无人机倾斜航空摄影监测崩岗侵蚀量变化的方法

如何高效精确地监测崩岗的动态发育过程并且量化侵蚀量是崩岗侵蚀机理研究中的难点。该文以准专业级无人机对目标崩岗进行倾斜摄影获得的全方位多角度航空影像为基础,通过空三加密处理生成目标崩岗的三维点云模型;利用点云数据构建DTM,提取目标崩岗地形数据;运用多时相连续DEM相减的方法获取监测周期内崩岗的高程变化,计算侵蚀量并找到侵蚀严重的部位,再使用2.5D体积测算方法细化侵蚀严重的崩壁和沟头部位的侵蚀量,以此作为补充,最终获得监测期内的总侵蚀/沉积量体积并换算为泥沙量。最终结果验证的平均相对误差为9.69%,一个月监测周期内最大的绝对误差仅为0.303 3 m3,满足监测要求。因此利用无人机倾斜航空摄影测量的方法监测崩岗侵蚀量是可行有效的,该方法可提取崩岗的所有地形信息,研究侵蚀泥沙的来源和侵蚀过程,是较为快速和精确的崩岗监测手段。     

崩岗地貌侵蚀过程三维立体监测研究——以广东五华县莲塘岗崩岗为例

2011-2013年,大致以半年为周期,利用Leica ScanStation 2三维激光扫描仪对广东五华县莲塘岗崩岗进行6次野外定位监测,运用ArcGIS软件对6次监测数据进行对比分析,阐明崩岗流域侵蚀产沙的时空变化,提供精细化研究成果。研究结果表明,莲塘岗崩岗年平均侵蚀模数高达222 408t/(km2·a),主要侵蚀区位于海拔111~131m的崩积锥分布区,占侵蚀总量的55.6%,且崩岗中、下部位侵蚀强度高于崩岗上部。崩岗侵蚀量随崩岗表面坡度变化呈现正态分布的特征,侵蚀量最大值位于崩岗40°~50°的坡面部位。单位面积的崩岗侵蚀量大致随崩岗表面坡度的增大而加大,表明崩岗流域内坡度越大,侵蚀越强烈。在6次5个监测周期内,崩岗侵蚀方式具有明显变化,沟道发育是崩岗侵蚀发生的主要触发因素之一。前3个监测周期中,崩岗以沟道快速下切、侧蚀和溯源侵蚀为主,兼有小规模崩塌;后2个监测周期中,崩岗以重力侵蚀为主,侵蚀量先减少后增大。莲塘岗崩岗目前正处于壮年期阶段,地形是崩岗发育的主要影响因素。地形因素导致崩岗水力侵蚀与重力侵蚀交替进行,两者共同作用使得崩岗侵蚀发展过程呈现出螺旋式上升的演化模式。     

基于三维激光扫描的崩岗侵蚀的时空分析

崩岗侵蚀过程及其侵蚀量的精准量化分析,是研究崩岗发育机理及其发展演化的基础,也是测算崩岗流域产沙输沙的前提,对崩岗预防和治理以及水土保持和生态建设具有理论和现实意义。本研究应用三维激光扫描技术,大致以半年为周期,在6次定位监测基础上,以广东五华县莲塘岗崩岗为例,对崩岗侵蚀过程进行了定量分析。研究表明,莲塘岗崩岗年平均侵蚀量为833 m3,其中雨季平均侵蚀量为499 m3,干季平均侵蚀量为291 m3,侵蚀模数高达222 408 t/(km2·a)。24 h降雨量大于等于50 mm的暴雨、特别是大于等于100 mm的大暴雨对崩岗侵蚀影响很大,暴雨总量与崩岗侵蚀量具有正相关关系。崩壁之下的崩积锥部位侵蚀量最大,占总侵蚀量的55.6%。40°~60°坡面的侵蚀量最大,占总侵蚀量的49%。最大侵蚀强度(单位面积侵蚀量)位于50°~60°和70°~80°的两个坡度区间。最为剧烈的侵蚀区为主沟与支沟两侧及沟头部位,侵蚀深度均大于1 m,最大深度可达2.5 m。前3个监测周期,沟道以快速下切、侧蚀和溯源侵蚀为主,兼有小规模崩塌;后2个监测周期,以重力崩塌为主,沟道侵蚀减弱。崩岗地形变化导致其水力与重力作用交替进行,使崩岗侵蚀呈现出波动式变化。     

