。將采集的圖像數據傳輸到地面站或數據中心，進行圖像處理和分析，包括圖像拼接、幾何校正、輻射定標等處理，提取所需的信息和特征。第七步，提取和分析信息。根據監測目標的要求，對處理后的圖像進行分析和提取信息，如土地利用類型、植被覆蓋度、土壤質量等，生成報告或地圖等成果。

在規劃無人機的作業航線時，以無人機的起飛起點為坐標原點，由其北向、東向分別引出 Y軸及X軸，構成第一象限監控區[5]。將 OXY設置為此坐標系中的工作環境坐標系。將凸多邊形工作區分為?n條邊界線，根據每次無人機遙感圖像采集的范圍，在監控區內增加若干條分區分割線，將工作區分割成多個子區。然后，求出各子操作區的橫向界限值，并以此界限值所對應的坐標為無人駕駛點。根據遞歸原則，可以得到各航線點的坐標，其表達式為：

上述公式中：、、、分別為無人機航線上的4個航測點；為橫坐標極大值點；為橫坐標極小值點；為縱坐標極大值點；為循環次數。

1.2 ?遙感影像處理

通過無人機的連續垂直航拍，獲得被監測區域的高分辨率遙感影像，并將其作為環境質量監測的重要依據。為了更方便進行監測，對不同影像之間的單應性矩陣進行計算，以此實現對遙感影像的拼接，單應性矩陣需要滿足的要求為：

式（5）中：為常數；為監測點二維圖像坐標；為不同遙感影像之間的單應性矩陣；為三維齊次坐標。從無人機遙感圖像獲取原則出發，對不同視角的航拍進行了說明，設定了相應的大地平面，并對這個平面到原點的距離進行分析，可以得到：

式（6）中：為平面與原點之間的距離。采用單應矩陣，可將遙感圖像中各像元的坐標轉換為一個統一的坐標系統[6]。

2 ?建立基本農田土地環境遙感反演模型

在建立基本農田土地環境遙感反演模型時，根據監測目標和區域特點，選擇合適的遙感數據源，包括衛星數據、航空數據等，考慮其空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率等因素。明確需要反演的基本農田土地環境因素，如土壤類型、植被覆蓋度、土壤濕度等，選擇合適的遙感指標和模型進行反演[7]。在遙感反演過程中，需要考慮環境和天氣因素對遙感數據的影響，如大氣吸收和散射、光照條件等，需要對這些因素進行評估和處理。針對無人機遙感圖像中包含了植被與土壤兩種信息的特點，采用像元二分法進行地表光譜信息的提取與反演，是實現遙感反演的前提[8-9]。圖像光譜信息通過像元二分模型進行分解：

式（7）中：為遙感影像的光譜信息；為基本農田土地上植被的光譜信息；為植被像元占比；為基本農田土地上土壤光譜信息；為土壤像元占比。

3??基本農田土地環境質量動態監測

為了更直觀地得到土地環境質量監測結果，需要進行對土地環境指數的計算[10]。針對存在單一影響環境質量的元素，在其影響作用下，土地環境質量指數可表示為：

式（8）中：為土地環境質量指數；為實際測量影響元素含量；為背景土壤元素值。在此基礎上，結合綜合指數方法，對多種影響因素共同作用下的基本農田土地環境質量指數進行計算：

式（9）中：為基本農田土地環境綜合質量指數；為土地環境質量指數平均值；為環境指數最小值。

4??對比實驗

以某地區基本農田土地為例，分別利用本文上述提出的基于無人機遙感影像分析技術的監測方法、基于GEE的監測方法和基于Landsat的監測方法對該土地的環境質量進行監測。為了方便論述，將本文監測方法設置為實驗組，將基于GEE的監測方法設置為對照A組，將基于Landsat的監測方法設置為對照B組。通過對依托的基本農田土地進行初步調查得出，該區域鄰近湖泊，是該地區關鍵的產糧區域。近年來，為了提升農業糧食產量，該區域大量使用農藥、化肥等化學物質，導致土壤重金屬污染不斷加重。為了監測這一現象，并采取有效的治理措施，該區域采用無人機搭載遙感影像采集設備的技術手段，獲取大量的實驗數據。在應用無人機獲取遙感影像時，所選擇的無人機相關參數如表1所示。

針對該地區基本農田土地，將其平均分為5個區域，并在每個區域內隨機選擇一個點作為監測點，分別編號為I-01、II-01、III-01、IV-01、V-01。為實現對3種監測方法監測性能的比較，將監測結果的均方根誤差作為衡量指標，公式為：

式（10）中：為監測結果的均方根誤差；為實際土地環境污染指數；為監測方法得到的監測結果。根據上述公式，對各個監測點3種監測方法的監測結果均方根誤差進行計算，并得到如表2所示結果。

從表2中的數據對比可以看出，實驗組監測結果的均方根誤差能夠控制在小于4.00%的范圍內，而對照A組監測結果的均方根誤差在15.00%～20.00%范圍內波動，對照B組監測結果的均方根誤差均高于20.00%。由這一結果可知：實驗組監測方法的監測精度更高，得到的監測數據可以實現對基本農田土地環境質量的準確評價，而其他現有監測方法不具備這一監測精度水平。

5結語

基本農田土地環境質量監測是保障農產品安全和農業可持續發展的重要手段。通過對土壤、水質、生物等環境因素的監測，可以全面了解基本農田土地環境的質量狀況，及時發現和解決農業生產過程中的環境問題。在實施監測過程中，應注重合理選擇采樣點、規范采樣方法、科學分析檢測等方面的工作，提高監測結果的準確性和可靠性。同時，應加強監測數據的分析和應用，為農業生產提供科學依據和支持。

參考文獻

[1] 李景.福建省沿海地區地下水與土壤環境質量協同監測研究：以東山縣康美村地下水環境質量監測點為例[J].福建輕紡，2023（11）：30-33.

[2]?冀翔，楊諾，葉新生，等.鄂州市集中式飲用水源地周邊土壤環境質量監測及評價[J].黃岡師范學院學報，2023，43（3）：49-53.

[3]?段雨薇，吳子仁，吳嘉鵬.關于環境噪聲監測中存在的問題分析及質量控制措施探討[J].黑龍江環境通報，2023，36（3）：53-55.

[4]李雯，黃強，喬君喜，等. 5M1E分析法在環境應急監測質量控制中的應用[J].價值工程，2023，42（27）：122-124.

[5]?李欣，李帥，陳靜.新疆維吾爾自治區土壤環境質量監測工作存在的問題及對策措施研究[J].干旱環境監測，2023，37（2）：92-96.

[6]申楊磊，張俞苑，巴桑卓瑪. 運動員與健康人進入高原環境后多導睡眠監測睡眠質量的Meta分析[J].檢驗醫學與臨床，2023，20（18）：2686-2692.

[7]?蔣遠輝，王鋼，吳思憫.污染場地環境調查的土壤監測點位布設及檢測質量提升研究[J].低碳世界，2023，13（5）：25-27.

[8]董尚榮杰，宋兆豐.大氣網格化監測系統在區域環境空氣質量監測中的應用研究[J].環境科學與管理，2023，48（8）：105-110.

[9]王永祥，徐園園，楊佳嘉，等.基于Landsat的重慶市生態環境質量動態監測及其時空格局演變分析[J].生態學報，2023，43（15）：6278-6292.

[10]蔣心科，羅遠霞.淺析重慶市永川區地表水環境質量監測固定式水質自動監測站建設工作[J].皮革制作與環保科技，2023，4（14）：143-145.