開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
作者簡(jiǎn)介:杜娜(1984—)?,女,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)、國(guó)土空間規(guī)劃。
DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2311-5042-8458
摘要:研究提出了一種基于無(wú)人機(jī)遙感影像分析的基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法,即利用無(wú)人機(jī)技術(shù)采集基本農(nóng)田土地圖像,并建立土壤、植被、氣候等因素的遙感反演模型。通過(guò)綜合考慮多種指標(biāo),計(jì)算基本農(nóng)田土地環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)土地環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明:此種方法具有較高的監(jiān)測(cè)精度,能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)土地環(huán)境質(zhì)量并控制評(píng)價(jià)結(jié)果誤差;為農(nóng)田管理者提供了可靠的數(shù)據(jù)支持,促進(jìn)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)。
關(guān)鍵詞:無(wú)人機(jī)遙感影像??基本農(nóng)田??土地環(huán)境??遙感反演??質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
中圖分類號(hào):X833
基本農(nóng)田作為我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要組成部分,其土地環(huán)境質(zhì)量直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的安全和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此,對(duì)基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè),具有十分重要的意義?;巨r(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的主要目的是了解和掌握農(nóng)田土壤、水質(zhì)、生物等環(huán)境因素的現(xiàn)狀及變化情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題,保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全,促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?;巨r(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)可分為土壤監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、生物監(jiān)測(cè)等[2]。為促進(jìn)基本農(nóng)田土地環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,本文將結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感影像分析技術(shù),開展對(duì)基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究。
1??基本農(nóng)田土地?zé)o人機(jī)遙感圖像處理
1.1 ?規(guī)劃無(wú)人機(jī)的作業(yè)航線
引入無(wú)人機(jī)遙感影像分析技術(shù)對(duì)基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。首先需要完成對(duì)基本農(nóng)田土地圖像的采集和處理[3]?;跓o(wú)人機(jī)遙感影像的基本農(nóng)田土地圖像采集與處理,主要步驟具體敘述如下。
第一步,確定監(jiān)測(cè)目標(biāo)。明確需要監(jiān)測(cè)的基本農(nóng)田土地范圍和目標(biāo),確定監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和要求。第二步,選擇合適的無(wú)人機(jī)。根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的要求,選擇合適的無(wú)人機(jī)類型和型號(hào),考慮其載荷、航程、穩(wěn)定性等因素。第三步,安裝遙感影像設(shè)備。在無(wú)人機(jī)上安裝遙感影像設(shè)備,包括高分辨率相機(jī)、多光譜相機(jī)、紅外傳感器等,根據(jù)需要選擇合適的設(shè)備類型和數(shù)量[4]。第四步,規(guī)劃航線。根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的要求,規(guī)劃無(wú)人機(jī)的飛行航線,確定航高、航速、拍攝間隔等參數(shù),確保拍攝的圖像能夠覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍。第五步,進(jìn)行圖像采集。按照規(guī)劃的航線,操縱無(wú)人機(jī)進(jìn)行圖像采集,注意保持無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性和圖像的質(zhì)量。第六步,數(shù)據(jù)傳輸和處理。將采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲净驍?shù)據(jù)中心,進(jìn)行圖像處理和分析,包括圖像拼接、幾何校正、輻射定標(biāo)等處理,提取所需的信息和特征。第七步,提取和分析信息。根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的要求,對(duì)處理后的圖像進(jìn)行分析和提取信息,如土地利用類型、植被覆蓋度、土壤質(zhì)量等,生成報(bào)告或地圖等成果。
