高精度GPS,三维激光扫描和测针板三种测量技术监测沟蚀过程的对比研究

采用连续模拟降雨试验,对坡沟系统概化模型进行坡面沟蚀发育过程模拟,再现坡面片蚀一细沟侵蚀切沟侵蚀演变过程。结合3种测量技术从测量精度、测量人员要求、数据处理、数据通用性、配套软件使用、前期投入、测量条件等几个方面入手,对比分析高精度GPS（Trimble 5700）、三维激光扫描仪（Leica HDS3000）和测针板的3种测量方法的优缺点,同时对3种测量方法在沟蚀过程监测和侵蚀量估算方面进行对比研究。结果表明,激比扫描仪能很好地监测沟蚀演变过程,且对侵蚀量估算精度较高,误差仅为4．5％。高精度GPS也能很好地监测沟蚀演变过程,对侵蚀量估算精度误差为7．38％。测针板法不能很好的反映沟蚀演变过程,但是对于侵蚀量的估算可以满足日常要求,误差为-12．78％。     

沟蚀监测研究现状及发展展望

介绍了国内外常用的沟蚀监测方法中传统皮尺侵蚀针监测法、遥感监测法、GPS监测法、树木断代法、塘库淤地坝回溯法、三维激光扫描监测法的研究与应用成果,讨论了各种方法的优缺点及适用范围,指出提高监测精度、降低监测工作难度是沟蚀监测方法发展的趋势,认为监测精度高的三维激光扫描、无人机遥感等新兴技术在沟蚀监测领域的应用是今后一段时间的研究热点。     

基于LIDAR和GIS技术的坡面侵蚀沟空间发育分析

三维激光扫描技术（LIDAR）和地理信息系统（GIS）技术的综合应用是土壤侵蚀定量研究的重要手段,结合LIDAR和GIS技术,将LIDAR动态监测的连续4场次模拟降雨实验数据导入GIS数据处理软件并生成DEM,采用断面分析方法,提取坡长方向上单位长度侵蚀沟断面的宽度和深度,分析坡面侵蚀沟发育特征。结果表明,坡面3.5～5.5 m坡长处是沟蚀发育最为活跃的区段,且随着降雨过程的进行,沟蚀发育活跃区向坡面上部移动。侵蚀沟发育早期以溯源侵蚀为主,后期以沟壁侧蚀和崩塌为主。断面分析方法能够比较准确地分析坡面沟蚀发育的时空分布特征,为土壤侵蚀的定量研究提供了一种新的研究方法。     

激光扫描和摄影测量在坡面侵蚀演变过程的适用性

为研究激光扫描和摄影测量技术在监测坡面侵蚀演变过程中的精度及适用性,该研究利用近景摄影测量技术和三维激光扫描技术对长历时条件下坡面侵蚀演变过程进行监测,获取不同时段的坡面微地形数据,基于坡面高精度数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）对坡面侵蚀演变过程进行分析,探究2种非接触式测量方法在坡面侵蚀监测中的适用性和精确度。结果表明：1）按主导侵蚀方式的不同,坡面侵蚀过程可分为片蚀阶段、细沟发育阶段和细沟成熟阶段;2）2种非接触式测量方法均能够精确的对坡面侵蚀产沙过程进行监测,最大相对误差为-16.82 %,2种方法在坡面侵蚀量测量方面有很好的适用性。3）近景摄影测量技术在坡面侵蚀产沙监测、细沟深度测量和坡面微地形模拟方面要优于三维激光扫描技术。该研究可土壤坡面侵蚀监测方法的选择提供参考。     

三维激光扫描仪在土壤侵蚀监测中的应用——以青海省共和盆地威连滩冲沟监测为例

通过在青海省共和盆地多次野外调查的基础上,以威连滩冲沟沟头的南支沟为研究案例,采用三维激光扫描仪和亚米级的差分GPS分别对该支沟进行了侵蚀边界的监测,利用点云处理软件Real works Survey,AutoCAD和GIS软件对2种测量数据进行了处理计算和对比分析.结果表明,三维激光扫描仪在土壤侵蚀监测中非接触的高精度测量,可以真实反映地表形态;对于扫描仪没有扫描到的黑洞数据,高精度的差分GPS可作为一个局部的数据补充,并探讨了三维激光扫描技术在土壤侵蚀研究应用中的缺陷及其改进,旨在为水土流失监测提供一种新的思路和方法.     

