李凯嘉

（陕西梓泽环境工程有限公司，陕西 西安 710048）

0 工程概况

礼泉县位于陕西省咸阳市，境内高程起伏大，西北高、东南低，北部丘峦起伏、沟壑纵横，南部主要为关中平原，境内30%的面积被五峰山、九嵕山和朝阳山等山体覆盖。境内地形地貌复杂多变，北部为高海拔山区（海拔范围为600 m~1 200 m），中部为黄土丘陵区（海拔范围为580m~850m），南部为黄土台原区-川原平地（海拔范围为450 m~560 m），有泾河、泔河等河流，可利用水面积约3.333 km，为雨水和地表径流提供了良好的排泄路径。

基于无人机倾斜摄影测量数据分析区域水土流失情况，需要获取县域内地形的高程信息，可以采用数字高程模型（DEM）生成高程数据。

1 确定无人机飞行航线方案

以陕西省咸阳市礼泉县某村建设工程水土保持监测数据测量为例，待测区域为1 km，区域内房屋以砖混和钢混为主，地形整体较为平坦，地表植被分布一般，预设了4种不同的无人机飞行航线布设工况，如图1所示。在工况1的条件下，无人机飞行航线在待测区域范围内横向均匀扫射布置。在工况2的条件下，无人机飞行航线在待测区域范围内纵向均匀扫射布置。在工况3的条件下，无人机飞行航线在待测区域范围内沿斜角均匀扫射布置。在工况4的条件下，无人机飞行航线在待测区域范围内纵、横2个方向均匀扫射布置。

图1 无人机倾斜摄影测量相控布置工况

无人机摄影测量设备为中海达多旋翼智能航测无人机，其旋翼数量为6翅，桨叶类型为全碳纤折叠桨，起飞和降落方式为垂直起降，能够实现POS辅助自动导航功能，无人机设备的轴距为1 200 mm，典型的飞行高度达到60 m~750 m，最大飞行高度为4 500 m，典型的巡航速度不超过10 m/s，无人机的典型地面采用距离1.6 cm~2.0 cm、超飞质量为12 g、太阳高度角大于30°且阴影倍数小于2倍。根据无人机相机配备的传感器元件的配置情况可知，当摄影航高为750 m时，对应的地面分辨率为0.2 m。当摄影航高为560 m时，对应的地面分辨率为0.15 m。当摄影航高为300 m时，对应的地面分辨率为0.08 m。当摄影航高为185 m时，对应的地面分辨率为0.05 m。

2 无人机倾斜摄影工作处理流程

水土保持监测数据测量的无人机倾斜摄影工作流程如图2所示。首先，选取合理的像控点布置方案，在测区内布置像控点。其次，根据测区环境设计飞行方案，确定飞行平台和飞行航线，操控无人机进行垂直摄影和倾斜摄影。再次，对采集的无人机倾斜摄影图像进行数据处理和解译，对图像的特征进行提取以及数据滤波等操作。最后，获得水土保持监测数据，并与实际值进行精度验证。

图2 基于无人机倾斜摄影测量技术的房地一体化测量流程

3 基于无人机遥感的水土保持监测应用实例

3.1 区域水土流失评价数学模型

在水土流失评价数学函数模型中，Williams提出的改进通用土壤侵蚀方程应用较为广泛，其参数包括地表径流（地质水文因子）、降雨峰值（降雨因子）、地形因子L、植被覆盖率C（植被因子）、土壤含砾石百分比以及土壤侵蚀系数（土壤因子）。水土流失量S如公式（1）所示。

式中：为流域面积，km；为土壤防水土流失措施；C为植被覆盖率，%；为土壤含砾石百分比，%；L为地形因子；为土壤侵蚀系数；为降雨峰值，m/s；为地表径流，m；S为水土流失量，t。

可以根据坡长、坡度以及坡角度确定地形因子L的计算公式，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：为坡度，%；为坡长，m；L为地形因子；为坡角度，°。

3.2 基于无人机遥感的水土保持监测结果分析

待测区域20个检测点的无人机倾斜摄影测量点位置误差δ如图3所示。由图3可知，在同一工况下，不同检查点的点位误差δ存在不同程度的波动，且各个工况的点位误差δ值波动互相分离。在工况1的条件下，点位误差的最大值δ为0.069 8，最小值δ为0.050 9，平均值δ为0.059 4。在工况2的条件下，点位误差的最大值δ为0.691 0，最小值δ为0.052 8，平均值δ为0.632 0。在工况3的条件下，点位误差的最大值δ为0.089 6，最小值δ为0.065 9，平均值δ为0.079 7。在工况4的条件下，点位误差的最大值δ为0.039 6，最小值δ为0.020 4，平均值δ为0.032 2。由此可知，在工况3的条件下，无人机飞行航线在待测区域范围内沿斜角均匀扫射布置，它得到的点位误差最大。在工况4的条件下，无人机飞行航线在待测区域范围内纵、横2个方向均匀扫射布置，其得到的点位误差最小。而在工况1和工况2的条件下，得到的点位误差介于两者之间，且工况1和工况2的点位误差相近。