基于贴近摄影测量的崩岗侵蚀监测技术

在崩岗侵蚀研究中,为了高效精准的对高陡崩壁土体侵蚀沉积运移进行准确监测,运用无人机贴近摄影测量技术对崩岗研究区进行数字影像采集,通过运动恢复结构-多视点匹配(Structure From Motion-Multi View Stereo,SFM-MVS)技术,生成点云数据及研究区数字表面模型(Digital Surface Model,DSM),利用ArcMap进行叠加分析监测周期内研究区侵蚀沉积变化。从定位精度、测量精度、重现性分析3个方面对贴近摄影测量技术进行误差及可行性分析。最终验证结果贴近摄影测量技术总平均重投影误差为0.19 mm,侵蚀沉积量总平均绝对误差为0.006 m~3,较传统倾斜摄影测量技术误差降低了了45.45%。高程精度较倾斜摄影测量技术总体提升了162.5%。重复点云数据高程误差的平均值仅为0.36 mm,识别图像及控制点误差均达到毫米级,因此利用无人机贴近摄影测量技术精度满足崩岗高陡崩壁监测需求,该技术可提取崩岗研究区侵蚀地貌特征信息,是较为高效精准的研究侵蚀沉积过程的监测技术。     

福建省崩岗侵蚀的地质地貌背景分析

为探讨福建省崩岗侵蚀的地质地貌背景,从而为崩岗侵蚀防治提供依据,作者运用GIS技术,将福建地质图和数字高程模型(DEM)等地质地貌因子经过处理后与福建省崩岗分布图进行叠加分析,结果表明:在地质构造上,崩岗主要发育在断裂带上,且分布在不稳定区域内;崩岗主要发育在易风化的花岗岩母岩上;从地貌背景来看,崩岗主要分布在海拔高度为100~800m的丘陵和低山地区,并且与相对高程密切相关,主要集中在坡度为10~25°的斜坡和陡坡地区,特别是15~25°的陡坡区,具有坡向选择发育的规律,多分布于向阳坡或半阳坡的位置。     

南方红壤区崩岗侵蚀及其防治研究进展

崩岗侵蚀威胁区域生态安全,是当前土壤侵蚀研究领域所关注的热点和难点。文章首先简要回顾了崩岗侵蚀的研究历程,介绍了崩岗的组成要素。随后重点从崩岗侵蚀类型、崩岗空间分布特征、崩岗发育阶段及形态特征、崩岗侵蚀驱动因素、崩岗侵蚀防治措施等方面总结了崩岗侵蚀及防治的研究现状与进展,探讨了当前崩岗研究的薄弱之处。并在此基础上,提出了崩岗水力重力侵蚀的耦合机理、崩岗发育与区域地貌发育的关系、崩岗产生及发育指标的建立、崩岗防治机理及其评价标准的建立等有待深入研究的问题。     

基于DPSIR模型的崩岗侵蚀风险评价及时空特征

崩岗是中国南方红壤区最为严重的土壤侵蚀形式之一，不仅具有突发性且危害巨大，对其进行全方面的风险评价有利于崩岗综合整治。该研究引入驱动力-压力-状态-影响-响应模型（driving force-pressure-state-impact-response, DPSIR），并结合自然灾害风险理论，根据崩岗侵蚀过程从易发性、脆弱性、暴露性和防灾减灾能力等方面构建了较为综合的崩岗侵蚀风险评价体系，然后对安溪县官桥镇2010、2015和2020年的崩岗侵蚀风险进行了评价。结果表明：1）基于DPSIR的崩岗侵蚀风险评价模型精度结果良好，ROC曲线下方的面积AUC（area under curve, AUC）均大于0.59；其中沟壑密度、土壤侵蚀强度和人口密度指标权重较大，分别为0.217、0.182 和 0.174。2）3个年份的官桥镇崩岗侵蚀风险主要为低风险等级（占总面积57.49%～62.90%），在空间上呈中部高、四周低的分布特征；风险变化主要分布在中西部和东部地区，且中风险、高风险和极高风险主要向低一级的风险等级转变，但在2015—2020年该区域的空间变化速度放缓。3）与崩岗侵蚀易发性风险评价结果相比，二者的空间分布趋势大致相似，但综合性风险评价结果的空间变异性更大，即综合性崩岗侵蚀风险的描述更为全面，更能体现崩岗侵蚀风险体系中不同指标产生的影响。研究结果不仅提供了一种综合的崩岗侵蚀风险评价思路和方法，并且可以为崩岗预警、防治与管理工作提供更为全面的参考。     

