采用不同方法测量切沟的误差分析

使用卷尺测量切沟的体积和面积是研究土壤侵蚀中最常用也是传统的测量方法,着重分析使用卷尺测量切沟时,测得切沟体积的误差.其误差主要包括由卷尺精度限制而导致的误差,以及由测量原理所造成的系统误差.运用误差传递公式计算由卷尺精度限制导致的误差,这种误差与测量相邻横截面的间隔长度无关,只与测量仪器即卷尺有关;对于不同的切沟,卷尺精度导致的误差占所测切沟体积的百分比也基本相同,不到2%.由测量原理造成的系统误差又可分为两种:由于横截面不规则造成的系统误差,最多可达到体积的2%;由于相临2个横截面之间形状不规则造成的系统误差.在野外测量的时候,每次测量距离保持在10 m左右比较合适.卷尺测量与差分GPS测量的切沟体积的比较表明,单次测量误差较大,在10%左右,而两次测量的体积差,即两种方法所得的切沟体积的年际变化量相差不大,说明用卷尺测量切沟体积的年际变化是有效的.     

QuickBird影像目视解译法提取切沟形态参数的精度分析

为了研究QuickBird影像提取切沟形态参数的精度,该文选取陕北黄土区吴起县合沟与绥德县桥沟小流域,分别利用同时相的三维激光扫描全站仪和QuickBird影像数据源提取切沟形态参数,分析QuickBird影像提取切沟形态参数的精度,探究误差产生原因。研究结果表明:与三维激光扫描全站仪相比,QuickBird影像目视解译合沟和桥沟小流域切沟面积、周长的平均相对误差都在5%左右;沟缘线边界偏差大于0.6 m(相当于QuickBird影像的一个像元值)的面积百分比的均值都能控制在4%以内;2个小流域中沟长的平均相对误差分别在2%和5%左右,沟长的平均绝对误差分别在0.5和0.75 m左右;目视解译面积、沟长的平均相对误差、最大相对误差、不同解译人员的最大误差与参数值之间都具有显著地负相关,即切沟越大,误差越小;沟缘线附近的植被类型影响目视解译精度,与灌草植被覆盖的小流域相比,草本覆盖的小流域中切沟参数的解译精度更高。总体上来看,QuickBird影像为小流域尺度上监测切沟发育提供了便捷、可靠地数据源。     

东北黑土区冻融循环对切沟沟壁崩塌的影响

[目的]通过测量冻融循环期间沟壁崩塌体积来评价冻融循环对切沟侵蚀的贡献。[方法] 2016—2018年间,选取36条切沟共计463个崩塌点开展了野外调查。基于调查结果,切沟沟壁崩塌主要表现为2种类型：块状崩塌和松散堆积。在每个崩塌点测量2种堆积体的形态参数：崩塌土壤的体积、切沟横断面的宽度和深度,以及相应沟壁土壤的剪切力和硬度。[结果](1)3年研究期间冻融作用导致的沟壁崩塌强度平均为16.12 m³/(km·a)。2种崩塌类型在切沟内随机发生,单点冻融崩塌量主要集中在0～3 m³,但块状崩塌导致的土方量更大。(2)切沟横断面宽度和深度是沟壁崩塌的主要影响因素,崩塌量随宽深比增大而增加,当宽深比>2.71后,崩塌量迅速增加。(3)切沟崩塌量与沟壁土壤的剪切力和硬度等紧密相关。[结论]沟壁冻融崩塌与切沟宽度和深度紧密相关,冻融崩塌量占切沟侵蚀泥沙产量的3.28%～23.68%,其影响与沟头溯源侵蚀相当。研究结果为定量评价冻融循环对切沟侵蚀贡献提供数据支撑。     

