靳 艷

（清鎮(zhèn)市水務(wù)管理局，貴州貴陽 551400）

0 引言

水土保持對于維持生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和人類生計(jì)至關(guān)重要。隨著人們對環(huán)境挑戰(zhàn)的認(rèn)識不斷提高，解決水土流失、水資源短缺和土地退化等問題變得至關(guān)重要。無人機(jī)遙感技術(shù)已成為這一背景下的變革性工具，標(biāo)志著環(huán)境監(jiān)測和管理的重大進(jìn)步。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷史突顯了其快速發(fā)展，從軍事應(yīng)用過渡到多樣化的民用用途。遙感的基本原理涉及在不直接物理接觸的情況下獲取有關(guān)地球表面的信息，這使得無人機(jī)特別適用于水土保持。將保護(hù)的必要性與無人機(jī)遙感的能力相結(jié)合，為加強(qiáng)我們對有效保護(hù)實(shí)踐的理解和實(shí)施提供了一條充滿希望的途徑。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)概述

1.1 無人機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程

無人機(jī)遙感技術(shù)是環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的革命性工具，有著引人入勝的發(fā)展歷程。無人機(jī)最初植根于軍事應(yīng)用，現(xiàn)已迅速發(fā)展成為具有深遠(yuǎn)民用影響的多功能儀器。從最初作為監(jiān)視工具到農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)和災(zāi)害管理的當(dāng)代應(yīng)用，無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展展示了無人機(jī)技術(shù)的適應(yīng)性和實(shí)用性。關(guān)鍵的里程碑包括小型化、傳感器集成和自主飛行能力方面的進(jìn)步，使無人機(jī)能夠捕獲高分辨率圖像和數(shù)據(jù)。這種演變反映了從專屬軍事用途到多樣化應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，包括生態(tài)研究和資源管理。無人機(jī)技術(shù)的歷史軌跡凸顯了其變革潛力，使其成為應(yīng)對包括水土保持在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域復(fù)雜挑戰(zhàn)的關(guān)鍵參與者[1]。

1.2 遙感技術(shù)的基本原理

遙感技術(shù)的基本原理為其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，包括無人機(jī)遙感的關(guān)鍵領(lǐng)域。遙感涉及在不直接物理接觸的情況下獲取有關(guān)物體或現(xiàn)象的信息。在無人機(jī)的背景下，安裝在飛機(jī)上的傳感器促進(jìn)了這一過程，從地球表面捕獲數(shù)據(jù)。關(guān)鍵原理包括電磁頻譜相互作用，其中不同的材料會獨(dú)特地反射、吸收或發(fā)射能量。無人機(jī)傳感器檢測這些能量變化，將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的信息。此外，空間和光譜分辨率起著至關(guān)重要的作用，決定了捕獲影像中可辨別的細(xì)節(jié)水平和特征范圍。了解這些原理對于優(yōu)化無人機(jī)遙感應(yīng)用至關(guān)重要，確保為水土保持等工作收集準(zhǔn)確和有洞察力的數(shù)據(jù)，在這些領(lǐng)域，精確的信息對于有效決策至關(guān)重要[2]。

2 水土保持工作現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

2.1 水土保持的定義和重要性

水土保持是可持續(xù)環(huán)境管理的重要組成部分，其定義是指在防止水土流失、保持水質(zhì)和保護(hù)自然資源的實(shí)踐。其重要性在于保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，保護(hù)生物多樣性，減輕極端天氣事件的影響。盡管水土保持發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但水土保持的現(xiàn)狀仍面臨持續(xù)的挑戰(zhàn)。森林砍伐、土地利用不當(dāng)和氣候變化等因素導(dǎo)致水土流失和水資源枯竭，威脅生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生存能力。由于資源限制，缺乏認(rèn)識以及有時(shí)土地利用優(yōu)先事項(xiàng)相互沖突，保護(hù)工作在實(shí)施方面面臨挑戰(zhàn)。認(rèn)識到這些挑戰(zhàn)對于制定有效的戰(zhàn)略和采用無人機(jī)遙感等先進(jìn)技術(shù)以加強(qiáng)監(jiān)測和管理實(shí)踐至關(guān)重要。解決這些問題對于確保人類活動與水土資源保護(hù)之間的可持續(xù)平衡至關(guān)重要。

