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)力和人類生計至關(guān)重要。隨著人們對環(huán)境挑戰(zhàn)的認識不斷提高，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)測和管理的重大進步。無人機技術(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，這使得無人機特別適用于水土保持。將保護的必要性與無人機遙感的能力相結(jié)合，為加強我們對有效保護實踐的理解和實施提供了一條充滿希望的途徑。

1 無人機遙感技術(shù)概述

1.1 無人機技術(shù)發(fā)展歷程

無人機遙感技術(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。無人機最初植根于軍事應(yīng)用，現(xiàn)已迅速發(fā)展成為具有深遠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，無人機技術(shù)的發(fā)展展示了無人機技術(shù)的適應(yīng)性和實用性。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步，使無人機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。在無人機的背景下，安裝在飛機上的傳感器促進了這一過程，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特地反射、吸收或發(fā)射能量。無人機傳感器檢測這些能量變化，將其轉(zhuǎn)化為有價值的信息。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節(jié)水平和特征范圍。了解這些原理對于優(yōu)化無人機遙感應(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)和保護自然資源的實踐。其重要性在于保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，保護生物多樣性，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，缺乏認識以及有時土地利用優(yōu)先事項相互沖突，保護工作在實施方面面臨挑戰(zhàn)。認識到這些挑戰(zhàn)對于制定有效的戰(zhàn)略和采用無人機遙感等先進技術(shù)以加強監(jiān)測和管理實踐至關(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。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關(guān)鍵問題，影響生態(tài)系統(tǒng)并加劇水資源短缺。缺乏認識和水土保持措施的執(zhí)行不力進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)的保護實踐是一項復(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)合無人機遙感等技術(shù)創(chuàng)新進行準(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 無人機遙感技術(shù)能夠解決的挑戰(zhàn)

無人機遙感技術(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。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是需要精確和及時地收集數(shù)據(jù)。配備先進傳感器的無人機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)保護問題。另一個挑戰(zhàn)是廣闊且難以進入的地形，特別是在偏遠或危險地區(qū)。無人機提供了一種經(jīng)濟高效且靈活的解決方案，可在不危及人類安全的情況下進入具有挑戰(zhàn)性的景觀進行監(jiān)測和評估。此外，傳統(tǒng)的地面方法往往難以達到規(guī)模和覆蓋范圍，而無人機可以迅速覆蓋廣闊的區(qū)域，提供全面的景觀視圖。無人機遙感還可以克服空間和時間分辨率的局限性。通過提供實時或近乎實時的數(shù)據(jù)，無人機可以實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，這對于評估不斷變化的環(huán)境條件和及時響應(yīng)新出現(xiàn)的保護需求至關(guān)重要。

3 無人機遙感技術(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可以對植被覆蓋進行詳細分析，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)和有針對性的保護工作。此外，無人機通過捕捉植被覆蓋的時間變化來促進動態(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干預(yù)措施隨時間推移的有效性至關(guān)重要。無人機的實時或近乎實時的能力增強了保護策略的響應(yīng)能力，允許根據(jù)不斷變化的環(huán)境條件及時進行調(diào)整[4]。

3.1.2 土壤侵蝕狀況監(jiān)測

利用無人機遙感技術(shù)進行水土流失監(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。無人機捕獲的高分辨率圖像可以對土壤侵蝕過程進行詳細分析。識別和量化易受侵蝕地區(qū)的能力使有針對性的干預(yù)措施能夠減輕進一步的退化。無人機可以在不同的空間和時間尺度上捕獲圖像，提供隨時間推移的侵蝕動態(tài)的全面視圖。這個時間維度對于了解天氣事件、土地利用變化或保護措施對土壤侵蝕率的影響至關(guān)重要。無人機有助于創(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。通過利用運動結(jié)構(gòu)（SfM）和光探測和測距（LiDAR）等先進技術(shù)，無人機可以生成詳細的地形數(shù)據(jù)，從而提高侵蝕評估的準(zhǔn)確性。無人機的實時監(jiān)測能力能夠快速應(yīng)對新出現(xiàn)的侵蝕威脅，有助于及時實施保護措施。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 無人機遙感技術(shù)在水土流失監(jiān)管中的應(yīng)用

無人機遙感技術(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)境保護工作的格局。特別是無人機遙感技術(shù)在水土保持方面具有重要應(yīng)用價值，尤其側(cè)重于水土流失監(jiān)督管理。無人機遙感技術(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)，甚至激光雷達掃描，從而可以對地形和植被進行詳細監(jiān)測。在水土流失監(jiān)督和管理中，這些能力被證明是無價的。無人機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，無人機可以實時或按計劃部署，從而能夠持續(xù)監(jiān)測和及時應(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)險降至最低，并通過防止河流和湖泊的沉積來幫助保護水資源。此外，從無人機收集的數(shù)據(jù)可以整合到地理信息系統(tǒng)（GIS）中進行全面分析，有助于制定有效的保護策略。

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

無人機已成為水土流失監(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)提供了強大的手段。無人機遙感技術(shù)在水土流失監(jiān)測領(lǐng)域取得了長足的進步。無人機配備了先進的傳感器，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節(jié)和準(zhǔn)確性密切監(jiān)測易受侵蝕的地區(qū)。無人機在水土流失監(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。這些多功能機器可以進入地面勘測難以的偏遠或危險位置，提供各種水土流失動態(tài)的全面視圖。事實證明，這種能力在容易出現(xiàn)水土流失的地區(qū)特別有價值，有助于確定需要立即關(guān)注的區(qū)域。此外，無人機的實時或預(yù)定部署允許持續(xù)監(jiān)測，確保及時發(fā)現(xiàn)和解決侵蝕事件。從這些任務(wù)中收集的數(shù)據(jù)可以使用先進的軟件進行處理和分析，并集成到地理信息系統(tǒng)（GIS）中，從而促進數(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

無人機遙感技術(shù)促進的空間數(shù)據(jù)采集是推進水土保持戰(zhàn)略的基石。配備尖端傳感器的無人機（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)的詳細見解。無人機以非凡的空間精度捕獲圖像，允許創(chuàng)建詳細的地圖和三維模型。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。獲取這種細粒度信息的能力提高了保護規(guī)劃和管理的準(zhǔn)確性。通過無人機收集空間數(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性和覆蓋范圍方面遇到困難，而無人機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，無人機數(shù)據(jù)采集的實時性或近實時性增強了對空間特征的動態(tài)監(jiān)測。環(huán)保主義者可以及時應(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)建是利用無人機遙感技術(shù)有效保持水土的關(guān)鍵階段。無人機（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)對齊以進行精確分析。隨后，可以采用圖像增強技術(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)用先進的算法和機器學(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)各個方面的模型。例如，可以訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型來識別植被健康模式，檢測土地覆蓋隨時間的變化，并評估土壤侵蝕的風(fēng)險。將無人機數(shù)據(jù)集成到地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺中增強了空間分析能力，從而可以創(chuàng)建詳細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)保護主義者實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)合將原始無人機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的信息，為設(shè)計和實施有效的水土保持策略提供了強大的工具集。這種技術(shù)和分析的整合提高了保護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。通過利用先進的傳感器和實時功能，無人機增強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，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)建的融合使保護主義者能夠做出明智的決策，促進人類活動與重要自然資源保護之間的平衡。當(dāng)我們處理復(fù)雜的環(huán)境問題時，無人機成為寶貴的工具，開創(chuàng)了有效和可持續(xù)保護實踐的新時代。