李凱嘉
(陜西梓澤環(huán)境工程有限公司,陜西 西安 710048)
禮泉縣位于陜西省咸陽市,境內(nèi)高程起伏大,西北高、東南低,北部丘巒起伏、溝壑縱橫,南部主要為關(guān)中平原,境內(nèi)30%的面積被五峰山、九嵕山和朝陽山等山體覆蓋。境內(nèi)地形地貌復(fù)雜多變,北部為高海拔山區(qū)(海拔范圍為600 m~1 200 m),中部為黃土丘陵區(qū)(海拔范圍為580m~850m),南部為黃土臺原區(qū)-川原平地(海拔范圍為450 m~560 m),有涇河、泔河等河流,可利用水面積約3.333 km,為雨水和地表徑流提供了良好的排泄路徑。
基于無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)分析區(qū)域水土流失情況,需要獲取縣域內(nèi)地形的高程信息,可以采用數(shù)字高程模型(DEM)生成高程數(shù)據(jù)。
以陜西省咸陽市禮泉縣某村建設(shè)工程水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)測量為例,待測區(qū)域為1 km,區(qū)域內(nèi)房屋以磚混和鋼混為主,地形整體較為平坦,地表植被分布一般,預(yù)設(shè)了4種不同的無人機飛行航線布設(shè)工況,如圖1所示。在工況1的條件下,無人機飛行航線在待測區(qū)域范圍內(nèi)橫向均勻掃射布置。在工況2的條件下,無人機飛行航線在待測區(qū)域范圍內(nèi)縱向均勻掃射布置。在工況3的條件下,無人機飛行航線在待測區(qū)域范圍內(nèi)沿斜角均勻掃射布置。在工況4的條件下,無人機飛行航線在待測區(qū)域范圍內(nèi)縱、橫2個方向均勻掃射布置。
圖1 無人機傾斜攝影測量相控布置工況
無人機攝影測量設(shè)備為中海達多旋翼智能航測無人機,其旋翼數(shù)量為6翅,槳葉類型為全碳纖折疊槳,起飛和降落方式為垂直起降,能夠?qū)崿F(xiàn)POS輔助自動導航功能,無人機設(shè)備的軸距為1 200 mm,典型的飛行高度達到60 m~750 m,最大飛行高度為4 500 m,典型的巡航速度不超過10 m/s,無人機的典型地面采用距離1.6 cm~2.0 cm、超飛質(zhì)量為12 g、太陽高度角大于30°且陰影倍數(shù)小于2倍。根據(jù)無人機相機配備的傳感器元件的配置情況可知,當攝影航高為750 m時,對應(yīng)的地面分辨率為0.2 m。當攝影航高為560 m時,對應(yīng)的地面分辨率為0.15 m。當攝影航高為300 m時,對應(yīng)的地面分辨率為0.08 m。當攝影航高為185 m時,對應(yīng)的地面分辨率為0.05 m。
水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)測量的無人機傾斜攝影工作流程如圖2所示。首先,選取合理的像控點布置方案,在測區(qū)內(nèi)布置像控點。其次,根據(jù)測區(qū)環(huán)境設(shè)計飛行方案,確定飛行平臺和飛行航線,操控無人機進行垂直攝影和傾斜攝影。再次,對采集的無人機傾斜攝影圖像進行數(shù)據(jù)處理和解譯,對圖像的特征進行提取以及數(shù)據(jù)濾波等操作。最后,獲得水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù),并與實際值進行精度驗證。
圖2 基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的房地一體化測量流程
在水土流失評價數(shù)學函數(shù)模型中,Williams提出的改進通用土壤侵蝕方程應(yīng)用較為廣泛,其參數(shù)包括地表徑流(地質(zhì)水文因子)、降雨峰值(降雨因子)、地形因子L、植被覆蓋率C(植被因子)、土壤含礫石百分比以及土壤侵蝕系數(shù)(土壤因子)。水土流失量S如公式(1)所示。
式中:為流域面積,km;為土壤防水土流失措施;C為植被覆蓋率,%;為土壤含礫石百分比,%;L為地形因子;為土壤侵蝕系數(shù);為降雨峰值,m/s;為地表徑流,m;S為水土流失量,t。
可以根據(jù)坡長、坡度以及坡角度確定地形因子L的計算公式,如公式(2)、公式(3)所示。
式中:為坡度,%;為坡長,m;L為地形因子;為坡角度,°。
待測區(qū)域20個檢測點的無人機傾斜攝影測量點位置誤差δ如圖3所示。由圖3可知,在同一工況下,不同檢查點的點位誤差δ存在不同程度的波動,且各個工況的點位誤差δ值波動互相分離。在工況1的條件下,點位誤差的最大值δ為0.069 8,最小值δ為0.050 9,平均值δ為0.059 4。在工況2的條件下,點位誤差的最大值δ為0.691 0,最小值δ為0.052 8,平均值δ為0.632 0。在工況3的條件下,點位誤差的最大值δ為0.089 6,最小值δ為0.065 9,平均值δ為0.079 7。在工況4的條件下,點位誤差的最大值δ為0.039 6,最小值δ為0.020 4,平均值δ為0.032 2。由此可知,在工況3的條件下,無人機飛行航線在待測區(qū)域范圍內(nèi)沿斜角均勻掃射布置,它得到的點位誤差最大。在工況4的條件下,無人機飛行航線在待測區(qū)域范圍內(nèi)縱、橫2個方向均勻掃射布置,其得到的點位誤差最小。而在工況1和工況2的條件下,得到的點位誤差介于兩者之間,且工況1和工況2的點位誤差相近。