基于三维激光扫描技术的冻结黑土细沟发育模拟

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异（digital surface model of difference, DoD）微地形变化监测方法与点云逆向工程,获取细沟网络发育过程的侵蚀面积、侵蚀体积、细沟长度和细沟密度等侵蚀参数。结果表明,冻结因素与温度变化对细沟网络发育过程与程度有重要影响：1）冻结处理的黑土坡面更容易发展出细沟网络,达到坡面侵蚀形态基本稳定后的侵蚀面积、侵蚀体积以及侵蚀细沟长度是非冻结处理黑土坡面的291%、557%和437%。2）冻结处理与非冻结处理沿坡面细沟截面形态变化差异明显。冻结坡面细沟交叉时宽深比R_W/D快速减小,下切速度加快,随后宽度与深度呈比例稳定增加;非冻结坡面汇水处的R_W/D随冲刷次数增加而增大,侧蚀速度加快,其他截面R_W/D随着冲刷次数的增加而减小,下切速度加快。3）采用ArcGIS与点云逆向工程模型联合获取的冻结状态下细沟形态参数与发育过程DoD相对误差范围为-12.70%～4.42%,提取精度在95%以上。该联合方法在冻结土体条件下获取细沟参数具有较高精度,可作为土壤侵蚀参数高精度提取的一种手段。     

南方崩岗发育特征及其监测技术探讨

 崩岗是南方红壤区特有的一种严重侵蚀类型,可认为是发育在花岗岩浅丘岗地上的沟蚀地貌形态。崩岗崩壁高差和倾角都较大,这给监测工作造成了很大的困难,导致崩岗实测数据的匮乏。通过阐明各种土壤侵蚀监测技术的优缺点,结合崩岗地貌特征,分析可用于崩岗的监测技术。认为：径流小区与人工模拟降雨实验技术只能用于面蚀和细沟侵蚀研究;示踪技术可用于面蚀和沟蚀的研究,但不能满足崩岗的实验要求;侵蚀针等传统技术方法不能准确测量崩岗的侵蚀速率;由于崩壁高差太大,用差分CPS监测崩岗存在一定误差;三维激光扫描系统能够克服上述困难,能较为准确地扫描出崩岗的形态特征数据;航片解译可得到崩岗的空问分布数据,但需配合地面监测数据,才能较为准确地调查区域或流域的崩岗数据。另外,用侵蚀针等传统技术方法以及差分GPS对崩岗进行监测时,要注意监测人员的人身安全。     

三维激光扫描技术在水土保持监测中的应用

目前,开发建设项目水土保持监测中的坡面侵蚀测量主要是针对地表局部少量特征点,缺乏整体侵蚀状况,得到的数据难免存在误差。应用三维激光扫描技术可以高精度、高密度、高速度地测量物体表面三维空间坐标,从而描述物体表面细部状况。根据应用三维激光扫描技术在三个水土保持监测项目中应用,其结果令人满意。     

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。     

利用照片重建技术生成坡面侵蚀沟三维模型

该文利用运动恢复结构(structure from motion,SFM)、多视图立体视觉(multi-view stereo,MVS)技术,提出了一种坡面侵蚀沟三维模型的快速重建方法。首先对普通相机拍摄的照片采用尺度不变特征变换(scale-invariant feature transform,SIFT)完成特征点的提取与描述,随机采样一致性算法(random sample and consensus,RANSAC)过滤掉最近邻匹配(nearest neighbor,NN)产生的误匹配点;然后通过SFM方法,迭代求解出相机矩阵和三维点坐标,用光束法平差(bundle adjustment,BA)进行非线性优化,确保误差的均匀分布和模型的精确;再使用基于面片的多视图立体视觉算法(patch-based multi-view stereo,PMVS),在局部光度一致性和全局可见性约束下,以SFM生成的稀疏点云为种子面片开始扩散,完成点云稠密重建。将照片快速重建方法获取的点云与地面激光扫描仪(terrestrial laser scanner,TLS)获取的点云及实测数据进行比较,结果表明,照片重建方法生成的点云稠密且能够完整展示侵蚀沟的发育形态,与TLS点云间的平均距离为0.0034 m,照片重建与三维激光扫描方法对侵蚀量的估算相对误差为8.054%,提取的特征线匹配率达89.592%。研究结果为侵蚀沟监测提供了参考依据。     

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。     

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.     