使用高分遥感立体影像提取黄土丘陵区切沟参数的精度分析

为了研究高分立体像对测量黄土丘陵区切沟参数的适用性,选取陕北黄土区合沟小流域,以三维激光扫描全站仪获取的数据为参照值,分析使用GeoEye-1高分遥感立体像对测量切沟参数的精度,得到如下研究结果.1)刃沟面积、周长、沟长和沟宽等线状和面状参数平均测量误差分别为3.58 m2,0.55 m,0.13m和-0.10 m,其中面积、周长和沟长的百分误差主要集中在5％以内,沟宽百分误差主要分布在10％以内.2)切沟三维参数沟底宽、最大沟深、平均沟深的平均测量误差分别为-0.67、0.14和-0.46 m.截面积和体积的平均误差分别为-6.30 m2和-54.01 m3.最大沟深的百分误差主要集中在30％以内,沟底宽、平均沟深、截面积和体积的百分误差则主要分布在50％以内;相较于三维激光扫描的切沟,立体像对提取的切沟沟底形态误差较大,主要是沟底宽和平均沟深偏小.3)切沟规模越大,切沟体积、截面积和沟底宽的测量值偏小的幅度越大.但是,切沟体积测量误差与切沟体积之间可以建立较好的线性回归模型,在缺少其他测量手段时,可以使用该模型对测量误差进行校正.总体上看,高分立体遥感为切沟线状和面状参数测量以及切沟体积测量提供了新的方法,为黄土丘陵区沟蚀监测提供了便捷、且相对可靠的数据源.     

切沟形态特征无人机倾斜摄影测量

切沟是坡面土壤侵蚀最剧烈表现形式，其形态特征刻画的精确性与适用性，对切沟的调查、研究与防治具有重大意义。该研究选取黄土丘陵区小流域4个地点10条切沟共82个断面，利用地面测量验证携带多频全球导航卫星系统且内置实时差分定位技术（Global Navigation Satellite System and Real-Time Kinematic，GNSS RTK）的无人机倾斜摄影测量提取的沟长、沟宽、沟深指标的精确性并建立体积估算模型探讨沟长的测定方法。结果表明：1）与地面测量相比，沟长、沟宽的偏离度（Deviation Extent，DE）均值不大于3.70%，精度较高；沟深的DE均值不小于25.49%，误差较高。2）切沟体积与沟长之间有显著的幂函数关系，沟长选取沟头至沟口的最大汇水线长度时拟合效果最好，沟道中心线长度次之，直线长度拟合效果最差。因此，在黄土高原丘陵沟壑区，运用无人机倾斜摄影测量方法测量切沟沟长、沟宽指标具有高度可行性，在精度要求较高的沟深测量方面的应用还有一定的局限性。此外，由于野外测量的局限性，直线长度较最大汇水线长度的测量更简单便捷，当坡度小于18.2°时，测量直线距离作为切沟沟长可行。     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统切沟侵蚀数值模拟

切沟侵蚀过程既是侵蚀输沙发生变化过程,也是其侵蚀地貌的发展演变过程,为了说明切沟形态随时空演化过程,应用质量守恒原理和理论分析方法,论述切沟侵蚀过程与形态发育模型实现的原理和过程,建立切沟侵蚀输沙微分方程、下切方程,并进行数值模拟.通过模拟计算,得到不同时刻和不同坡长下的切沟底部高程变化数据;经过与坡沟系统模型试验观测结果进行比较检验,沟深平均相对误差在15％以内,取得了较高的模拟精度.这表明建立的模型合理,模拟结果与实际切沟下切的动态变化过程相符,可以用于模拟切沟下切发育过程.     