2.2 目前水土保持工作中存在的問題

水土保持方面存在的問題對生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)性和整體環(huán)境健康構(gòu)成重大威脅。一個(gè)緊迫的問題是森林砍伐、土地管理不當(dāng)和集約化農(nóng)業(yè)實(shí)踐造成的水土流失。這不僅導(dǎo)致肥沃的表層土壤流失，還會導(dǎo)致水體沉積，影響水質(zhì)和水生物棲息地。氣候變化加劇了低效的水資源管理不當(dāng)，導(dǎo)致水資源短缺和農(nóng)業(yè)灌溉資源減少。農(nóng)業(yè)徑流、工業(yè)排放和城市地區(qū)的污染將污染物引入水源，損害其質(zhì)量并對人類健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。由于過度開采用于灌溉和工業(yè)用途而導(dǎo)致的地下水資源枯竭是另一個(gè)關(guān)鍵問題，影響生態(tài)系統(tǒng)并加劇水資源短缺。缺乏認(rèn)識和水土保持措施的執(zhí)行不力進(jìn)一步加劇了這些問題。平衡全球日益增長的糧食生產(chǎn)需求與可持續(xù)的保護(hù)實(shí)踐是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。解決這些現(xiàn)有問題需要采取綜合方法，結(jié)合無人機(jī)遙感等技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，再加上社區(qū)參與、政策改革和可持續(xù)土地利用實(shí)踐，以確保土壤和水資源的長期健康和復(fù)原力[3]。

2.3 無人機(jī)遙感技術(shù)能夠解決的挑戰(zhàn)

無人機(jī)遙感技術(shù)在解決水土保持領(lǐng)域的一些挑戰(zhàn)方面具有巨大的潛力。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是需要精確和及時(shí)地收集數(shù)據(jù)。配備先進(jìn)傳感器的無人機(jī)可以有效地捕獲高分辨率圖像，并收集有關(guān)土地覆蓋、植被健康和土壤侵蝕的數(shù)據(jù)。這種能力有助于準(zhǔn)確監(jiān)測，從而及早發(fā)現(xiàn)保護(hù)問題。另一個(gè)挑戰(zhàn)是廣闊且難以進(jìn)入的地形，特別是在偏遠(yuǎn)或危險(xiǎn)地區(qū)。無人機(jī)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且靈活的解決方案，可在不危及人類安全的情況下進(jìn)入具有挑戰(zhàn)性的景觀進(jìn)行監(jiān)測和評估。此外，傳統(tǒng)的地面方法往往難以達(dá)到規(guī)模和覆蓋范圍，而無人機(jī)可以迅速覆蓋廣闊的區(qū)域，提供全面的景觀視圖。無人機(jī)遙感還可以克服空間和時(shí)間分辨率的局限性。通過提供實(shí)時(shí)或近乎實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，這對于評估不斷變化的環(huán)境條件和及時(shí)響應(yīng)新出現(xiàn)的保護(hù)需求至關(guān)重要。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用

3.1 地表覆蓋分類與土壤侵蝕狀況監(jiān)測

3.1.1 植被覆蓋分析

無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用，特別是在土地覆蓋分類和監(jiān)測方面的應(yīng)用，是向環(huán)境精準(zhǔn)管理邁出的一大步。配備專用傳感器的無人機(jī)可以對植被覆蓋進(jìn)行詳細(xì)分析，這對于評估生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和識別容易遭受侵蝕或退化的區(qū)域至關(guān)重要。植被覆蓋分析涉及對植物類型、密度和健康狀況的評估。無人機(jī)捕獲的高分辨率圖像可以區(qū)分各種植被類型，包括森林、草原和農(nóng)作物。從無人機(jī)數(shù)據(jù)得出的植被指數(shù)，如歸一化差值植被指數(shù)（NDVI），提供了植物健康和活力的定量測量。這些信息對于檢測壓力、疾病或入侵物種的跡象非常寶貴，有助于早期干預(yù)和有針對性的保護(hù)工作。此外，無人機(jī)通過捕捉植被覆蓋的時(shí)間變化來促進(jìn)動態(tài)監(jiān)測。這對于跟蹤季節(jié)性變化、確定土地利用趨勢以及評估保護(hù)干預(yù)措施隨時(shí)間推移的有效性至關(guān)重要。無人機(jī)的實(shí)時(shí)或近乎實(shí)時(shí)的能力增強(qiáng)了保護(hù)策略的響應(yīng)能力，允許根據(jù)不斷變化的環(huán)境條件及時(shí)進(jìn)行調(diào)整[4]。

