基于无人机航拍技术的陕北黄土洼流域土地利用与土壤侵蚀研究

发布时间：2020-07-12 08:24

【摘要】：黄土高原的水土流失问题是我国乃至全球密切关注的环境问题之一。将黄土高原小流域作为样本,通过对其侵蚀产沙规律、水土流失治理方略制定的研究,由小流域推广至整个流域乃至黄土高原,是重要的研究途径之一,而利用无人机技术反演区域微地形,从而研究小流域土壤侵蚀,是一种高效、高精度的研究手段。本文借助无人机航拍数据建立的高精度数字表面模型及数字高程模型对黄土高原典型小流域——黄土洼天然聚湫进行研究,分析其土地利用状况、地形地貌变化,计算不同土地利用类型土壤侵蚀情况,探讨黄土洼小流域土地利用类型的分布规律及其对水土流失的影响,归纳土壤侵蚀的贡献因素及贡献率,进而揭示研究区水土流失与土地利用、气候及人类活动的关系,为后续农业生产活动的安排以及黄土高原地区水土流失防治工作提供切实可行的研究案例。具体得出以下几点结论:(1)利用无人机航拍技术,首次在黄土洼进行航拍,并获取高精度数字表面信息和数字高程信息。该项工作要求做好以下工作:起飞降落平台选址、无人机飞行航线的设定,相控点的布设与测量,后期数字表面模型及数字高程模型的建立。本次对黄土洼航拍共布设29个相控点,26条航线,13个架次,选择了 2处起飞降落点,飞行总范围达6.28km~2,地面分辨率达0.06m。(2)根据无人机航拍数据所建立的数字表面模型并结合实地调研资料,对黄土洼小流域进行土地利用分类。在分类结果中,黄土洼小流域农舍建筑面积最小,达2040 m~2,占流域总面积的0.06%;道路共计18条,总长度可达2815m;玉米地总面积为465532.8 m~2,占总面积的14.78%,土豆地总面积为351.4 m~2,占总面积的0.01%,大豆地总面积为19327 m~2,占总面积的0.61%;谷物地总面积为3311 m~2,占总面积的0.11%,芦苇地总面积为51.8 mm~2;梯田总面积为5929 m~2,占总面积的0.19%;黄土洼小流域灌木林地分布很少,总面积为441080 m~2,占总面积的14%;荒草地总面积为2210888 m~2,占总面积的70.18%。通过对300个效验点的分类结果进行验证,本次分类精度可达82.33%。(3)借助无人机航拍数据获取了黄土洼地区高程及微地形的变化信息。坝地内低地范围扩大,且高程增加,平均由原来的1063m增加至1075m,增加12m。并且在九牛山滑塌体的滑塌后壁以及与滑塌后壁接壤的山地高程增加2.3m。相反的,在黄土洼小流域的东南部,各支沟沟壁最高处高程降低1.7m。黄土洼小流域近16年高程的变化依旧主要表现为下降,主要变化高度在1m以内。(4)分析了典型土地利用类型对土壤侵蚀的影响。玉米地及土豆地由于位于黄土洼小流域坝体内,每次降雨及风力作用所引起的土壤侵蚀便会在坝体沉积,导致该处高程增大;大豆地分布在各支沟的沟坡,坡度相对坡顶较平缓,并且增加了地表植被覆盖,故而这种土地利用类型导致区域高程降低并不显著,由此该土地利用类型对区域一定坡度范围水土流失有重要作用;梯田的建设使得水土流失情况减缓,这种土地利用类型的高程变化微弱;荒草地及灌木林地主要分布在沟坡顶部,灌木林零散分布,并未连成片,虽然增加了地表粗糙度,改变土壤成分,具有一定的抗侵蚀作用,但由于覆盖度较低,使得该土地利用类型的土壤侵蚀依旧严重。(5)探讨了黄土洼地区与水土流失相关的主要气象因素的时间变化规律。发现:平均气温在呈现明显的增大,平均气温由9.6℃增加至10.3℃,增加了 0.7℃。平均降雨呈现稳定的下降趋势,但在2010s,降雨又有一定增大。平均风速在各年代呈现动荡增大的趋势,与1950s相比2010s的平均风速增大了 0.5 m/s。平均相对湿度呈现无规则的动荡变化,但与1950s相比2010s的平均相对湿度增大了 0.4%。平均日照时数的变化整体上呈现先增大,后而降低,又增大的趋势,与1950s相比2010s的平均日照时数增大了 1.1h。(6)对黄土洼流域植被覆盖状况分析发现:1982-2015年流域植被呈上升趋势,平均每年增长0.0023,并且在1999年之后区域NDVI增加显著,平均每年增长0.0075,尤其在该区域的北部,东南部。(7)对黄土洼土壤侵蚀变化进行了归因分析。发现:植被覆盖增大后,土壤侵蚀量共减少0.26万t,其中降雨减少引起0.07万t的土壤侵蚀减少,人类活动引起0.19万t的土壤侵蚀减少。因此降雨和人类活动对土壤侵蚀减少的贡献率分别为27%和73%。表明该区域土壤侵蚀的减少主要得益于人类活动的作用。(8)分析黄土洼小流域气候及人类活动的作用。发现:该区域近年土壤侵蚀下降的主要因素是人类活动(坡面措施),而气象要素方面,降雨减沙,导致侵蚀减少,但该区域气候整体向暖干化发展,导致气象因素对土壤侵蚀的作用趋于复杂。此外还有其他人类活动的影响,如当地农民开发整平土地,建设农舍导致土壤侵蚀增加;人工开挖坡地,垫高整平种植区,扩大耕作面积,导致土壤侵蚀增加。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：F301.2;S157
【图文】：

