基于無人機低空遙感技術(shù)的水土流失動態(tài)監(jiān)測

安麗琴

(清水縣水務(wù)局，甘肅 清水 741400)

0 引 言

水土保持規(guī)劃是生態(tài)環(huán)境保護綜合治理開發(fā)各項工作的總體戰(zhàn)略部署與具體工作計劃，它對于預防水土流失，搞好總體整治，合理開發(fā)與利用土地和生物資源，提高生態(tài)環(huán)境保護，推動全國林業(yè)事業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展等工作方面都有著重要意義[1-2]。而傳統(tǒng)的土地保護方案設(shè)計中，面臨著資源取得技術(shù)手段簡單、科技參考不精確、規(guī)范設(shè)計方式滯后等許多不足之處[2]。尤其是對大規(guī)模的水土保持規(guī)劃管理工作，多采取以1∶10 000位置圖輔助于外業(yè)人工抽樣調(diào)研的方式開展，數(shù)據(jù)有效性較差，且外業(yè)核查覆蓋面少，無法客觀全面地反映研究范圍的基本狀況與動態(tài)變化，這些都導致了水土保持規(guī)劃設(shè)計的沒有科學化和實用價值，也導致各項措施布置不恰當、水土流失防治質(zhì)量較低等問題[3-4]。

低空遙感技術(shù)具備信息的傳播速率較快、周期短、實時性強、圖像效果清晰、受氣候條件的影響較小等優(yōu)點[3-5]。將低空遙感技術(shù)與水保建設(shè)現(xiàn)行的有關(guān)法規(guī)、規(guī)范相結(jié)合，在低空遙感技術(shù)數(shù)據(jù)收集、水土流失信息抽取和水土保持規(guī)劃設(shè)計研究等方面形成了基于低空遙感技術(shù)的生態(tài)環(huán)境保持規(guī)劃設(shè)計方法，可以克服傳統(tǒng)總體規(guī)劃工程設(shè)計手法的技術(shù)缺陷，極大地提高了水土保持規(guī)劃設(shè)計研究成果的專業(yè)性、細致化和效率[6-8]。本文根據(jù)陜西省榆林市橫山鮑家寺水土保持規(guī)劃設(shè)計項目，通過利用低空遙感技術(shù)對研究區(qū)域內(nèi)的土地利用情況、水土侵蝕因子進行數(shù)據(jù)獲取，同時根據(jù)數(shù)據(jù)對該研究區(qū)內(nèi)水土侵蝕現(xiàn)狀作出相應分析。

1 研究區(qū)概況

在研究中，選擇陜西省榆林市橫山鮑家寺所處的橫山區(qū)為研究對象，其中該地響水鎮(zhèn)的研究區(qū)域總面積約2.32 km2，高度約973～1 086 m。平均氣溫較低，約為8.5℃，年均降雨量397.8 mm，最高風力16.0 m/s(西北風)，動土最深處是1.29 m。該區(qū)域主要地形地貌是東北低且西南高的特點，其中地貌結(jié)構(gòu)類型主要以鄂爾多斯地區(qū)和陜北地區(qū)中北段地區(qū)地形。位于毛烏素荒漠南緣也是該研究的研究區(qū)域，該地區(qū)的地形大多是風城草灘地，土質(zhì)大多是以黃土為主，在半干旱區(qū)域，植被較為稀少，主要的植被為草本，除此之外還有一些本木和半喬木的植物，且都位于橫山境內(nèi)。該地農(nóng)民經(jīng)濟收入較低，每年平均6 100元左右，人均基本農(nóng)田面積僅有0.02 hm2左右。