在規(guī)劃無(wú)人機(jī)的作業(yè)航線時(shí),以無(wú)人機(jī)的起飛起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),由其北向、東向分別引出 Y軸及X軸,構(gòu)成第一象限監(jiān)控區(qū)[5]。將 OXY設(shè)置為此坐標(biāo)系中的工作環(huán)境坐標(biāo)系。將凸多邊形工作區(qū)分為?n條邊界線,根據(jù)每次無(wú)人機(jī)遙感圖像采集的范圍,在監(jiān)控區(qū)內(nèi)增加若干條分區(qū)分割線,將工作區(qū)分割成多個(gè)子區(qū)。然后,求出各子操作區(qū)的橫向界限值,并以此界限值所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為無(wú)人駕駛點(diǎn)。根據(jù)遞歸原則,可以得到各航線點(diǎn)的坐標(biāo),其表達(dá)式為:
上述公式中:、
、
、
分別為無(wú)人機(jī)航線上的4個(gè)航測(cè)點(diǎn);
為橫坐標(biāo)極大值點(diǎn);
為橫坐標(biāo)極小值點(diǎn);
為縱坐標(biāo)極大值點(diǎn);
為循環(huán)次數(shù)。
1.2 ?遙感影像處理
通過(guò)無(wú)人機(jī)的連續(xù)垂直航拍,獲得被監(jiān)測(cè)區(qū)域的高分辨率遙感影像,并將其作為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的重要依據(jù)。為了更方便進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)不同影像之間的單應(yīng)性矩陣進(jìn)行計(jì)算,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像的拼接,單應(yīng)性矩陣需要滿足的要求為:
式(5)中:為常數(shù);
為監(jiān)測(cè)點(diǎn)二維圖像坐標(biāo);
為不同遙感影像之間的單應(yīng)性矩陣;
為三維齊次坐標(biāo)。從無(wú)人機(jī)遙感圖像獲取原則出發(fā),對(duì)不同視角的航拍進(jìn)行了說(shuō)明,設(shè)定了相應(yīng)的大地平面,并對(duì)這個(gè)平面到原點(diǎn)的距離進(jìn)行分析,可以得到:
式(6)中:為平面與原點(diǎn)之間的距離。采用單應(yīng)矩陣,可將遙感圖像中各像元的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)[6]。
2 ?建立基本農(nóng)田土地環(huán)境遙感反演模型
在建立基本農(nóng)田土地環(huán)境遙感反演模型時(shí),根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)和區(qū)域特點(diǎn),選擇合適的遙感數(shù)據(jù)源,包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航空數(shù)據(jù)等,考慮其空間分辨率、時(shí)間分辨率、光譜分辨率等因素。明確需要反演的基本農(nóng)田土地環(huán)境因素,如土壤類型、植被覆蓋度、土壤濕度等,選擇合適的遙感指標(biāo)和模型進(jìn)行反演[7]。在遙感反演過(guò)程中,需要考慮環(huán)境和天氣因素對(duì)遙感數(shù)據(jù)的影響,如大氣吸收和散射、光照條件等,需要對(duì)這些因素進(jìn)行評(píng)估和處理。針對(duì)無(wú)人機(jī)遙感圖像中包含了植被與土壤兩種信息的特點(diǎn),采用像元二分法進(jìn)行地表光譜信息的提取與反演,是實(shí)現(xiàn)遙感反演的前提[8-9]。圖像光譜信息通過(guò)像元二分模型進(jìn)行分解:
式(7)中:為遙感影像的光譜信息;
為基本農(nóng)田土地上植被的光譜信息;
為植被像元占比;
為基本農(nóng)田土地上土壤光譜信息;
為土壤像元占比。
3??基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
為了更直觀地得到土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果,需要進(jìn)行對(duì)土地環(huán)境指數(shù)的計(jì)算[10]。針對(duì)存在單一影響環(huán)境質(zhì)量的元素,在其影響作用下,土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)可表示為:
式(8)中:為土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù);
為實(shí)際測(cè)量影響元素含量;
為背景土壤元素值。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合綜合指數(shù)方法,對(duì)多種影響因素共同作用下的基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行計(jì)算:
式(9)中:為基本農(nóng)田土地環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù);
為土地環(huán)境質(zhì)量指數(shù)平均值;
為環(huán)境指數(shù)最小值。
4??對(duì)比實(shí)驗(yàn)
以某地區(qū)基本農(nóng)田土地為例,分別利用本文上述提出的基于無(wú)人機(jī)遙感影像分析技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法、基于GEE的監(jiān)測(cè)方法和基于Landsat的監(jiān)測(cè)方法對(duì)該土地的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了方便論述,將本文監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組,將基于GEE的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照A組,將基于Landsat的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照B組。通過(guò)對(duì)依托的基本農(nóng)田土地進(jìn)行初步調(diào)查得出,該區(qū)域鄰近湖泊,是該地區(qū)關(guān)鍵的產(chǎn)糧區(qū)域。近年來(lái),為了提升農(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量,該區(qū)域大量使用農(nóng)藥、化肥等化學(xué)物質(zhì),導(dǎo)致土壤重金屬污染不斷加重。為了監(jiān)測(cè)這一現(xiàn)象,并采取有效的治理措施,該區(qū)域采用無(wú)人機(jī)搭載遙感影像采集設(shè)備的技術(shù)手段,獲取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在應(yīng)用無(wú)人機(jī)獲取遙感影像時(shí),所選擇的無(wú)人機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。