切沟侵蚀研究初探——以云南省文山县新开田村为例

选取了文山县新开田村的典型切沟作为对象,通过测定土壤性质、侵蚀钉及全站仪测量的方法进行研究。结果表明,该地区土壤水保功能较差;在雨季期间,切沟侵蚀程度较大,特别是沟头的溯源侵蚀,在一个雨季内估计能推进1m左右;全站仪测量生成的三维图能有效的表征侵蚀沟的变化。     

基于坡度的黑土区切沟密度协同克里格插值方法研究

切沟侵蚀已成为东北黑土区土壤侵蚀的重要组成部分。结合野外样区实地调查切沟分布数据与空间插值方法是快速获取大面积切沟密度值的有效手段。流域的平均坡度值是切沟形成的影响因素之一,为提高切沟密度值空间分布的插值精度,在黑龙江省海伦市内,利用网格法均匀选取40个1 km²左右的小流域,在实地测量区域内切沟密度数据的基础上,应用距离权重反比法、普通克立格和以小流域的平均坡度作为协同变量的协同克立格对其做空间插值。结果表明:切沟密度与协同区域化变量受结构性因素的影响远大于随机性因素,均为强空间自相关性;距离权重反比法与普通克里格法的预测精度相近;协同区域化变量的空间结构性优于单一变量,协同克立格法生成的空间分布图精细度明显提高,均方根误差降低20%以上,预测值与实测值的相关系数提高89%以上,协同克里格可有效提高区域切沟插值精度。     

不同分辨率DEM提取切沟形态特征参数的转化研究

选取黄土丘陵区岔巴沟流域不同位置和不同沟道级别的30条典型切沟为研究对象,基于三维激光扫描技术(LIDAR),建立了基于高分辨率DEM提取切沟形态特征的方法,对比分析了0.1m与5m2种分辨率DEM提取切沟形态特征参数的差异,实现对低分辨率DEM提取的切沟形态特征参数向高分辨率尺度转化。结果表明:基于三维激光扫描技术获取的0.1m高分辨率DEM提取的切沟形态特征值与手工测量的切沟形态特征值之间无显著差异,三维激光扫描技术提取的切沟长度、宽度、深度、表面积和体积分别是手工测量的94.0%,109.1%,107.7%,80.1%和109.0%,表明三维激光扫描技术获取的0.1m高分辨率DEM可较准确地描述切沟形态特征。0.1,5m2种分辨率DEM提取的切沟长度间无显著差异,但2种分辨率DEM提取切沟宽度、深度、表面积和体积间差异显著。5m分辨率DEM提取的切沟宽度、表面积和体积分别较实际值分别偏大28.6%,25.6%和19.7%;而其提取的切沟深度较实际值偏小37.0%。据此,通过模型筛选,分别建立了0.1m高分辨率DEM与5m分辨率DEM提取的切沟宽度、表面积和体积转换模型。模型验证结果表明,本研究所构建的切沟宽度、表面积和体积转换模型的决定系数均大于0.6,模型有效性系数均大于0.5,说明3个转换模型均具有较好的预报精度,为研究黄土丘陵区沟蚀特征提供了重要方法和手段。     

利用GPS进行切沟侵蚀监测研究

切沟侵蚀在土壤侵蚀中占据重要位置,切沟侵蚀监测研究是切沟侵蚀研究的重要方面。目前进行切沟侵蚀监测研究主要利用摄影测量的方法,该方法存在一定的局限性。对利用GPS进行切沟侵蚀监测研究进行了探讨,对切沟在不同时间进行测量,获得多个时相的DEM,通过对比不同时相的DEM来获取该时间段的切沟侵蚀变化。最后以位于黑龙江省漫川漫岗黑土区的丰产电流域的一条切沟为研究实例,建立了2002,2003年10月两个时段分辨率为0.4 m的DEM,对比这两个时段的数据表明,该切沟沟头后退达13.78 m,侵蚀面积增大了711m~2,切沟的土壤侵蚀量增加了2377 m~3,展示了GPS在切沟侵蚀研究中精度高、速度快等优越性,可为切沟侵蚀监测研究提供参考。     