2 技術(shù)路徑設(shè)計和數(shù)據(jù)來源

首先按照研究區(qū)域范圍和數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)等成果精度條件，完成飛行路徑方案設(shè)計，內(nèi)容包括確定飛行方位、飛行高度、傾角、人生航向和重疊程度等，同時布置相應的數(shù)量控制點。除控制軸線之外，對于一些相應的數(shù)量解譯的標志也要布置好，其中必須將所有的地物類別包含在內(nèi)，為今后開展土地使用狀況分析研究提供基礎(chǔ)。按照設(shè)定好的航行路徑，開展航拍和攝影，將原始的遙感影像資料進行獲取。然后再將這些資料數(shù)據(jù)置入專業(yè)的制作軟件之中如PixeIGrid等，來獲得DEM和DOM的結(jié)果。圖1為數(shù)據(jù)制作流程圖，表1為各類用地面積情況統(tǒng)計。

圖1 DEM、DOM 數(shù)據(jù)制作流程圖

表1 研究區(qū)各類用地面積現(xiàn)狀情況統(tǒng)計

由圖1可知，從DEM和DOM中獲取分辨率和高程精確度的結(jié)果有1 m，0.53 m：0.1 m，0.47 m的平面精確度。

3 土地利用現(xiàn)狀

基于獲取的DOM和DEM研究數(shù)據(jù)，并結(jié)合國家生態(tài)保護建設(shè)的有關(guān)標準準則，在ArcGIS中對水土保持防治工程土地使用狀況進行目視檢查解譯，現(xiàn)狀土地包括旱田、江河水域、荒草地、半裸地、內(nèi)陸海灘、山坡耕地、疏林、梯田、有林區(qū)、礦山土地、傳統(tǒng)村莊、景觀名勝基礎(chǔ)設(shè)施土地和高速公路土地等共13類土地，并繪制研究區(qū)內(nèi)土地的使用狀況示意圖(圖2)。為了保證規(guī)劃設(shè)計人員工作效率得到提高，同時可以將詳細的數(shù)字化基礎(chǔ)信息和分析服務(wù)更加迅速，所以獲得了土地編碼、圖斑編碼、一般坡度以及第一和最小點的高度。此外，還有圖斑建筑面積和所在村落數(shù)量等特征屬性數(shù)據(jù)信息內(nèi)容并加以賦值，這些數(shù)據(jù)都可連動查找所在村落的特征屬性以及信息。這種方法的使用還體現(xiàn)在對于分組采集的研究領(lǐng)域中提取信息，將溝道型式和溝長以及高度和比降，還有一般寬度和溝道面積與溝道的起終止端高程、水平距離等特征屬性數(shù)據(jù)，并進行了賦值[9]。溝道的形狀及屬性信息不但可以作為土地侵蝕狀況分類，而且還可以為生態(tài)環(huán)境及城市總體規(guī)劃的設(shè)計人員開展重大工程措施規(guī)劃布局，提供直觀精確的參考依據(jù)。

圖2 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖

4 水土流失現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段，國內(nèi)外關(guān)于水土侵蝕與區(qū)土地侵蝕程度的認識基本一致，主要用水土侵蝕的硬度表現(xiàn)區(qū)土地侵蝕的力度[10]。因此，本文將通過分析研究區(qū)土地侵蝕硬度，對土地侵蝕現(xiàn)象作出進一步解析。研究區(qū)內(nèi)的溝谷縱橫交錯，地勢起伏較大，溝谷川地也占有較大面積。按照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)中的水力沖刷強度面蝕、溝蝕等級指標，對研究區(qū)內(nèi)水土流失強度進行劃分。

4.1 水土流失相關(guān)因子指標提取

4.1.1 坡度指標因子提取

在研究過程中，將研究斜坡分成6個等級，主要使用ArcGIS中的3DAnalysT為技術(shù)工具，把DEM結(jié)果作為基準，以《土地保護整治計劃通則》(GB/T15772-1995)為標準，主要有5°的斜坡、5°～8°的斜坡、8°～15°的斜坡、15°～25°的斜坡、25°～35°的斜坡以及大于等于35°的斜坡，它們都具有斜坡矢量的數(shù)值。通過將不同斜坡等級的體積和大小的占比計算，可以得到研究區(qū)內(nèi)斜坡等級的示意圖。其中，坡率在8°～15°左右的地塊占研究區(qū)域內(nèi)總面積最大，達75.74 hm2。