3.1.2 土壤侵蝕狀況監(jiān)測

利用無人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行水土流失監(jiān)測是現(xiàn)代水土保持戰(zhàn)略的關(guān)鍵方面。配備專用傳感器和成像能力的無人機(jī)為評估土壤侵蝕模式提供了一種動態(tài)和精確的手段，這是環(huán)境可持續(xù)性的關(guān)鍵問題。無人機(jī)捕獲的高分辨率圖像可以對土壤侵蝕過程進(jìn)行詳細(xì)分析。識別和量化易受侵蝕地區(qū)的能力使有針對性的干預(yù)措施能夠減輕進(jìn)一步的退化。無人機(jī)可以在不同的空間和時(shí)間尺度上捕獲圖像，提供隨時(shí)間推移的侵蝕動態(tài)的全面視圖。這個(gè)時(shí)間維度對于了解天氣事件、土地利用變化或保護(hù)措施對土壤侵蝕率的影響至關(guān)重要。無人機(jī)有助于創(chuàng)建精確的高程模型和三維地形圖，從而可以高精度地識別易受侵蝕的區(qū)域。通過利用運(yùn)動結(jié)構(gòu)（SfM）和光探測和測距（LiDAR）等先進(jìn)技術(shù)，無人機(jī)可以生成詳細(xì)的地形數(shù)據(jù)，從而提高侵蝕評估的準(zhǔn)確性。無人機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力能夠快速應(yīng)對新出現(xiàn)的侵蝕威脅，有助于及時(shí)實(shí)施保護(hù)措施。通過土壤侵蝕監(jiān)測收集的數(shù)據(jù)不僅有助于制定有效的侵蝕控制戰(zhàn)略，還有助于更廣泛的土地管理實(shí)踐，支持可持續(xù)農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)健康[5]。

3.2 監(jiān)管與監(jiān)測

3.2.1 無人機(jī)遙感技術(shù)在水土流失監(jiān)管中的應(yīng)用

無人機(jī)遙感技術(shù)通過高效且具有成本效益的數(shù)據(jù)收集和分析手段，徹底改變了環(huán)境保護(hù)工作的格局。特別是無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持方面具有重要應(yīng)用價(jià)值，尤其側(cè)重于水土流失監(jiān)督管理。無人機(jī)遙感技術(shù)在水土保持方面的應(yīng)用帶來了顯著優(yōu)勢。配備專用傳感器的無人機(jī)可以捕獲高分辨率航空圖像、多光譜數(shù)據(jù)，甚至激光雷達(dá)掃描，從而可以對地形和植被進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測。在水土流失監(jiān)督和管理中，這些能力被證明是無價(jià)的。無人機(jī)可以快速勘測大面積區(qū)域，識別易出現(xiàn)水土流失的區(qū)域，并為決策者提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外，無人機(jī)可以實(shí)時(shí)或按計(jì)劃部署，從而能夠持續(xù)監(jiān)測和及時(shí)應(yīng)對水土流失事件。這種積極主動的方法將水土流失的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，并通過防止河流和湖泊的沉積來幫助保護(hù)水資源。此外，從無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)可以整合到地理信息系統(tǒng)（GIS）中進(jìn)行全面分析，有助于制定有效的保護(hù)策略。

3.2.2 無人機(jī)遙感技術(shù)在水土流失監(jiān)測中的應(yīng)用

無人機(jī)已成為水土流失監(jiān)測的變革性工具，以高效和具有成本效益的方式獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)提供了強(qiáng)大的手段。無人機(jī)遙感技術(shù)在水土流失監(jiān)測領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。無人機(jī)配備了先進(jìn)的傳感器，可以捕捉高分辨率的航空圖像，并收集有關(guān)土壤特征、植被覆蓋、地形和侵蝕模式的數(shù)據(jù)。這些豐富的信息使研究人員和環(huán)保主義者能夠以前所未有的細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確性密切監(jiān)測易受侵蝕的地區(qū)。無人機(jī)在水土流失監(jiān)測方面的主要優(yōu)勢之一是它們覆蓋廣闊且能夠穿越具有挑戰(zhàn)性的地形。這些多功能機(jī)器可以進(jìn)入地面勘測難以的偏遠(yuǎn)或危險(xiǎn)位置，提供各種水土流失動態(tài)的全面視圖。事實(shí)證明，這種能力在容易出現(xiàn)水土流失的地區(qū)特別有價(jià)值，有助于確定需要立即關(guān)注的區(qū)域。此外，無人機(jī)的實(shí)時(shí)或預(yù)定部署允許持續(xù)監(jiān)測，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決侵蝕事件。從這些任務(wù)中收集的數(shù)據(jù)可以使用先進(jìn)的軟件進(jìn)行處理和分析，并集成到地理信息系統(tǒng)（GIS）中，從而促進(jìn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策。

