无人机在小流域水土流失综合治理中的应用

［关键词］ 无人机；遥感监测；小流域；水土流失；水土保持措施

［摘 要］ 以新密市尖山乡下寺沟小流域为研究对象，于2022年7月利用无人机进行低空遥感监测，获取航片722张，经数据差分解算，固定解比率达到92.683%，POS数据合格率达到98.90%，满足数据精度要求，采用Pix4Dmapper软件自动提取航片遥感影像。选取2012年5月遥感影像与此次航拍影像，分别提取土地利用、水保措施、水土流失情况等监测指标，分析近10 a水土保持效益，结果表明：2022年研究区土地利用类型分布更加细碎化；近10 a研究区实施退耕还林、修建梯田和谷坊、硬化道路等水土保持措施，减缓了水土流失；通过3D模型，直观判定流域内坡度较陡区域、不稳定边坡和滑坡等，划定水土流失重点防治区域，分区施策；可为当地水土流失综合治理提供一定的数据支撑。

［中图分类号］ S157［文献标识码］ A［文章编号］ 1000－0941（2023）07－0066－03

无人机作为低空地表信息遥测调查及效益监测的重要技术手段［1］，具有飞行速度快、航时长、高度高、姿态稳定等优点，能快捷获取小流域数字正射影像DOM和数字高程模型DEM，再结合相关软件可分析小流域内水土流失情况及水土保持措施等相关信息，弥补传统水土保持调查工作中“到不了、看不全、效率低、精度差”等短板，提升水土保持监测的效率和自动化程度［2-4］。本研究以下寺沟小流域为研究对象，基于无人机遥感监测技术，具体分析无人机在小流域综合治理中的应用。

1 研究区概况

下寺沟小流域位于河南省新密市尖山风景管理委员会西南，主要河流有寺沟河，流域面积5.22 km2，具体地理位置见图1。该流域属伏羲山山脉一带浅山丘陵区，平均坡度33.73°，地势西高东低、起伏较大，海拔366.2～837.7 m，相对高差471.5 m（见图1）。流域内地块呈阶梯状分布，零碎不规则，表面土层覆盖较薄，短时产生径流量大，水土流失严重，易发生山洪灾害。

流域内乔木树种有杨树、柳树、榆树等，灌木树种有荆条、胡枝子、绣线菊等，果园主要种植柿子、石榴、核桃等。

2 无人机航拍

1）设施设备及参数指标。航拍设备：华测P330 Pro纯电动垂起固定翼无人机；搭载iXM 100MP相机，像素达11 664×8 750。航线规划：在华测系统EasyFly软件中，导入飞行范围的矢量图层，设置航拍起始点、起始方向和落地点，根据飞行区自动生成航线条带。航拍参数指标：飞行高度985 m，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，符合《水土保持监测技术规程（SL 277—2002）》的要求。

2）航拍。为减少周边山体阴影及小流域内植被阴影的干扰，航拍作业时间选择2022年7月21日太阳直射的正午。根据测区面积和地物复杂程度，在测区内均匀布设一定数量的地面控制点，采用实时动态（RTK）测量技术采集控制点坐标，作为航拍成果整体精度的验证点位［5］。航拍过程中应及时关注无人机电量、飞行姿态、传输信号等情况，确保无人机正常执行任务。每架次飞行完毕后，及时导出飞行信息和航拍照片。此次航拍共布设6个地面控制点，拍摄722张航片。

3 航拍数据处理

1）数据差分解算。通过华测数据处理软件CGO（CHC Geomatics Office）将航拍所得差分盒子数据、基站数据、基站坐标数据、航片经纬高程信息（POS数据）进行差分解算，查看固定解比率及POS数据合格率，一般作业保持在85%以上即可满足数据精度要求。本次航拍差分解算报告见表1，其固定解比率达到92.683%，POS数据合格率达到98.90%，均满足数据精度要求。

2）遥感影像提取。POS数据差分解算合格后，722张航片采用Pix4Dmapper软件进行自动处理，生成数字正射影像DOM（分辨率0.15 m）和数字高程模型DEM（分辨率0.5 m），再通过Context Capture Master软件生成3D模型；土地利用、水土保持措施、水土流失情况等数据结合现场勘察，通过ArcGIS 10.7软件处理，获取影像数据。

4 结果与分析

水土保持监测是一个长期的动态监测过程，为了准确科学地分析小流域水土流失情况和水土保持效益，选取研究区2012年5月遥感影像（分辨率1 m）与2022年7月无人机航拍影像（分辨率0.15 m）进行对比分析。

4.1 土地利用类型提取

土地利用类型提取主要通过人工目视解译，在计算机上直接勾绘出特定类型（旱地、林地、草地、居民地、水域和交通用地）等地物，并统计其面积。2012、2022年研究区土地利用类型分布见图2，其面积见表2。由图2、表2知，相对于2012年，2022年研究区土地利用类型分布更加细碎化；2022年旱地和居民地面积分别减小0.29 km2和0.04 km2，林地和草地面積分别增大0.13 km2和0.12 km2，主要表现为沿寺沟河两岸居民地周边耕地减少，变更为零星分布的草地，北部坡度较陡地区耕地减少，变更为草地和林地；2012年流域出水口处为大面积耕地，2022年其土地利用类型为观光型水库，水域面积增大0.05 km2。经过现场查勘，土地利用类型发生变化的原因主要有两个方面，一方面是近年来退耕还林、植树种草等防治水土流失政策的实施，另一方面是社会发展带动当地旅游行业的兴起。