4.1.2 植被覆蓋度指標因子提取

利用遙感技術(shù)圖像分析技術(shù)從ENVI軟件上首先獲得研究區(qū)域的植被，隨后將植被提取圖像和生態(tài)環(huán)境保持管理工程土地利用狀況圖片進行疊加，從而計算現(xiàn)狀各種土地的植被覆蓋率。按照《土地侵蝕程度類型等級規(guī)范》(SL 190-2007)中土地侵蝕面蝕等級指標里相應的非林草蓋度等級規(guī)范，土地植被覆蓋率圖是通過將植被覆蓋率按比例劃分的，其中有4個類別：第一類是30%、第二類是30%～45%、第三類是45%～60%、第四類是60%。在此要說明的是，在大于60%的土地中，分別有林地和荒草地，還有疏林和坡耕地，其中荒草地占比最多，最少的是坡耕地。

4.1.3 土地利用類型指標因子提取

綜合參考有關(guān)各種土地使用類型對土地侵蝕強度影響的有關(guān)文獻資料，并根據(jù)研究范圍內(nèi)現(xiàn)狀土地的使用類型，最后制定了根據(jù)不同土地的使用類型對土地侵蝕強度分級的定級指標[11]。見表2。

表2 土地利用定級指標

4.1.4 溝壑密度指標因子提取

溝谷密度是指每平方公里范圍內(nèi)河川溝(或水文網(wǎng))的平均總長度，以km或者km2來表示。它是對于土地流失狀況的另類表達形式，同時也是一項重要的可供參考的指標，主要看土地流失級別的分類。使用ArcGIS軟件將匯水面面積和溝谷的網(wǎng)絡(luò)信號進行獲取，同時將DEN中獲得的數(shù)據(jù)分辨率為1 m的設(shè)為11 hm2的水面面積閾值。為了測算每個統(tǒng)計單位中的溝谷和總坡面的占比，也可將全溝谷密度系數(shù)統(tǒng)計表建立出來。

4.2 水土流失強度分析通過提取

通過對研究區(qū)內(nèi)土地流失有關(guān)因子指標解析，并依據(jù)《土地流失類型等級規(guī)范》(SL 190-2007)中相關(guān)等級指標以及按照土地的利用狀況類型，對研究區(qū)內(nèi)土地流失硬度的要求作出界定。具體流程見圖3。

圖3 研究區(qū)土地侵蝕流程分析圖

4.2.1 土地侵蝕面蝕分析

在研究中土地侵蝕面強度等級圖的繪制要通過以下幾點來獲得：

1) 參照《土地侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)，其中對土地侵蝕面蝕等級的標明要記錄下來。

2) 分析數(shù)據(jù)主要使用ArcGIS軟件，該軟件中有數(shù)據(jù)分析的功能。

3) 疊加各類新生成的植被覆蓋率圖以及地勢的坡度圖。

4) 最終得到的土地侵蝕面強度等級圖還需要將土地侵蝕面等級結(jié)果進行修成，使用不同土地，并利用類別所對應的土地入侵強度來修正。

4.2.2 土地侵蝕溝蝕分析

通過調(diào)查獲取的溝谷密度指標因子和溝谷所占坡面體積比，以及根據(jù)《土地侵蝕地貌分類分級規(guī)范》(SL 190-2007)中土地侵害溝蝕等級指數(shù)，確立研究區(qū)內(nèi)土地侵害溝蝕的強度等級，并制作溝谷侵害強度等級示意圖。

4.2.3 水土流失強度分析

因研究區(qū)溝道具有特定比重，為獲得較準確的土質(zhì)侵蝕結(jié)論，經(jīng)過參閱有關(guān)文獻研究資源以及與水保研究專家的互動交換，決定采用土質(zhì)沖刷溝蝕的硬度來校準表面蝕硬度。按照溝道占圖斑面積的百分比，對研究區(qū)內(nèi)土地侵蝕面蝕成果加以校對，最后進行校對后的土地侵蝕力度等級確定[12]。