基于主成分-聚类分析的崩岗侵蚀强度评价

为了研究湖北省通城县杨垄小流域崩岗群的崩岗侵蚀强度,提高评估的可靠性,使用RTK测量崩岗,获取崩岗面积、主沟坡降、内部平均坡度等11个参数,将其作为崩岗侵蚀强度分析的评价因子,通过主成分分析提取了崩岗侵蚀强度参数的4个主成分因子,得出选择的16个崩岗侵蚀强度。结果表明:杨垄小流域不同崩岗侵蚀强度分为3类:2号,5号,10号,11号为高度侵蚀;8号,15号,16号为中度侵蚀;其余为轻度侵蚀;小流域的中高度侵蚀型崩岗面积占崩岗群总面积的2/3以上,侵蚀面积较大。依据分类结果,可针对不同崩岗存在的风险因素制定对应的风险控制方案和措施,有利于崩岗的防治。     

安溪县崩岗侵蚀防治分区探讨

为弥补以往崩岗侵蚀治理措施布设都是针对单个崩岗而缺少全面防治的不足,以安溪全县域的崩岗侵蚀为研究对象,将安溪县崩岗侵蚀分为强度、中度和轻度侵蚀3个区,并由此建立相应的防治体系:东南部的官桥镇和龙门镇属于强度侵蚀区,应以强化治理为主,实行工程和植物措施相结合、以小流域为单元的综合整治;从东南的城厢往西北延伸到感德及西南的龙涓在内的10个乡镇为中度崩岗侵蚀区,采取以植物措施为主,结合必要的工程措施进行治理;其余的乡镇即西北地区为轻度侵蚀区,总体上以预防保护为主,充分发挥生态系统的自我修复功能,同时加强封禁补植。     

广东省崩岗侵蚀现状与防治措施探讨

广东省是我国崩岗侵蚀最严重的省份之一，流失量占广东省水土流失总量的43％左右，造成的危害大，导致土地退化和区域生态环境恶化，并且治理难度大，已成为广东省山区经济发展的主要障碍因素之一。本文介绍了广东省崩岗侵蚀现状，分析了产生崩岗侵蚀的主要原因及崩岗治理的主要技术原理，对崩岗防治措施进行了探讨。     

Simulating and assessing the evolution of collapsing gullies based on cellular automata-Markov and landscape pattern metrics: a case study in Southern China

Purpose

Collapsing gullies, which involve considerable erosion and extreme landform changes, frequently occur in the granite region of Southern China. Capturing the evolution of collapsing gullies is useful and effective for predicting erosion amount and landform changes. However, the evolution of collapsing gullies is too complex to simulate using conventional models. The aim of this study is to modify the traditional cellular automata (CA)-Markov model for simulating the evolution of collapsing gullies and then quantify their morphology using landscape pattern metrics.

Materials and methods

A hillslope eroded by collapsing gullies located in Longmen Town of the granite region of Southern China is used as a case study. Three digital elevation models (DEMs) were derived on 11 March 2017, 21 July 2017, and 2 December 2017 from a remotely piloted vehicle and global positioning system (GPS) real-time kinematics. Rainfall data for the corresponding time was recorded by a tipping-bucket rain gauge. Using these data, the CA-Markov model for simulating the evolution of collapsing gullies was developed, and then the most accurate one was chosen to predict the evolution on 2 December 2018. Evolution of the case study hillslope was interpreted and assessed using landscape metrics to capture the erosional trends of collapsing gullies.

Results and discussion

The area differences of the modified CA-Markov model are lower than those of the traditional model while the kappa coefficients of the modified CA-Markov model are higher than those of the traditional model; that is, the modified CA-Markov model performs better for simulating and predicting the evolution of collapsing gullies. The kappa coefficients also demonstrate that both scouring and gravity impact collapsing gullies, and scouring force is more effective than gravity. Based on the evolution prediction, the erosion amount of collapsing gullies in the subsequent year is predicted to be 904.1 m³. Spatial pattern analysis showed that the mid-lower part of a hillslope eroded by collapsing gullies will continue to be intensively eroded and the ground surface will become more fragmented.

Conclusions

The use of a modified CA-Markov model and landscape pattern metrics provide an improved and effective method for understanding the spatial and temporal variations of collapsing gullies landform and ground surface, as well as better capturing the erosional trends of collapsing gullies.