对区域内2020年3—12月的遥感数据进行解译，并统计水土侵蚀情况，结果如图4所示。当统计分析时，按照侵蚀模数对监测区域内的水土流失程度进行等级划分，当区域内侵蚀模数为0 t/hm/a~10 t/hm/a时，确定等级为微度侵蚀。当侵蚀模数为10 t/hm/a~25 t/hm/a时，确定等级为轻度侵蚀。当侵蚀模数为25 t/hm/a~50 t/hm/a时，确定等级为中度侵蚀。当侵蚀模数为50 t/hm/a~100 t/hm/a时，确定等级为强度侵蚀。当侵蚀模数为100 t/hm/a~200 t/hm/a时，确定等级为极强度侵蚀。当侵蚀模数为大于或等于200 t/hm/a时，确定等级为剧烈侵蚀。

由图3可知，3—12月县域内的微度侵蚀面积呈先缩小后扩大的趋势，面积占比从56.871%（3月）降低到48.012%（7月），随后提高到52.985%（12月），平均侵蚀模数为3.472 t/hm/a。县域内的轻度侵蚀面积呈逐步扩大的趋势，但扩大幅度变小，面积占比从23.214%（3月）降低到13.178%（7月），随后再提高到26.700%（12月），平均侵蚀模数为16.394 t/hm/a。县域内的中度侵蚀面积也呈逐步扩大的趋势，但扩大幅度变小，面积占比从10.778%（3月）提高到13.178%（7月），随后再提高到14.960%（12月），平均侵蚀模数为34.973 t/hm/a。县域内的强度侵蚀面积呈先扩大后缩小的趋势，面积占比从7.397%（3月）提高到10.274%（7月），随后降低到3.783%（12月），平均侵蚀模数为65.239 t/hm/a。县域内的极强度侵蚀面积呈先扩大后缩小的趋势，面积占比从1.108%（3月）提高到2.536%（7月），随后降低到1.028%（12月），平均侵蚀模数为129.395 t/hm/a。县域内的剧烈侵蚀面积呈先扩大后缩小的趋势，且降低幅度较大，面积占比从0.633%（3月）提高到0.990%（7月），随后降低到0.543%（12月），平均侵蚀模数为228.249 t/hm/a。

图3 待测区域无人机倾斜摄影测量检测点点位误差

从图4中也可以看出，在同一年度，从微度侵蚀向剧烈侵蚀变化时，随着侵蚀强度的增加，面积占比也逐渐降低，微度侵蚀与轻度侵蚀的面积占比的和大于70%，极强度侵蚀与剧烈侵蚀的面积占比的和小于5%。以3月份为例，微度侵蚀的面积占比为56.871，随后逐渐降低，剧烈侵蚀的面积占比为0.663%，微度侵蚀与轻度侵蚀的面积占比的和为80.085%。由此可知，县域内的水土流失以轻度侵蚀和微度侵蚀为主，当制定区域内的水土流失治理与生态恢复治理方案时，可以重点考虑这2种等级的侵蚀治理。

图4 监测区域内不同水土侵蚀程度的水土面积占总面积的百分比

由于研究区域内的水土流失情况与地形因子的相关性较高，因此对12月监测区域内不同坡度等级条件下水土流失面积进行统计，分析地形因素对水土侵蚀等级的影响，结果见表1。统计时，将地形因子中的坡度划分为6个等级，坡度增量为15°。由表1可知，在同一坡度区间中，从微度侵蚀到剧烈侵蚀，随着侵蚀等级的增加，水土流失的面积不断减少，以坡度0°~15°为例，微度侵蚀时的水土流失面积为1 731.179 km，中度侵蚀时的水土流失面积为53.890 km，剧烈侵蚀时的水土流失面积为0.023 km。在同一侵蚀等级条件下，随着坡度角度的增加，水土流失的面积也呈逐步减少的趋势，以微度侵蚀为例，坡度为0°~15°时的水土流失面积为1 731.179 km，坡度为30°~45°时的水土流失面积为295.038 km，坡度为75°~90°时的水土流失面积为3.201 km。综合分析可知，县域内的水土流失面积主要集中在坡度角度较小的范围内，水土流失治理时应重点关注地形坡度小于30°时的水土侵蚀治理，而当坡度角度大于75°时，水土流失的面积较小。

表1 12月监测区域内不同坡度等级条件下水土流失面积

4 结语

以礼泉县某村建设工程水土保持监测数据测量为例，采用无人机遥感技术研究区域水土保持监测数据变化情况，得到以下2个结论：1） 在工况3的条件下，得到的点位误差最大，在工况4的条件下，得到的点位误差最小，工况1和工况2得到的点位误差介于两者之间，且工况1和工况2的点位误差相近。2） 研究区域内水土流失以轻度侵蚀和微度侵蚀为主，当制定区域内的水土流失治理与生态恢复治理方案时，可以重点考虑这2种等级的侵蚀治理；水土流失面积主要集中在坡度角度较小的范围内，水土流失治理时应重点关注地形坡度小于30°时的水土侵蚀治理，而当坡度角度大于75°时，水土流失的面积较小。