SfM摄影测量法测定切沟的精度评价

选取河北省滦平县两间房村的一条典型切沟,以实时动态差分(Real-time Kinematic,RTK)GPS的测量结果为基准,评估了断面测量法与SfM方法对该切沟的测量精度,并在此基础上探讨不同地面控制点(Ground Control Point,GCP)布设方案对SfM测量精度的影响。结果表明:SfM测量法可作为一种高精度的方法运用于切沟测量,与RTK GPS相比,断面测量法的体积测量误差高达37.28%;而SfM方法的误差仅为2.40%,且相对RTK GPS所测切沟DEM的差值主要集中于-0.2～0.2 m。此外,轻便、小巧的激光测距仪可有效替代RTK GPS用于GCP坐标的测量,在此基础上得到的切沟体积误差仅为0.23%。将切沟沟缘与沟底共18个GCP抽稀至4～16个,并利用SfM方法重建该切沟的三维形态。各方案所得切沟DEM相比未抽稀结果的差值主要集中于-0.05～0.05 m,且体积差值百分比均低于5%。研究结果证实,SfM摄影测量法在切沟测量中具有较高的精度,可应用于野外切沟的快速、精确测量,对于切沟定量监测与切沟侵蚀规律研究具有重要的实践意义。     

特大暴雨下不同土地利用类型坡面切沟发育特征

切沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区水土流失的重要形式之一，然而极端暴雨条件下不同土地利用类型坡面切沟侵蚀研究还鲜见报道。该研究以陕北2017年"7·26"特大暴雨为例，研究了岔巴沟流域3种土地利用类型（农地、休闲地和撂荒地）坡面切沟发育形态特征及体积估算模型。结果表明：1）农地、休闲地和撂荒地切沟长度分布在20 m内的占比分别为55.6%、34.8%和44.8%；农地切沟平均深度为110 cm，分别比休闲地和撂荒地高18.3%、19.2%；农地和休闲地切沟平均宽深比分别为0.87和0.84，横断面呈"宽-浅型"，而撂荒地切沟呈"方型"（宽深比1.01）。2）撂荒地切沟侵蚀体积分别比农地和休闲地减少47.8%和28.3%，表明植被恢复有效地削弱了极端暴雨作用下的切沟侵蚀。3）农地切沟不同坡段侵蚀体积由高到低为下坡、上坡、中坡，而休闲地和撂荒地切沟侵蚀体积沿坡长方向呈递增趋势；3种土地利用类型切沟在上坡段的沟岸拓宽速率大于下切速率，中下坡则相反。4）农地、休闲地和撂荒地切沟侵蚀体积均与切沟长度、横断面面积呈极显著幂函数关系（P<0.001），横断面面积是切沟体积估算更为有效的参数。研究结果可为黄土高原丘陵沟壑区不同土地利用类型坡面切沟侵蚀体积估算及其防治提供重要依据。     

沟壁坡度对侵蚀沟三维重建误差的影响

以无人机为主体的天地一体化立体测量为地表精准快速测量提供了有利条件。无人机拍摄正射影像时,陡坡影响拍摄视角,可能对地表三维测量精度产生影响。选取发展大型切沟(BG)、稳定中型切沟(MG)和小型浅沟(SG),采用三维激光扫描(Terrestrial Laser Scanning,TLS)和无人机正射摄影(Structure from Motion,SfM)2种方法获取地表DSM(Digital Surface Model,数字表面模型),并以TLS的DSM为基准,分析了坡度对SfM的DSM的高程误差的影响。结果表明:(1)高程误差均随沟壁坡度呈指数增加,拟合程度较好(P<0.0001,R^2>0.80),拐点出现在60°附近,坡度<60°时高程误差变化幅度为0~10 cm,坡度超过60°后高程误差急剧增大为10~60 cm;(2)侵蚀沟愈活跃,其坡比愈大,高程误差占比愈集中在较大坡度的范围内。对于发育中切沟BG,约75%的高程误差量集中在15°~75°;对于趋于稳定的中型切沟MG,约66%的高程误差量集中在0~60°;而对于小型浅沟SG,约54%的高程误差量集中在0~40°。     