     

基于遥感影像研究极端暴雨条件下新成切沟发生发展规律

土壤侵蚀严重破坏土地资源，是全球性的环境问题，切沟侵蚀是土壤侵蚀的重要表现形式，近年来极端暴雨频发加剧了切沟侵蚀的发生和发展。为了研究气候变化条件下新成切沟的形成与发育规律，该研究以陕北子洲岔巴沟流域王武沟小流域为研究区，基于无人机航摄影像，以2017年陕北"7·26"暴雨新成切沟为研究对象，分析新成切沟发生规律，并探讨在之后的3 a中其发育特征、与原有切沟发育的差异性及其与地形参数的关系。结果表明：1）在"7·26"暴雨中，王武沟发育新成切沟45条，约101条/km2，可分为坡面切沟、梯田切沟、道路切沟和底部切沟四类，以坡面切沟最多，底部切沟和梯田切沟总体更宽、面积更大；生产道路、淤地坝和坡耕地在暴雨条件下是最容易发生切沟的地块；2） 新成切沟在形成之后的3 a内沟头发育较原有切沟更为迅速。34.48%的新成切沟沟头进一步前进，这一数值为原有切沟的1.32倍；新成切沟前进距离均值是原有切沟的3倍，达0.58 m/a；3）汇水面积增加可显著促进切沟沟头发育，是模拟切沟沟头前进速率的重要地形指标。可见，极端降雨条件下研究区土壤侵蚀严重，新成切沟发生之后的3 a内溯源尤为迅速，应给予特别关注，加强对这类切沟的预防与治理。     

元谋干热河谷冲沟形态特征及其成因

元谋干热河谷冲沟极为发育,发达的冲沟网络不但蚕食耕地,还产生大量泥沙,并加剧面蚀的发育发展,加速土地退化进程.在干热河谷开展冲沟侵蚀研究对于该区经济的可持续发展及江河泥沙的控制意义深远.采用野外实地调查、文献资料综合分析的方法,对元谋干热河谷冲沟形态特征及其成因进行了研究.结果表明:1)元谋干热河谷冲沟具有“沟壁陡立、沟谷深壑、活跃沟头常呈上凸下凹状”等形态特征;2)岩层结构、气候降雨、土壤属性是导致该区冲沟发育的主要原因.在此基础上指出,未来干热河谷冲沟侵蚀研究重点应集中于冲沟形态监测方法、冲沟发育过程及机制、冲沟产沙效应及人类活动对冲沟发育的影响等方面.     

黄土高原沟壑丘陵区沟道侵蚀与洞穴侵蚀特征

[目的]通过对黄土高原沟壑丘陵区内的沟道侵蚀和洞穴侵蚀进行特征分析,为该地区开展水土保持工作提供数据支持和决策依据。[方法]以王家沟流域为研究对象,通过资料收集、卫星影像识别和现场调查等方法对流域内沟道侵蚀和洞穴侵蚀状况进行分析。[结果](1)流域内共分布718条沟道和948个洞穴。(2)根据空间位置和地形特点将所有沟道分为冲沟、切沟、干沟、河沟。这4类沟道由于受土壤岩性组成、坡度及人为活动等因素影响,空间分布存在巨大差异。(3)43%的洞穴分布在冲沟中,51%分布在切沟中,6%分布在干沟中。河沟中没有洞穴存在。冲沟和切沟是洞穴形成和发育的主要区域。(4)洞穴沟道的沟长、面积、切深、产流及产沙量都明显大于非洞穴沟道。[结论]在黄土高原丘陵沟壑区,洞穴侵蚀是土壤侵蚀的重要组成部分,并对沟道的发育和扩展起着至关重要的作用。     

东北黑土区不同季节侵蚀沟形态发育比较分析

侵蚀沟形态特征是了解沟蚀发生、发育的关键性因素,探究不同季节侵蚀沟形态参数变化特征对深入理解侵蚀沟的侵蚀过程和侵蚀沟的治理工作具有重要意义.选取黑龙江省海伦市光荣小流域内的3条侵蚀沟为研究对象,探究季节变化下侵蚀沟长度、面积、体积等形态参数值的差异.结果 表明:(1)不同季节侵蚀沟横断面形态由沟头到沟尾均呈现出由"V"...     

