無人機遙感技術在水土保持工作中的運用分析

摘要：為保障國土資源的安全，無人機遙感技術被廣泛應用于環境監測工作當中，并取得了令人滿意的工程成效。基于此，明確無人機遙感技術，在水土保持工作中應用特點的基礎上，以某棄土場水土保持工作為例，分析無人機遙感技術的應用方法。通過研究可以發現，無人機遙感技術在應用過程中，不僅可以實現對區域水土保持情況的實時監控，還能降低水土保持工作的危險性，提高工作效率與質量。希望研究工作的開展，能為相關行業提供借鑒。

關鍵詞：無人機遙感技術水土保持模型構建水土流失

中圖分類號：S157

AnalysisofApplicationofUAVRemoteSensingTechnologyinSoilandWaterConservationWork

SHANGWenxing

HuatingWaterBureau，Pingliang，GansuProvince，744100China

Abstract：Inordertoensurethesecurityoflandandresources，UnmannedAerialVehicle（UAV）RemoteSensingtechnologyiswidelyusedinenvironmentalmonitoringwork，andhasachievedsatisfactoryengineeringresults.Basedonthis，onthebasisofclarifyingtheapplicationcharacteristicsofUAVRemoteSensingtechnologyinsoilandwaterconservationwork，theapplicationmethodofUAVRemoteSensingtechnologyisanalyzedbytakinganexampleofsoilandwaterconservationworkinawastefield.Throughtheresearch，itcanbefoundthattheapplicationprocessofUAVRemote?;Sensingtechnologycannotonlyrealizethereal-timemonitoringoftheregionalsoilandwaterconservationsituation，butalsoreducetheriskofsoilandwaterconservationwork，andimprovetheworkefficiencyandquality.Itishopedthattheresearchworkcanprovidereferenceforrelatedindustries.

KeyWords：UAVRemoteSensingtechnology;Waterandsoilconservation;Modelbuilding;Soilerosion

從2023年12月12日水利部發布的數據中得知，目前，我國水土流失面積為265.34萬km2，盡管該數據較2018年，減少了8.35萬km2，但仍占國土面積的27.6%。現階段，為實現水土資源的有效保護，工作人員可以將無人機遙感技術應用于水土保持工作中，在了解各地區水土流失情況的基礎上，制定具有針對性的水土保持方案，是保障我國國土資源安全性的必要舉措。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1無人機遙感技術的應用特點

無人機遙感技術是一種依托無線電遙控設備、機載計算機程序控制系統，操控不載人飛行器加載數碼相機，在待測區域上空開展航拍工作，并利用計算機對航拍圖像加以處理，得到符合人們使用需要的區域圖像信息的一種技術方法。在實際的水土保持工作中，僅需1名工作人員即可借助無人機完成相應區域的信息收集工作，這在一定程度上降低了水土保持工作的整體工作難度。具體來說，在開展水土保持工作時工作人員可以結合待測區域的具體情況，提前規劃無人機的飛行路線與高度，然后操控無人機開展連續航拍作業操作，這種信息采集方式在提高信息采集工作效率的同時，降低了人員實測過程中出現安全問題的可能性[1]。

2無人機遙感技術的應用實例

2.1工程概況

某引水工程線路總長度為482km，在距沿水河段2km處，為實現河中泥沙的有效沉淀，需要修建一座沉沙池。在沉沙池修建過程中，開挖土方達到了829.2萬m3，廢渣量為688.27萬m3，為將廢渣移出施工區域，工作人員設立了多個棄土場。本文主要以其中5個典型的棄土場為研究對象，借助無人機遙感技術，首先確定了棄土場的面積、棄土量，然后對該區域的植被、裸露地表等地物面積進行了測算，之后再結合該區域的地理信息測算了該地區的土壤流失量，為后續水土保持工作的開展提供了可靠的數據支持。

2.2獲取無人機遙感影像

2.2.1布設控制點

無人機屬于低空飛行器，通過搭載高精度數碼相機的方式可使人獲得高分辨率的遙感影像。在本研究中，無人機型號為大疆精靈4，搭載的鏡頭為FC330。在實際的棄土場影像拍攝過程中，工作人員先以光盤為標記，在棄土場復制了控制點與檢查點，然后采用差分式GPS技術，采集地面控制點、檢查點的經緯度與高程數據。