4.2 水土保持措施监测

结合现场勘察情况，分别对2012、2022年遥感影像进行人工目视解译，判别流域内已实施的各项水土保持措施。在ArcGIS 10.7中建立相应的水土保持措施线图层或面图层，分别对其进行矢量化，并在属性表中自动计算措施数量和面积，其分布及面积见图3、表3。由图3、表3可知，截至2022年，旱地梯田主要分布在小流域坡度较陡的北部和居民地两侧， 相对于2012年其面积减小了0.13 km2；林地梯田主要分布在寺沟河下游北侧，其面积增大0.07 km2；经果林零星分布在下游居民地两侧，其面积增大0.02 km2；硬化道路多分布在流域上游和流域北部坡度较陡区域，其面积增大0.03 km2；在该小流域上游修筑大小不一的谷坊共15座。

在退耕还林政策下，2022年耕地减少，林地增加，对应的水土保持措施发生变化，即旱地梯田和林地梯田的面积发生变化；经果林面积的增加得益于近年来鼓励大面积种植经济作物，既能减缓水土流失，又能增加经济收入，但受地势地形的限制，流域内还未大面积开垦种植；硬化道路面积的增加归因于当地旅游产业的发展；谷坊等工程性措施可巩固河床，阻挡淤泥，近10 a在该小流域上游加设谷坊15座，是防止山洪引发剧烈水土流失较有效的措施之一。

4.3 水土流失危害及隐患监测

在3D模型下直观判定流域内坡度较陡区域、不稳定边坡和滑坡等，划分水土流失重点防治区域，分区施策。2022年下寺沟小流域坡度图及部分3D模型见图4。由图4可知，坡度较陡地区主要集中在流域上游南部和流域北部，亦是该流域水土流失严重区域，这主要是因该区域多为灌木林地，虽具有一定的抗侵蚀作用，但其呈零散分布，植被覆盖率较低，难以形成有效的固沙减流效果，在风力和水力侵蚀下，易带走肥沃的土壤，如此往复，裸地面积逐渐增多，土壤侵蚀加剧。流域中下游不稳定边坡造成一定的水土流失，主要是因下游水库的建造影响了地形及周边植物的生长，其周边多为稀疏草地，防风固沙效果不明显。故在今后的水土流失综合治理过程中，应在流域上游和北部多营造根系牢固的灌木林，在流域中下游水库周边做好绿化防护。

5 结束语

本研究从遥感数据获取、处理及影像提取等方面阐述了无人机在小流域水土流失综合治理中的应用。结果表明，近10 a来，该流域实施了坡耕地改造，谷坊建设，水土保持林、经果林種植等水土保持措施，形成了工程措施、植物措施相对齐全，乔灌草共同作用的水土流失防治体系，为当地水土流失综合治理提供一定的数据支撑。

受数据获取的限制，本研究2012年遥感影像分辨率略低，对于一些地物类型提取与当年实际有所偏差。在今后小流域水土流失动态监测中，为了提升监测的准确性和时效性，可定时定点采用无人机技术进行遥感监测，以便获取连续的监测数据［6-7］ADDINEN.CITE.DATA。采用人机交互目视解译方式对水土流失监测信息进行提取，需大量时间和人力，在较大区域应用时还需进一步研究和完善。

[参考文献]

[1] 宋月君，周春波，廖凯涛.无人机遥测系统在水保监测中的需求分析与引进探讨[J].水土保持应用技术，2016（5）：24-27.

[2] 王新，陈武，汪荣胜，等.浅论低空无人机遥感技术在水利相关领域中的应用前景[J].浙江水利科技，2010（6）：27-29.

[3] 白峰，马小真.无人机遥感技术在水土保持监测中的应用[J].南方农业，2022，16（2）：232-234.

[4] 陈宇，付贵增，凌峰，等.无人机技术在水土保持中的应用现状与展望[J].海河水利，2018（3）：61-63.

[5] 赵艳玲，田帅帅，张建勇，等.旋翼无人机工业区航测精度与控制点数量关系研究[J].测绘通报，2018（7）：24-28.

[6] 高云飞，张栋，赵帮元，等.1990—2019年黄河流域水土流失动态变化分析[J].中国水土保持，2020（10）：64-67.

[7] 查骏雄.无人机航拍技术在小流域土壤侵蚀分析中的应用分析[J].水利技术监督，2019（6）：135-137，211.

收稿日期：2022-11-02

第一作者： 杨力华（1994—），女，河南杞县人，助理工程师，硕士，主要从事水土保持监测与评价工作。

E-mail：lhyangylh@163.com

（责任编辑 张绪兰）