劉永健

（沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113000）

水土保持監(jiān)測是用來反映研究區(qū)內(nèi)水土流失狀況和水土流失綜合治理情況的一種關(guān)鍵手段，對水土保持防治措施的科學(xué)實(shí)施和維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡均具有重要意義[1]。傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測方法主要包括現(xiàn)場觀測、資料分析等。無人機(jī)遙感技術(shù)是現(xiàn)代便捷而精準(zhǔn)的一種新型手段。利用無人機(jī)遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確判斷水土流失的精確時間、位置和強(qiáng)度，對實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)測工作的信息化建設(shè)具有重要推動作用[2]。

1 傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)存在的弊端

為了有效預(yù)防水土流失、維持生態(tài)穩(wěn)定，采取各種不同現(xiàn)代化技術(shù)措施進(jìn)行水土保持監(jiān)測，以水土流失區(qū)域位置、危害程度、治理措施等作為研究對象，對整個項(xiàng)目區(qū)展開全面、系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測與評價，為水土保持工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中，水土流失的危害程度較大，而又由于傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測技術(shù)受到許多限制存在諸多缺陷，因此如何高效、全面地進(jìn)行水土流失監(jiān)測是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問題[3]。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)存在的弊端主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 監(jiān)測區(qū)域受限

通常采用人工調(diào)查的監(jiān)測方式，其對區(qū)域規(guī)模的要求較高，只適用于小區(qū)域的監(jiān)測且受到人為因素的影響較大，致使監(jiān)測精度無法達(dá)到規(guī)范要求，進(jìn)而動態(tài)監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確。若需在大區(qū)域范圍內(nèi)監(jiān)測作業(yè)，則會因人手不足影響人員分配，或在高危地帶的監(jiān)測區(qū)內(nèi)無法依靠人力進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

1.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)滯后

數(shù)據(jù)采集主要有兩方面制約因素：一方面研究經(jīng)費(fèi)不足，監(jiān)測范圍覆蓋不全面，無法滿足生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的要求。另一方面主要以人工操作為主，數(shù)據(jù)信息采集效率及準(zhǔn)確率較低，部分動態(tài)化監(jiān)測無法有效記錄?？傮w來說，監(jiān)測技術(shù)有待提高，數(shù)據(jù)采集技術(shù)滯后，需要變革更新。

1.3 自動化監(jiān)測水平較低

基于信息技術(shù)急速發(fā)展的背景，傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備正在慢慢向自動化監(jiān)測工具轉(zhuǎn)變，但仍需要提高監(jiān)測自動化水平。無人機(jī)遙感技術(shù)作為自動化發(fā)展中的產(chǎn)物，已憑借其成本低、效率高等優(yōu)勢，發(fā)展成為水土保持監(jiān)測中的重要技術(shù)手段。無人機(jī)遙感技術(shù)的主要功能是準(zhǔn)確收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理，最后形成動態(tài)監(jiān)測圖像，該技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成國內(nèi)外學(xué)者的熱門研究問題。現(xiàn)階段無人機(jī)遙感技術(shù)雖然已從試驗(yàn)階段過渡到使用階段，但技術(shù)并不十分成熟，還未能構(gòu)成完整的監(jiān)測系統(tǒng)。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)概述

2.1 無人機(jī)遙感技術(shù)的定義

無人機(jī)遙感技術(shù)是以無人機(jī)作為中間載體，結(jié)合無人機(jī)飛行技術(shù)、GPS、計(jì)算機(jī)技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)，快速準(zhǔn)確地獲取信息，完成數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用分析的技術(shù)。隨著無人機(jī)上可搭載的數(shù)據(jù)化探測設(shè)備及遙感傳感器的更新完善，該技術(shù)可以根據(jù)項(xiàng)目的不同需求獲取相應(yīng)的信息，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，目前已涉及土地利用監(jiān)測、水利水電、突發(fā)事件調(diào)查等多個領(lǐng)域。與早期的遙感監(jiān)測技術(shù)相比，無人機(jī)遙感技術(shù)的影像分辨率更高，主要是可以設(shè)置無人機(jī)飛行速度、高度及時間等參數(shù)，進(jìn)而獲取既滿足精度要求同時分辨率又較高的影像[4]。此外，無人機(jī)遙感技術(shù)還可以結(jié)合實(shí)際任務(wù)需求，設(shè)定飛行路線和飛行頻次，進(jìn)行實(shí)時實(shí)地的動態(tài)監(jiān)測。