2.2.2航拍步驟

無人機遙感系統是一種操作極為簡便靈活的系統，為保證航拍活動的安全性，第一，在正式開展航拍工作前，工作人員對無人機進行了檢查，確保10塊電池均充滿電，無人機遙控器的電量能夠滿足本次航拍工作的需求。第二，工作人員對航拍設備的儲存卡進行了檢查，確保儲存卡的容量能夠滿足本次航拍工作的需求。第三，確定航拍當日的風速，在保證當天風速小于10m/s的情況下，開展航拍操作。第四，選擇合適的起飛地點，一般情況下，工作人員應保證無人機的起飛區域周邊環境空曠，不存在高壓線這類的設施。第五，在航拍操作過程中，應保證無人機的飛行高度超過周邊建筑物的高度。第六，在航拍過程中若發現信號突然減弱，則需要重新調整天線方向，在無人機重新接收到信號后立即進行返航操作。第七，在手動操作無人機時，應盡量避免無人機處于遙控器的正上方。第八，為保證無人機檢測數據的準確性，應在檢測區域設立地面站監測員，主要負責遙控器信號傳輸情況、無人機飛行姿態、GPS信號等信息的觀測工作。第九，若fsQ2gTBFr7HrHTxBcfhoD7jMlv2I+kS3vV+D0FB1bJk=無人機在降落階段出現姿態不穩定的情況，則可采用Z字降高的方法，使無人機的姿態重新恢復穩定。第十，在無人機降落到可視范圍內時，操作人員需及時調整自己的站立方向，確保自己的目光能夠始終正對無人機。第十一，在地緣效應的影響下，無人機即將降落時可能會出現姿態不穩定的情況，此時需要對無人機的降落速度加以調控，降低無人機墜毀這類問題的出現概率[2]。

2.3數據處理

2.3.1構建數據處理模型

隨著科學技術的不斷發展，越來越多的數據分析模擬軟件被應用于無人機遙感數據整合分析工作中，本文基于棄土場的實際情況，將PhotoScan與Pix4D軟件應用于無人機遙感數據處理工作中，得到了棄土場的dom、dsm影像。然后綜合應用軟件GlobalMapper、LocaSpaceViewer、ContextCapture對影像信息進行提取，獲得棄土場的具體面積與棄土量。為提高棄土量計算工作的準確性，工作人員以施工單位計量值為參照，通過分析六組無人機遙感數據處理模型，計算誤差的方法得到了精度最高的模型。同時，在開展棄土場面積分析工作時，工作人員借助全站儀對計算結果精度進行了校驗。由于本文的研究對象為棄土場，且在引水工程階段，施工方、監理方、監測單位、建設單位均對棄土場的具體情況進行了分析，因此可以了解到本文測得的結果有著較高的精準度。通過測算可以得出本次航拍棄土場的dom影像精度為0.05m，dsm影像精度為0.2cm，滿足無人機遙感技術在水土保持監測工作中的應用要求[3]。

2.3.2精度分析

對比5個棄土場的dsm影響，可以發現2#、5#兩處棄土場的高程變化最小，場內高差僅有2m，PhotoScan與Pix4D軟件分析得到的影像與實際情況也最為接近。1#、3#、5#棄土場的高程變化較大，PhotoScan與Pix4D軟件分析得到的影像與實際情況間存在著較大的差別。這一情況的出現說明棄土場高程變化情況與dsm影像質量之間存在著直接的聯系。在采用外業實測的方法對dom影像精度加以分析時，可以發現，PhotoScan軟件處理得到的dom影像誤差高于Pix4D軟件處理得到的dom影像誤差。參照《1∶5001∶10001∶2000地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》中，在平地丘陵地區中，無人機航空測定的第5點位置誤差應小于0.6m的要求。可以發現，PhotoScan與Pix4D軟件分析得到的dom影像符合規范要求，因此兩種軟件分析技術都適用于本次分析工作。

在開展棄土場面積計算工作時，可以發現應用Pix4D軟件分析得到的模型誤差較小，且誤差分布較為集中、分析結果相對穩定。應用PhotoScan軟件分析得到的模型誤差較大，誤差分布相對離散，計算結果并不穩定。同時，對PhotoScan與Pix4D軟件產生的誤差加以分析，可以發現兩款軟件的誤差值分別為1.82%與5.15%，且兩組數據的差異顯著性均存在關系P﹤0.05，因此可以認定在兩款軟件均符合本次測定活動需求的基礎上，Pix4D軟件應用效果優于PhotoScan軟件。此外，在分析GlobalMapper、LocaSpaceViewer、ContextCapture軟件誤差時，發現3款軟件的誤差均值分別為3.37%、4.05%、3.03%，且3款軟件的差異均不存在顯著關系，P﹥0.05，因此無法判定上述3款軟件在計算面積時對精度有著顯著的影響。因此，在計算面積時，可使用Pix4D軟件構建的模型取代PhotoScan軟件構建的模型[4]。