3.3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.3.1 空間數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)遙感技術(shù)促進(jìn)的空間數(shù)據(jù)采集是推進(jìn)水土保持戰(zhàn)略的基石。配備尖端傳感器的無人機(jī)（UAV）能夠獲取高分辨率空間數(shù)據(jù)，提供對給定區(qū)域的地形、土地覆蓋和環(huán)境動態(tài)的詳細(xì)見解。無人機(jī)以非凡的空間精度捕獲圖像，允許創(chuàng)建詳細(xì)的地圖和三維模型。這些數(shù)據(jù)對于識別易受侵蝕的地區(qū)、評估植被覆蓋和了解水資源的空間分布非常寶貴。獲取這種細(xì)粒度信息的能力提高了保護(hù)規(guī)劃和管理的準(zhǔn)確性。通過無人機(jī)收集空間數(shù)據(jù)的效率在大型或具有挑戰(zhàn)性的地形中尤為明顯。傳統(tǒng)的地面方法可能在可達(dá)性和覆蓋范圍方面遇到困難，而無人機(jī)可以快速覆蓋廣闊的區(qū)域，確保全面的數(shù)據(jù)收集。此功能對于監(jiān)控隨時(shí)間的變化和響應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件至關(guān)重要。此外，無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性或近實(shí)時(shí)性增強(qiáng)了對空間特征的動態(tài)監(jiān)測。環(huán)保主義者可以及時(shí)應(yīng)對新出現(xiàn)的問題，例如土地利用的變化或突發(fā)的環(huán)境威脅，從而優(yōu)化水土保持措施的有效性。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理與模型建立

數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建是利用無人機(jī)遙感技術(shù)有效保持水土的關(guān)鍵階段。無人機(jī)（UAV）收集的大量信息需要復(fù)雜的處理技術(shù)來提取有意義的見解并為保護(hù)策略提供信息。捕獲高分辨率影像后，第一步涉及預(yù)處理任務(wù)，例如地理配準(zhǔn)和影像校準(zhǔn)。這確保了準(zhǔn)確的空間表示，將數(shù)據(jù)與地理坐標(biāo)對齊以進(jìn)行精確分析。隨后，可以采用圖像增強(qiáng)技術(shù)來改善視覺質(zhì)量并突出與水土保持相關(guān)的特定特征，例如土地覆蓋模式和易受侵蝕的地區(qū)。然后，處理后的數(shù)據(jù)成為模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。應(yīng)用先進(jìn)的算法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來開發(fā)可以預(yù)測和分析土壤和水動態(tài)各個(gè)方面的模型。例如，可以訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型來識別植被健康模式，檢測土地覆蓋隨時(shí)間的變化，并評估土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。將無人機(jī)數(shù)據(jù)集成到地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺中增強(qiáng)了空間分析能力，從而可以創(chuàng)建詳細(xì)的地圖和可操作的見解。這些模型有助于基于證據(jù)的決策，指導(dǎo)保護(hù)主義者實(shí)施有針對性的可持續(xù)土地管理措施。從本質(zhì)上講，數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建的結(jié)合將原始無人機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的信息，為設(shè)計(jì)和實(shí)施有效的水土保持策略提供了強(qiáng)大的工具集。這種技術(shù)和分析的整合提高了保護(hù)工作的精確度和影響力，確保了環(huán)境管理的整體方法。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)遙感技術(shù)的融合是水土保持工作革新的基石。通過利用先進(jìn)的傳感器和實(shí)時(shí)功能，無人機(jī)增強(qiáng)了我們以前所未有的精度監(jiān)測、分析和應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)的能力。從優(yōu)化土地利用規(guī)劃到減輕土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，該技術(shù)的應(yīng)用多種多樣且具有影響力。數(shù)據(jù)收集、處理和模型構(gòu)建的融合使保護(hù)主義者能夠做出明智的決策，促進(jìn)人類活動與重要自然資源保護(hù)之間的平衡。當(dāng)我們處理復(fù)雜的環(huán)境問題時(shí)，無人機(jī)成為寶貴的工具，開創(chuàng)了有效和可持續(xù)保護(hù)實(shí)踐的新時(shí)代。