2.2 無人機(jī)遙感技術(shù)的主要特點(diǎn)

無人機(jī)遙感技術(shù)借助無人機(jī)收集地表數(shù)據(jù)信息，通過計(jì)算機(jī)處理為三維圖形，在整個系統(tǒng)優(yōu)化層面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

（1）拍攝精度高。無人機(jī)采集地表數(shù)據(jù)信息時的航拍精度為0.1～0.5 m。

（2）實(shí)用性強(qiáng)且設(shè)備費(fèi)用低。無人機(jī)身形輕巧且矯健，結(jié)構(gòu)簡單，對外在環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)。一般作業(yè)為低空飛行，受雨雪等天氣的影響較小，同時機(jī)身及拍攝設(shè)備費(fèi)用較低。

（3）操作簡單且安全。監(jiān)測時不需要特定的外在條件即可快速起升，相對操作簡單。同時，不易受到天氣因素的干擾，可在嚴(yán)寒或酷暑條件下作業(yè)，安全性也較高。

（4）拍攝便捷且分辨率高。無人機(jī)易于控制飛行航線，可以根據(jù)需求多角度拍攝，針對一般監(jiān)測區(qū)可采用豎直拍攝收集數(shù)據(jù)信息，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以采用斜向拍攝收集細(xì)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息，成像效果清晰。該技術(shù)充分發(fā)揮了其拍攝便捷的優(yōu)勢，解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間因相互覆蓋而掩蓋原始數(shù)據(jù)的問題，進(jìn)而能夠獲得全面詳細(xì)的影像信息和完整的監(jiān)測圖件。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

在水土保持監(jiān)測中，能及時準(zhǔn)確地反映水土流失動態(tài)，提供決策依據(jù)和綜合治理方案是至關(guān)重要的[5]。目前，無人機(jī)遙感技術(shù)的工作流程主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取、信息的轉(zhuǎn)換及應(yīng)用。其能通過對現(xiàn)場的調(diào)查監(jiān)測采集地形圖量測數(shù)據(jù)信息，使得水土保持監(jiān)測工作更加科學(xué)高效。具體應(yīng)用以遼河康平縣段為例。遼河康平縣段位于遼寧省沈陽市康平縣，地理坐標(biāo)為北緯42°31′～43°02′、東經(jīng)122°45′～123°37′?？灯娇h轄內(nèi)遼河長52.7 km，流域面積2 160.08 km2；流域內(nèi)年均降水量540 mm，多山地、沙化土，植被覆蓋度較低，水土流失較為嚴(yán)重。

3.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)遼河流域的地形地貌及水土流失特點(diǎn)，確定區(qū)域內(nèi)水土保持監(jiān)測范圍，建立航拍監(jiān)測體系。監(jiān)測方法主要為無人機(jī)遙感監(jiān)測。依據(jù)預(yù)定的監(jiān)測范圍與時段進(jìn)行水土保持監(jiān)測，對研究區(qū)域的水土流失情況進(jìn)行定量及定性分析，全面掌握水土流失區(qū)域防治措施的實(shí)施情況以及實(shí)施后的控制現(xiàn)狀。

3.2 監(jiān)測主要內(nèi)容及應(yīng)用分析

3.2.1 地質(zhì)狀況的動態(tài)監(jiān)測

馬克思的勞動概念描述了人類自由勞動的一般場景，它具有兩種特征：第一，人類勞動具備一種天然的人類勞動價值認(rèn)同，即勞動首先表現(xiàn)為人通過自身體力和精力的消耗而與自然的物質(zhì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的活動，如“一分耕耘一分收獲”；第二，人類勞動突出了人類在勞動過程中的主體地位，在人與自然之間的勞動過程中，人賦予了勞動人的目的、意志和希望。

（1）監(jiān)測內(nèi)容。主要包括土地利用類型、土地擾動面積與地質(zhì)演變情況等。

（2）應(yīng)用。依據(jù)DOM成果和項(xiàng)目區(qū)平面布置圖，勾劃各片區(qū)的邊界線。基于AcrGIS技術(shù)，計(jì)算各片區(qū)的土地擾動面積，同時注明各區(qū)的土地利用類型。還可以利用時間差比對監(jiān)測結(jié)果，了解土地的演變情況。