2.3.3測算不同地類的面積

在實際的水土保持監測工作中，無人機遙感數據處理模型僅能分析得到棄土場的總面積，無法完成不同地物面積的測算工作。當前，水土保持工作在推進過程中往往需要獲取地面的植被面積、裸露地表面積、防塵網覆蓋面積等數據。對此，工作人員需要對無人機遙感技術獲得的影像進行分類處理，進而得到不同的地域面積。本人選擇的無人機影像處理方式為，借助eCognition軟件，分析無人機獲取的dom影像，這種分類方式在提高分類精度的同時，降低了分類工作消耗的人力資源。在實際的影像處理工作中，eCognition軟件可以在明確光譜紋理等信息的基礎上，利用模糊算法，先將dom影像分解成若干個對象，然后開展對象的分類處理工作[5]。

同時，為了解分類工作的可靠性，工作人員可以利用混淆矩陣，計算遙感影像分類的Kappa系數，最終得到分類工作的精度。具體來說，在分類工作結束后，工作人員可以先在影像點中選取一定數量的樣本，再利用混淆矩陣的行表示這些點被劃分到哪些種類地中，用混淆矩陣的列表示這些點具體屬于哪種地類。然后分析最終得到的Kappa系數，這一系數越接近1，則說明樣品點的分類精度越高。在本次模型計算工作中，棄土場面積誤差在1.23%～5.57%之間，棄土場棄土量誤差范圍在2.97%～10.28%之間。

2.3.4測算水土流失量

當前，測算水土流失的方法是，在天然降雨或模擬人工降雨的情況下，采用徑流小區法、測釬法、侵蝕溝監測法等方法，對監測區域的土壤侵蝕情況加以分析。本文的主要研究對象為5個棄土場在4—9月間的土壤流失情況，結合棄土場的具體狀況，采用的水土流失測算方法為徑流小區法、測釬法，以《測算導則》中的規定為基礎，開展水土流失量的計算工作，并將測算結果與模擬結果進行了比較。在實際測量過程中，工作人員在棄土場的每個坡長超過5m且沒有覆蓋防塵網的坡面均布設了徑流小區；在坡長較短且沒有布設徑流小區的區域布設了測釬小區。在計算各小區水土流失情況時，徑流小區的規格為4m×1m，且小區下部設置了邊長為1m的正三角形集水區，因此，在應用徑流小區法測水土流失情況時，每個徑流小區的總面積為5m2。在劃分徑流小區時，每個小區的圍埂材料是寬度為30cm的PVC板，為避免小區在收集徑流信息時出現滑動現象，PVC板的埋深為10cm，且埋板過程中需要沿著小區邊界開挖土槽，再將PVC板沿著土槽放置于土層中，之后將挖出來的土填回土槽并壓實。需要注意的是在布設小區時，應盡量操作活動對小區內部情況造成干擾，以便達到提高結果準確性的要求。在每次降雨結束后，取出集水桶，并用明礬加速桶中泥沙的沉降速度，在沉降工作結束后，倒出上層清水，將下層泥土晾干后稱重，即可得到該小區的土壤流失量。

3結語

總而言之，水土資源是人們賴以生存的基礎性資源，水土流失問題的存在，不僅會對農業生產水質安全造成威脅，還會增大洪澇災害的出現概率、阻礙我國生態體系的可持續發展。為實現水土資源的有效保護。工作人員可以將無人機遙感技術應用于當前的水土保持工作中，確保工作人員準確掌握區域內的基本情況，進而為水土保護、修復等工作方案的制定提供可靠的參照。

參考文獻

[1] 段興博，苗正紅，邱中軍.無人機遙感技術在水土保持監測中的應用[J].模具制造，2024，24（2）：142-144.

[2] 何東禮.基于無人機遙感技術的水土保持生態建設監測實踐研究[J].數字通信世界，2023（8）：25-27.

[3] 王武修，吳雙陽，劉瑩.無人機遙感技術在水土保持監測中的應用[J].黑龍江水利科技，2023，51（5）：116-118，171.

[4]李新旺.基于無人機遙感技術的冀西北典型小流域綜合治理效果分析[J].中國水土保持，2023（3）：5-7.

[5]楊力華.無人機在小流域水土流失綜合治理中的應用[J].中國水土保持，2023（7）：66-68.