無人機與遙感影像在小流域水土保持監(jiān)測中的結合應用

劉春慧 毛亮

摘要：為了達到對監(jiān)測的不同時段，不同地類情況的對比分析，提高踏勘效率，完成水土流失的監(jiān)測成果報告，在湖南省常德市臨澧縣澹水河生態(tài)清潔小流域水土保持監(jiān)測踏勘工作中，采用遙感影像與無人機航拍相結合的方法。該方法結合了遙感影像高效、全面、易獲取的優(yōu)勢，無人機航拍的機動性、實時性、覆蓋率高等特點，可以在水土保持監(jiān)測工作中大力推廣。

關鍵詞：小流域;水土流失監(jiān)測;遙感影像;無人機航拍技術

一、臨澧縣澹水河生態(tài)清潔小流域概況介紹

為適應社會經(jīng)濟快速發(fā)展的新形勢，搞好水土保持和水生態(tài)保護，實施國家水土保持重點工程，有效防止水土流失，改善小流域生態(tài)環(huán)境，按照湖南省水利廳《國家水土保持重點工程湖南省生態(tài)清潔小流域建設實施方案編制大綱》要求，臨澧縣水利局對開展國家水土保持重點工程生態(tài)清潔小流域建設高度重視，澹水河小流域的核心區(qū)域位于官亭水庫庫區(qū)范圍，根據(jù)小流域內(nèi)的水土流失現(xiàn)狀、溝（河）道現(xiàn)狀、污染源分布狀況、人居環(huán)境現(xiàn)狀及治理水土流失難易程度、改善庫區(qū)生態(tài)環(huán)境后的效益分析等多重因素考慮，確定了水源保護型生態(tài)清潔小流域澹水河小流域的實施方案。

二、采用遙感影像與無人機相結合的使用方法，開展水土保持監(jiān)測工作

為達到治理目標，保護庫區(qū)水源，澹水河小流域建設的主要措施是水保林及經(jīng)果林，尤其是靠近官亭水庫的精品示范區(qū)。為了及時、準確的發(fā)現(xiàn)施工過程中水土流失情況，對小流域?qū)嵤┑那?、中、后期進行遙感監(jiān)測與無人機航拍相結合的監(jiān)測方式，從而確保實施過程中水土流失在可控范圍內(nèi)，對官亭水庫的水質(zhì)不造成影響，最終達到治理目標，形成監(jiān)測成果報告。

（一）前期小流域基底圖的獲取

小流域基底圖能反映小流域治理前的基本情況，是反映治理效益的基準。小流域基底圖的獲取可以利用Mego Map軟件下載谷歌遙感影像。遙感影像可以快速、全面的了解小流域各個治理圖斑的地理位置，與敏感點官亭水庫的相對方向及直線距離，治理圖斑的植被覆蓋率，周邊交通條件，人居環(huán)境等內(nèi)容。然后將遙感影像圖與小流域的地形測繪圖進行疊加，判讀前期水土流失情況，結合小流域治理實施圖，確定水土流失監(jiān)測的重點圖斑。在監(jiān)測圖斑的基底圖上添加高程、道路等內(nèi)容，下載生成小流域基底圖。

對基底圖進行分析，明確各個治理圖斑的布設措施，具體實施時段，從而確定水土保持監(jiān)測分區(qū)及監(jiān)測點位的布設，為監(jiān)測計劃的制定提供依據(jù)。

（二）利用無人機航拍獲取施工過程中的監(jiān)測信息

施工開始后，開展水土流失全面監(jiān)測。水保林、經(jīng)果林等面域治理圖斑的監(jiān)測，通過地面觀測很難達到預期目的。利用無人機航拍，能在短時間內(nèi)獲取大面積的監(jiān)測信息，對航拍影像進行判讀，能快速了解林草措施的成活率、植被覆蓋率等信息，為補植苗木數(shù)量計算提供依據(jù)。

按照監(jiān)測計劃，在施工期、設計水平年的7～9月份各開展一次小流域植被情況的監(jiān)測，對水保林、經(jīng)果林采用無人機航拍，以澹水河小流域精品示范區(qū)的水保林、經(jīng)果林圖斑為例，圖斑面積在8hm2左右，為了達到航拍判讀效果，采用大疆無人機“悟”inspire 2，搭載禪思X5S云臺相機，根據(jù)監(jiān)測圖斑的周邊環(huán)境，設置無人機的飛行高度在80m～120m之間，采用正射投影的拍攝方法，拍攝時航向重疊度控制在80%左右，旁向重疊度大于65%。

航拍時通過調(diào)整飛行高度，獲取圖斑的全局影像及局部影像，為了確保航拍影像的清晰度，一般采用靜態(tài)拍攝，再利用重疊度合成較大區(qū)域或線性圖斑的整體影像資料。在各時段拍攝時，盡量于固定點位進行，以便于后期對比分析更容易提取對照信息。

無人機航拍結束后，影像資料按照圖斑名稱、航拍時間、施工時段等進行命名、分類、整理，利用Pix4Dmapper對航拍影像進行一鍵式處理，包括初步處理、空三加密、數(shù)字表面模型和正射影像圖處理。對不同時段的同一圖斑航拍照片進行對比分析，提取水保林、經(jīng)果林的植被覆蓋率、結合地形圖坡度，測算不同時段的水土流失量，并記錄航拍資料監(jiān)測信息，監(jiān)測植被措置治理效果，形成季度監(jiān)測報告，作為后期年度報告的對比分析基礎材料。

無人機航拍施工過程中的水土流失情況，如施工期遇暴雨后的現(xiàn)場情況、開挖土方布設渠道、截排水溝等，一般用于后期匯報，項目施工存檔的影像資料，可采用動態(tài)俯拍，便于記錄真實的水土流失過程，更形象更直觀的形成監(jiān)測匯報成果。

三、遙感影像與無人機航拍技術相結合，在監(jiān)測成果方面的應用

在監(jiān)測后期，對小流域水土保持措施進行匯總，措施布設后的水土流失治理效果分析，可以通過判讀無人機影像、無人機航拍照片，與施工前進行對比分析，將正射航拍照片與前期小流域基底圖進行疊加，分析DEM數(shù)據(jù)特征，明確土壤侵蝕強度。

將遙感影像與無人機航拍照片進行疊加分析的具體步驟：①縮放各時段、各圖斑航拍照片，與基底圖比例一致; ②插入航拍照片到CAD基底圖中，并將其置于底層進行疊加;

③與原基底圖進行對比，標注水保措施信息、實施時間等信息;④生成對比分析圖，完成監(jiān)測成果報告。根據(jù)前、中、后期監(jiān)測信息，分別按照施工時段編寫水土保持監(jiān)測季報、年報、匯報資料等。

結語

遙感影像與無人機航拍技術的結合，能更高效的獲取大面積、地形復雜的水土流失監(jiān)測信息，降低了小流域水土保持監(jiān)測的成本，新技術的應用對水土保持“天地一體化”建設起到了積極作用。遙感影像技術的不斷發(fā)展，無人機航拍設備、相關影像數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)，必將推動水土流失監(jiān)測事業(yè)的長足發(fā)展。

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通訊作者：劉春慧，工程師。

資助項目：湖南文理學院博士啟動基金項目No.17BSQD20和No. 16BSQD15;常德市重點項目（2015SK01）;常德市重點項目“生態(tài)海綿磚技術研發(fā)”。