陕北黄土区退耕前（1976—1997）坡面切沟发育特征

以陕北黄土区坊塌流域内7条大切沟及其谷缘上的小切沟为研究对象,通过Arc GIS和MATLAB从基于1976、1997年1:10000比例尺地形图生成的数字高程模型(DEM)上提取沟沿线,进而获得1976、1997年大切沟的面积、周长和大切沟上小切沟沟头前进距离,并结合当时的土地利用图和植被覆盖图,定量研究了退耕前陕北黄土区切沟发育的速率,以及土地利用类型和植被覆盖度对切沟发育的影响.结果显示:在1976-1997年间,7条大切沟的面积、周长增长率分别为11.01%~180.46%和8.07%~86.75%,大切沟上小切沟沟头年均前进速率为0.26~0.84m;由溯源侵蚀导致的小切沟沟头前进是研究区内大切沟上的主要侵蚀方式,大切沟沟谷拓宽和形成新的小切沟分别是对大切沟的面积和周长增长具有较高贡献率的侵蚀方式;林草覆盖能控制切沟发育,集水区内覆盖度大于65%的植被能更加有效地控制大切沟内以沟谷拓宽为主的、多过程、多部位的综合切沟侵蚀,覆盖度大于45%的植被能更加有效地控制大切沟上小切沟沟头的溯源侵蚀.研究表明基于GIS技术和不同年份的地形图,可以确定切沟侵蚀的方式及速率,实现对切沟发育的动态监测.     

切沟侵蚀研究现状与存在问题分析

切沟侵蚀在现代土壤侵蚀过程中中占据重要地位,其对流域侵蚀产沙有重要贡献。从切沟发展阶段划分、切沟发展过程的主要方式、切沟侵蚀影响因素、切沟侵蚀预报模型和切沟侵蚀测量技术等方面较全面叙述了切沟侵蚀研究现状,提出了切沟侵蚀研究亟待加强的研究领域有：切沟侵蚀发生演变过程、切沟侵蚀影响机理,切沟侵蚀预报模型,切沟侵蚀研究法与技术。     

利用高分立体影像构建东北黑土山地丘陵区切沟体积估算模型

分析侵蚀沟形态特征并构建体积估算模型,对大空间尺度探究切沟侵蚀具有重要意义。该研究选取位于东北黑土山地丘陵区穆棱市的典型样区,基于WorldView-2高分立体像对影像(0.5m分辨率),利用ENVI5.3提取同分辨率DEM,选择45条切沟,在ArcGIS10.3中提取并计算切沟顶宽(TW)、底宽(BW)、沟深(D)、断面面积(CSA)、沟长(L)、面积(A)及体积(V)等参数,分析形态特征及相互关系,构建切沟体积估算模型。结果表明:1)切沟TW、BW、D、CSA、L、A及V均值分别为5.63 m、2.82 m、1.05 m、4.94 m~2、81.90 m、470.54 m~2、428.53 m~3。断面BW/TW均值为0.48,切沟以V～U型为主。TW/D全部大于1,均值为5.95,表明沟道横向侵蚀较下切侵蚀速率更快;2)切沟体积与沟长(V-L)、面积(V-A)间均有极显著幂函数关系,相比V-L关系模型,V-A关系模型具有更小的平均相对误差和更大的纳什系数,可更准确有效预测切沟体积,建议将其作为东北山地丘陵区切沟体积估算模型;3)与黄土高原及干热河谷地区相比,东北黑土区切沟体积与面积幂函数关系的指数更小,而区内山地丘陵区较漫川漫岗区更大,反映出山地丘陵区更加强烈的切沟发育状况;切沟形态特征影响V-A模型构建的精度,建议将狭长度(L/TW)作为切沟分类指标构建切沟体估算模型。研究结果可为东北黑土山地丘陵区大空间尺度切沟侵蚀的定量模拟提供方法和依据。     