浅沟发育对土壤侵蚀作用的研究

浅沟是坡面细沟侵蚀发生与发展的产物。浅沟形成后,改变了原坡面形态,加速了侵蚀作用过程,增大了土壤侵蚀量。本文采用人工模拟降雨装置在黄土小区上进行试验,结合野外调查,对浅沟侵蚀进行了研究:坡面浅沟的分布密度变化于10～65km/km~2之间;深度变化于0.3～3m之间,并且以1～2m的为多;新倾斜面的倾角变化于10°～30”之间。在相同降雨条件下,浅沟发育坡面的产沙率比未发育浅沟坡面的产沙率要大,二者可相差3倍多。当雨强为1.31mm/min和2.4mm/min时,有浅沟发育坡面的侵蚀量分别增加0.66倍和0.386倍。据估算,由于浅沟的存在,黄土丘陵沟壑区沟间地坡面的侵蚀量将增加25％左右。     

东北典型黑土区侵蚀沟形态及分布特征

东北黑土区是中国最重要的粮食生产基地之一,同时也是中国四大水蚀区之一,其中沟道侵蚀是水蚀发生的主要形式,掌握东北黑土区沟道侵蚀的基本情况,剖析其形态及分布特征,对于分析东北黑土区沟道侵蚀的成因及水土流失治理至关重要。该研究以典型黑土区嫩江县为研究区域,利用航空遥感影像及1∶5万DEM对区域内侵蚀沟进行普查统计,并分析侵蚀沟的沟宽、沟长、纵比降等形态特征,以及海拔、坡度、坡向等地形因素对侵蚀沟分布的影响,为黑土区侵蚀沟的治理提供理论依据。研究结果表明:1)沟道侵蚀主要分布在丘陵区,沟道类型以切沟为主,冲沟影响面积仅次于切沟,研究区以小于500 m的侵蚀沟为主,数量及面积分别占总数的96.67%、61.99%;2)侵蚀沟的沟宽与沟长为正相关,纵比降与沟宽、沟长为负相关;3)坡向对各类型侵蚀沟的分布影响较小,坡度对侵蚀沟的分布有一定影响,细沟和浅沟主要分布在2~6°和6~15°的坡面上,而切沟和冲沟则主要分布在0~2°、2~6°的坡面上,90%以上的细沟和浅沟、80%以上的切沟、冲沟发生在耕地上;4)嫩江县冲沟地形阈值模型拟合表明嫩江县冲沟发生的临界坡度较小,较小的坡度就能对坡面形成冲刷,出现冲沟的发生发育,而模型中主导径流过程的参数数值较小,表明嫩江县冲沟的产生可能受到地下过程的影响。     

基于GPS与GIS 技术的长江上游山地冲沟的分布特征研究

长江上游山地生态环境十分脆弱，冲沟系统广泛分布，但对该区冲沟的发生演变一直缺乏定量研究数据。以西昌长山岭地区为对象，应用RTK-GPS对该区冲沟系统进行测量，建立数字高程模型（DEM）；同时基于GIS技术，探讨了从DEM上提取冲沟系统的方法，并以实测冲沟系统为依据，对所提取的冲沟系统的精度进行了对比分析。结果表明，利用DEM提取冲沟系统是一种快速、有效的方法。与此同时，分析了长江上游地区山地冲沟系统的分布特征，结果表明，小流域的沟壑密度为46．7m／hm^2，冲沟侵蚀速率高达191．9t／（hm^2．a），小流域内的土壤侵蚀为极强度土壤侵蚀，以控制冲沟侵蚀为主的水土保持措施，是该地区生态环境建设中值得重视的关键问题。     

半干旱黄土丘陵沟壑区沟道侵蚀特征研究

利用遥感、地理信息技术和数理统计方法,选择山西省吕梁市王家沟流域为典型区域,系统分析了半干旱黄土丘陵沟壑区沟道侵蚀特征。研究结果表明:在王家沟流域内共有沟道718条,其中冲沟109条,切沟286条,干沟302条及河沟21条。这4类沟道的发育特征和空间分布特征存在巨大差异;沟道侵蚀是王家沟流域内土壤侵蚀的主要形式,沟道侵蚀面积占总侵蚀面积的56.19%;流域内不同坡度范围内土壤侵蚀强度与沟道类型存在紧密联系。同时,人为因素也对黄土丘陵沟壑区的沟道侵蚀具有重要的影响。     

元谋盆地土地利用/土地覆盖对冲沟侵蚀的影响

金沙江干热河谷元谋盆地冲沟发育，冲沟侵蚀蚕食耕地、最终形成侵蚀劣地，对土地资源危害很大。根据对9条冲沟17个沟头连续3年的观测与调查资料。分析了元谋盆地土地利用／土地覆盖对冲沟侵蚀的影响，包括冲沟集水区不同土地利用方式、植被群落结构对冲沟溯源侵蚀的影响和沟底植被覆盖度对冲沟溯源侵蚀的影响。