3.2.2 水土保持工程的監(jiān)測

（1）監(jiān)測內(nèi)容。主要包括取土場、堆放場以及棄土場的落實(shí)情況等。

（2）應(yīng)用。依據(jù)DOM成果確定研究區(qū)內(nèi)的取土場、堆放場以及棄土場，標(biāo)識其具體位置，計(jì)算其具體數(shù)量。同時，還可以計(jì)算項(xiàng)目施工期間堆放場內(nèi)棄渣量的變化，并從影像和三維模型中觀察水土防治措施的落實(shí)情況。

3.2.3 水土保護(hù)措施的監(jiān)測

（1）監(jiān)測內(nèi)容。主要包括物理工程措施、生物措施和其他臨時防治措施。

（2）應(yīng)用。依據(jù)DOM成果獲取研究區(qū)的水土保護(hù)措施情況。物理工程措施的成果可應(yīng)用于確定土地整治面積、工程及植物護(hù)坡位置和面積等；生物措施的成果可應(yīng)用于確定綠化面積和植被覆蓋度等；其他臨時防治措施的成果可應(yīng)用于確定臨時攔擋位置及長度等。

3.2.4 土壤流失情況的監(jiān)測

（1）監(jiān)測內(nèi)容。主要包括土壤流失面積、流失量及流失危害等。

（2）應(yīng)用。利用無人機(jī)遙感技術(shù)獲取土壤流失面積，結(jié)合地面觀測所獲得的土壤侵蝕模數(shù)，計(jì)算各片區(qū)的土壤流失量，還可以只依靠無人機(jī)遙感技術(shù)，根據(jù)植被覆蓋度、土地利用類型等數(shù)據(jù)，代入方程及分類標(biāo)準(zhǔn)，獲得土壤流失數(shù)量、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

3.2.5 水土流失防治效果監(jiān)測

（1）監(jiān)測內(nèi)容。主要包括土壤流失控制比、林草植被恢復(fù)率及覆蓋率等指標(biāo)。

（2）應(yīng)用。獲得數(shù)據(jù)信息后代入各指標(biāo)的計(jì)算公式即可，同時需檢驗(yàn)其是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 監(jiān)測的預(yù)期成果及建議

3.3.1 預(yù)期成果

無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用需及時提取有效數(shù)據(jù)信息，并做好原始記錄，按照相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，完備手續(xù)，檢查數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，以便逐一應(yīng)用到監(jiān)測工作中。針對水土保持及流失情況的監(jiān)測，應(yīng)建立數(shù)據(jù)庫，并撰寫相關(guān)的監(jiān)測總結(jié)報告，其中應(yīng)包括監(jiān)測報告、監(jiān)測數(shù)據(jù)、相應(yīng)的監(jiān)測圖件和必要的影像資料。

3.3.2 建議

無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用仍存在不足之處，在水土保持監(jiān)測中還沒有形成完整的技術(shù)路線，處于初級探索階段[6]。例如，現(xiàn)階段無人機(jī)搭載的主要是可見光波段載荷，根據(jù)實(shí)際情況，可以搭載熱紅外、高光譜等載荷，以便滿足環(huán)境影響評價的不同需求。在監(jiān)測水體及植被等要素時，搭載多光譜成像儀，更能全面地監(jiān)測地表水環(huán)境質(zhì)量及其動態(tài)演變情況，有助于客觀評價項(xiàng)目對生態(tài)環(huán)境的影響。同時，可以研發(fā)各類采樣設(shè)備，融合重量輕、體積小等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)低空采樣分析，結(jié)合地面監(jiān)測手段，為無人機(jī)遙感技術(shù)監(jiān)測方法提供補(bǔ)充。在今后的監(jiān)測中，還應(yīng)制定相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)置專門的技術(shù)試驗(yàn)區(qū)，使此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用更加標(biāo)準(zhǔn)化，形成系統(tǒng)化的完整體系，為水土保持監(jiān)測工作提供更好的服務(wù)。

4 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，水土保持監(jiān)測工作在要求高效率的同時，還向著智能化方向發(fā)展。無人機(jī)遙感技術(shù)不僅改進(jìn)了傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，還能提高項(xiàng)目監(jiān)測的精度和自動化程度。通過本文分析可知，利用無人機(jī)遙感技術(shù)能收集區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，從而研究分析出各部分監(jiān)測的內(nèi)容，突破了傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的瓶頸，解決了精度低、區(qū)域局限性等常見問題，加快了水土保持監(jiān)測領(lǐng)域的自動化發(fā)展。