對區(qū)域內(nèi)2020年3—12月的遙感數(shù)據(jù)進行解譯,并統(tǒng)計水土侵蝕情況,結(jié)果如圖4所示。當統(tǒng)計分析時,按照侵蝕模數(shù)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的水土流失程度進行等級劃分,當區(qū)域內(nèi)侵蝕模數(shù)為0 t/hm/a~10 t/hm/a時,確定等級為微度侵蝕。當侵蝕模數(shù)為10 t/hm/a~25 t/hm/a時,確定等級為輕度侵蝕。當侵蝕模數(shù)為25 t/hm/a~50 t/hm/a時,確定等級為中度侵蝕。當侵蝕模數(shù)為50 t/hm/a~100 t/hm/a時,確定等級為強度侵蝕。當侵蝕模數(shù)為100 t/hm/a~200 t/hm/a時,確定等級為極強度侵蝕。當侵蝕模數(shù)為大于或等于200 t/hm/a時,確定等級為劇烈侵蝕。
由圖3可知,3—12月縣域內(nèi)的微度侵蝕面積呈先縮小后擴大的趨勢,面積占比從56.871%(3月)降低到48.012%(7月),隨后提高到52.985%(12月),平均侵蝕模數(shù)為3.472 t/hm/a??h域內(nèi)的輕度侵蝕面積呈逐步擴大的趨勢,但擴大幅度變小,面積占比從23.214%(3月)降低到13.178%(7月),隨后再提高到26.700%(12月),平均侵蝕模數(shù)為16.394 t/hm/a。縣域內(nèi)的中度侵蝕面積也呈逐步擴大的趨勢,但擴大幅度變小,面積占比從10.778%(3月)提高到13.178%(7月),隨后再提高到14.960%(12月),平均侵蝕模數(shù)為34.973 t/hm/a??h域內(nèi)的強度侵蝕面積呈先擴大后縮小的趨勢,面積占比從7.397%(3月)提高到10.274%(7月),隨后降低到3.783%(12月),平均侵蝕模數(shù)為65.239 t/hm/a??h域內(nèi)的極強度侵蝕面積呈先擴大后縮小的趨勢,面積占比從1.108%(3月)提高到2.536%(7月),隨后降低到1.028%(12月),平均侵蝕模數(shù)為129.395 t/hm/a??h域內(nèi)的劇烈侵蝕面積呈先擴大后縮小的趨勢,且降低幅度較大,面積占比從0.633%(3月)提高到0.990%(7月),隨后降低到0.543%(12月),平均侵蝕模數(shù)為228.249 t/hm/a。
圖3 待測區(qū)域無人機傾斜攝影測量檢測點點位誤差
從圖4中也可以看出,在同一年度,從微度侵蝕向劇烈侵蝕變化時,隨著侵蝕強度的增加,面積占比也逐漸降低,微度侵蝕與輕度侵蝕的面積占比的和大于70%,極強度侵蝕與劇烈侵蝕的面積占比的和小于5%。以3月份為例,微度侵蝕的面積占比為56.871,隨后逐漸降低,劇烈侵蝕的面積占比為0.663%,微度侵蝕與輕度侵蝕的面積占比的和為80.085%。由此可知,縣域內(nèi)的水土流失以輕度侵蝕和微度侵蝕為主,當制定區(qū)域內(nèi)的水土流失治理與生態(tài)恢復(fù)治理方案時,可以重點考慮這2種等級的侵蝕治理。
圖4 監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不同水土侵蝕程度的水土面積占總面積的百分比
由于研究區(qū)域內(nèi)的水土流失情況與地形因子的相關(guān)性較高,因此對12月監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不同坡度等級條件下水土流失面積進行統(tǒng)計,分析地形因素對水土侵蝕等級的影響,結(jié)果見表1。統(tǒng)計時,將地形因子中的坡度劃分為6個等級,坡度增量為15°。由表1可知,在同一坡度區(qū)間中,從微度侵蝕到劇烈侵蝕,隨著侵蝕等級的增加,水土流失的面積不斷減少,以坡度0°~15°為例,微度侵蝕時的水土流失面積為1 731.179 km,中度侵蝕時的水土流失面積為53.890 km,劇烈侵蝕時的水土流失面積為0.023 km。在同一侵蝕等級條件下,隨著坡度角度的增加,水土流失的面積也呈逐步減少的趨勢,以微度侵蝕為例,坡度為0°~15°時的水土流失面積為1 731.179 km,坡度為30°~45°時的水土流失面積為295.038 km,坡度為75°~90°時的水土流失面積為3.201 km。綜合分析可知,縣域內(nèi)的水土流失面積主要集中在坡度角度較小的范圍內(nèi),水土流失治理時應(yīng)重點關(guān)注地形坡度小于30°時的水土侵蝕治理,而當坡度角度大于75°時,水土流失的面積較小。
表1 12月監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不同坡度等級條件下水土流失面積
以禮泉縣某村建設(shè)工程水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)測量為例,采用無人機遙感技術(shù)研究區(qū)域水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況,得到以下2個結(jié)論:1) 在工況3的條件下,得到的點位誤差最大,在工況4的條件下,得到的點位誤差最小,工況1和工況2得到的點位誤差介于兩者之間,且工況1和工況2的點位誤差相近。2) 研究區(qū)域內(nèi)水土流失以輕度侵蝕和微度侵蝕為主,當制定區(qū)域內(nèi)的水土流失治理與生態(tài)恢復(fù)治理方案時,可以重點考慮這2種等級的侵蝕治理;水土流失面積主要集中在坡度角度較小的范圍內(nèi),水土流失治理時應(yīng)重點關(guān)注地形坡度小于30°時的水土侵蝕治理,而當坡度角度大于75°時,水土流失的面積較小。