針對(duì)該地區(qū)基本農(nóng)田土地,將其平均分為5個(gè)區(qū)域,并在每個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別編號(hào)為I-01、II-01、III-01、IV-01、V-01。為實(shí)現(xiàn)對(duì)3種監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)性能的比較,將監(jiān)測(cè)結(jié)果的均方根誤差作為衡量指標(biāo),公式為:
式(10)中:為監(jiān)測(cè)結(jié)果的均方根誤差;
為實(shí)際土地環(huán)境污染指數(shù);
為監(jiān)測(cè)方法得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果。根據(jù)上述公式,對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3種監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果均方根誤差進(jìn)行計(jì)算,并得到如表2所示結(jié)果。
從表2中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出,實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)結(jié)果的均方根誤差能夠控制在小于4.00%的范圍內(nèi),而對(duì)照A組監(jiān)測(cè)結(jié)果的均方根誤差在15.00%~20.00%范圍內(nèi)波動(dòng),對(duì)照B組監(jiān)測(cè)結(jié)果的均方根誤差均高于20.00%。由這一結(jié)果可知:實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度更高,得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià),而其他現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法不具備這一監(jiān)測(cè)精度水平。
5結(jié)語(yǔ)
基本農(nóng)田土地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)是保障農(nóng)產(chǎn)品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。通過(guò)對(duì)土壤、水質(zhì)、生物等環(huán)境因素的監(jiān)測(cè),可以全面了解基本農(nóng)田土地環(huán)境的質(zhì)量狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題。在實(shí)施監(jiān)測(cè)過(guò)程中,應(yīng)注重合理選擇采樣點(diǎn)、規(guī)范采樣方法、科學(xué)分析檢測(cè)等方面的工作,提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和支持。
參考文獻(xiàn)
[1] 李景.福建省沿海地區(qū)地下水與土壤環(huán)境質(zhì)量協(xié)同監(jiān)測(cè)研究:以東山縣康美村地下水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例[J].福建輕紡,2023(11):30-33.
[2]?冀翔,楊諾,葉新生,等.鄂州市集中式飲用水源地周邊土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)[J].黃岡師范學(xué)院學(xué)報(bào),2023,43(3):49-53.
[3]?段雨薇,吳子仁,吳嘉鵬.關(guān)于環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題分析及質(zhì)量控制措施探討[J].黑龍江環(huán)境通報(bào),2023,36(3):53-55.
[4]李雯,黃強(qiáng),喬君喜,等. 5M1E分析法在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程,2023,42(27):122-124.
[5]?李欣,李帥,陳靜.新疆維吾爾自治區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作存在的問(wèn)題及對(duì)策措施研究[J].干旱環(huán)境監(jiān)測(cè),2023,37(2):92-96.
[6]申楊磊,張俞苑,巴桑卓瑪. 運(yùn)動(dòng)員與健康人進(jìn)入高原環(huán)境后多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)睡眠質(zhì)量的Meta分析[J].檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)與臨床,2023,20(18):2686-2692.
[7]?蔣遠(yuǎn)輝,王鋼,吳思憫.污染場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查的土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)及檢測(cè)質(zhì)量提升研究[J].低碳世界,2023,13(5):25-27.
[8]董尚榮杰,宋兆豐.大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2023,48(8):105-110.
[9]王永祥,徐園園,楊佳嘉,等.基于Landsat的重慶市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其時(shí)空格局演變分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2023,43(15):6278-6292.
[10]蔣心科,羅遠(yuǎn)霞.淺析重慶市永川區(qū)地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)固定式水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)工作[J].皮革制作與環(huán)保科技,2023,4(14):143-145.