示意图,无人机,工作原理,示意图

１．３．２研究内容逡逑（１）无人机航拍数据的获取逡逑无人机工作原理见下图１－１，具体无人机航拍的数据获取过程包括：前期准备、逡逑ＧＰＳ基站设定、无人机飞行测量、数码相机拍摄、数据传输。具体数据采集过程逡逑如下图１－２：逡逑９逡逑

示意图,无人机,电脑,点云数据

图１－２无人机数据采集、传输示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｕｎｍａｎｎｅｄ邋ａｅｒｉａｌ邋ｖｅｈｉｃｌｅ邋（ＵＡＶ）邋ｄａｔａ邋ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑（２）点云数据处理及地形数据的获取逡逑

示意图,淤地坝,黄土,地理位置

至３７°１９３０〃Ｎ，位于陕西省榆林市子洲县南部裴家湾镇，距子洲县城５０邋ｋｍ，处逡逑于无定河一级支流淮宁河中游的庞家沟流域，是由于九牛山古滑坡而形成的天然逡逑淤地坝（图２－１）。该天然淤地坝是流域西部，东北至西南走向的九牛山滑塌堆积逡逑所成，距今己有４４０余年历史。黄土洼古聚漱是己知黄土高原地区形成时间最早逡逑的天然淤地坝，坝控流域主沟道呈南北走向，坝高５７ｍ，淤地面积达８００多亩。逡逑主沟包括：虎园子沟、五处山沟、大井沟、小井沟、锁园子沟、身底滩沟、柳沟，逡逑支沟包括：九陷沟、阴狐沟、亚麻沟、井沟、场沟，在外围还分布有３条支沟（大逡逑小滩沟、后小滩沟及大嘴沟），整个流域近似三角形。流域面积为３．１５邋ｋｍ２。逡逑ＨＷＭｆｌ？东逦１ＪＯ＊邋东逡逑－－－－－Ｓ邋＾逡逑域逦＿小小滩沟（缓ka，天佭逡逑ｖｓ＾ｒ＇－Ｋ＇．ｔ＼｜一．邋．．逦天然坝系沉积区＂＾１－＂＝逡逑１Ｕ５＞°３０？东逦〗１０°邋东逡逑图２－１黄土洼天然淤地坝地理位置示意图逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｔｈｅ邋ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｈｕａｎｇｔｕｗａ邋ｗａｔｅｒｓｈｅｄ逡逑１５逡逑

【参考文献】