基于面向对象技术的黄土丘陵沟壑区切沟遥感提取方法研究

基于高分辨率遥感影像,提出了结合高分辨率影像的光谱、地形、几何形态和GLCM纹理信息等特征的切沟半自动面向对象提取方法,建立了一组沿径流方向计算纹理特征空间对比度和相关性的公式。以黄土丘陵沟壑第三副区甘肃天水桥子沟小流域World View-2影像数据为例,分别建立了耕地（山坡地、梯田）、果园、林地、农路、切沟的分类规则和算法,以影像的目视解译结果结合实地调查进行精度评价,分类结果显示,总体分类精度为75.17%,总Kappa系数为0.64,切沟的生产者精度为80%,用户精度为70.59%,取得了令人满意的结果。     

晋西黄土区切沟对其上方集水区内土壤水分的影响

为掌握黄土高原切沟对其上方集水区内土壤水分的影响,选取晋西黄土区典型切沟上方的集水区为研究对象,采用土钻法定期测量0—10 m土层的土壤水分,探讨集水区内不同地貌部位的土壤水分状况。结果表明:(1)集水区内土壤水分状况受距离切沟远近和地貌部位的共同影响。(2)集水区内距离切沟1 m处的蓄水量显著低于距离切沟3,6 m处的蓄水量(P＜0.05),集水区内洼地的蓄水量大于坡面。(3)集水区内6个采样点浅层含水量随时间变化剧烈,深层含水量随时间变化小。(4)切沟对其上方集水区内土壤水分的水平影响距离为1~3 m,距切沟1 m处,影响深度最深可达7 m,距切沟3 m处,影响深度为2 m。在未来开展切沟治理中,建议在距离切沟1 m范围内密植低耗水的耐旱灌木或草本,利用密植的植物增加地面糙率,降低水流流速,并利用植物根系网络土体,增加抗冲性,从而起到防治切沟溯源侵蚀。     

坡面侵蚀沟测量仪的研制与应用

坡面侵蚀沟监测仪遵循地表糙率仪的基本工作原理,利用激光测距和扫描等非接触式测量技术,以非接触式射线替代接触式的测针,将侵蚀沟断面线密集地等分为大量的离散样点,将所有离散样点的距离量集合在一起形成数字化的侵蚀沟断面地形。测量仪的测距设备校验误差为±1.5 mm,采样测距点的标准水平间距约为5 mm。应用实践表明,与传统的卷尺法、地表糙率仪法等地表特征测量工具相比,该测量仪具有非接触式测量、精度高、自动量测及存储的特点。     

切沟侵蚀监测与预报技术研究述评

切沟侵蚀作为一种常见的土壤侵蚀现象,不仅破坏土地资源,也是河流泥沙的主要来源之一;但是,由于切沟侵蚀机制复杂,研究手段欠缺,切沟侵蚀研究进展缓慢。切沟侵蚀监测技术是研究切沟不同发育阶段侵蚀速率和构建切沟预报模型的基础。近年来,高精度GPS、三维激光地形测量以及RS和GIS等切沟侵蚀监测技术取得了新进展,尤其是高分辨率遥感的应用为较大时空尺度的切沟侵蚀监测提供了可能性。世界范围的切沟侵蚀监测成果表明不同地区切沟侵蚀速率主要为0.16～15 m/a。切沟侵蚀预报技术进展缓慢,现阶段还没有广泛应用的切沟侵蚀预报模型。利用高分辨率航空和卫星影像及三维激光测量等新技术,开展较大尺度的切沟侵蚀监测是近期的研究热点和主要发展趋势,而从长远来看,发展切沟发育和侵蚀的经验和机制模型、进行不同时间尺度的切沟侵蚀预报是切沟研究领域的发展方向。