4.3 水土流失現(xiàn)狀分析

圖4為土地侵蝕狀況的示意圖，它的劃分依據(jù)是水土流失的強度。通過對土地侵蝕最強烈地區(qū)總面積的計算統(tǒng)計可知，在研究區(qū)內(nèi)的土地流失平均面積的總面積189.56 hm2，以研究區(qū)內(nèi)的所有土地面積為總體，占比是81.76%；在以土地流失面積為總面積時，輕微喪失的平均面積為146.37 hm2，它的占比是63.13%；0.76 hm2是中等喪失的平均面積，19.69 hm2的強烈喪失平均面積以及22.32 hm2的極強烈喪失平均面積和0.51 hm2的劇烈喪失平均面積，它們的占比分別為0.29%、8.49%、9.63%及0.22%，可以看出極強烈喪失平均面積最少。由以上水土流失的數(shù)據(jù)可以看出，最大比例的水土流失覆蓋的面積是輕度的，因此為了避免水土流失更加嚴重就要采取相應的措施來保護生態(tài)環(huán)境。

圖4 研究區(qū)水土流失現(xiàn)狀圖

就土地使用種類而言，輕微水土侵蝕一般散布于斜坡在15°～25°之間的有森林、疏林和荒草地；嚴重水土侵蝕一般散布于斜坡在25°～35°之間的荒草地、坡農(nóng)田和疏森林；水土流失較嚴重的地區(qū)，一般散布在斜坡超過35°以上的荒草地、裸地和內(nèi)陸海灘。就植物覆蓋度而言，研究區(qū)輕微和中等水土侵蝕一般集中分布在森林樹木覆蓋率在45%～60%的地區(qū)；劇烈和極強土地侵蝕一般集中分布在森林樹木覆蓋率在30%～45%的地區(qū)；水土流失嚴重的地區(qū)森林樹木覆蓋率低于30%。

5 結(jié) 論

本文通過運用低空遙感技術(shù)，收集了榆林市橫山鮑家寺研究區(qū)內(nèi)的DOM和DEM數(shù)據(jù)信息，基本上獲取了研究區(qū)內(nèi)土地利用狀況，并根據(jù)獲取的地勢坡度、植被覆蓋面、溝谷密度等有關(guān)指標，綜合評價了研究區(qū)內(nèi)土地侵蝕狀況。結(jié)論如下：

1) 據(jù)統(tǒng)計和計算，以研究區(qū)內(nèi)的總面積為整體，189.56 hm2的水土流失面積就要占其81.76%的比例，其輕微、中等、嚴重、極嚴重、嚴重喪失的總面積占比分別為63.13%、0.29%、8.49%、9.63%和0.22%。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，應盡快采取生態(tài)環(huán)境綜合措施控制水土流失情況繼續(xù)惡化，使研究區(qū)域輕度水土流失面積比例較大情況得到控制和改善。

2) 從土地使用類型和植被覆蓋率兩個方面，對研究區(qū)域土地侵蝕現(xiàn)象的空間分異進行分析。結(jié)果表明，各種土地使用類型出現(xiàn)水土侵蝕的程度均隨著坡度的提高而加劇，水土侵蝕主要出現(xiàn)在坡度超過15°的斜坡。水土侵蝕大多出現(xiàn)在植被覆蓋率不足60%的斜坡，植被覆蓋率對水土侵蝕危害較大，應當提高植被覆蓋率以減少水土侵蝕的出現(xiàn)。

綜上所述，通過運用低空遙感技術(shù)進行水土流失狀況數(shù)據(jù)分析，能夠提升水土保持管理的有效性、準確度和規(guī)范化。同時，進一步推動水土保持管理的數(shù)字化、信息化進度，還能為生態(tài)環(huán)境保持與管理措施建設(shè)和后期的水土保持區(qū)動態(tài)監(jiān)控，以及生態(tài)環(huán)境治理等有關(guān)工作提供技術(shù)支持與幫助。