南方崩岗侵蚀风险评估构想

[目的]探讨南方崩岗侵蚀风险评估构架,为崩岗防治规划及分期治理提供科学依据。[方法]通过引入风险评估的理念和方法,结合崩岗发育研究进展,参照生态环境、地质灾害等风险评估流程。[结果]界定了崩岗侵蚀风险内涵,拟定了崩岗侵蚀风险评估方法,构建了崩岗侵蚀风险评估指标体系,并提出了崩岗侵蚀风险评估程序。[结论]风险评估为崩岗侵蚀乃至土壤侵蚀研究领域提供了一种新的理念和方法。     

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。     

Gully erosion modelling and landscape response in the Mbuluzi River catchment of Swaziland

In southern African countries soil erosion and the related problems, such as water quality issues or decreasing soil productivity, are the main topics affecting the inhabitants of both rural and urban areas. Therefore, the attention has been recently placed on those problems related to soil erosion. This can also be documented by an increasing number of studies carried out on erosion and by the development and application of erosion models. Nevertheless, gully erosion phenomena have been widely neglected in erosion modelling. This is because the development of erosion models was focused on those regions with an intense agriculture typical of developed countries on the one hand, and because of the spatial and temporal heterogeneity of gully erosion processes on the other hand. This study regards the identification of gully erosion forms and processes in the Mbuluzi River catchment (Kingdom of Swaziland) by using the Erosion Response Units (ERU) concept. The following modelling of gully erosion was done through the stable gully model [Catena 37 (1999) 401]. The input data were obtained through the application of remote sensing techniques (API method) and GIS-analyses. The example from Swaziland shows that the applied methods are able to identify areas affected by gully erosion. Furthermore, it is possible to estimate the amount of soil loss due to gully erosion, which, for example, is not taken into consideration by the USLE-type models.     

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.     

1991-2020年全球沟蚀研究进展

[目的] 分析1991—2020年国内外沟蚀领域不同时期的国际研究形势、研究现状以及研究热点的变化趋势,定量分析沟蚀测量技术和沟蚀模型的发展趋势,旨在促进沟蚀研究的深入发展并为相关领域学者提供参考信息。[方法] 采用Web of Science核心合集中1991—2020年的2 568篇沟蚀相关文献进行计量分析,使用VOSviewer软件对国家和机构研究形势以及沟蚀研究热点变化趋势进行可视化分析。[结果] 近30 a沟蚀的研究呈现上升趋势,且在2011—2020年迅猛上升。中国(23.7%)和美国(20.8%)为沟蚀研究的主要国家,发文量占全球的44.5%,且两国间合作更密切。全球沟蚀研究排名前10的机构中,中国的机构占3所(中国科学院、西北农林科技大学和北京师范大学)。沟蚀研究涉及多个学科领域,以地质学最多。沟蚀影响因子、沟蚀测量技术和沟蚀研究模型为沟蚀领域主要研究热点。径流、土地利用、植被、降雨和土壤等影响因子一直是沟蚀研究的重点。近些年气候变化特别是极端降雨对沟蚀的影响越来越受重视。高精度的3 D立体测量技术逐步替代2 D平面测量技术,并得到广泛应用。经验模型应用早,应用最广泛,2000年之后基于定量分析的估算模型开始建立,提高了沟蚀监测及预报的精度。[结论] 未来沟蚀研究应在植被恢复后极端降雨下沟蚀的形成、不同因素对于沟蚀过程的交互影响、沟蚀监测新方法的开发以及沟道侵蚀过程预测模型等方面加强工作。     

切沟侵蚀研究进展与展望

切沟是重要的侵蚀类型,是小流域侵蚀泥沙的主要来源,对其发生发展的动力过程、形态特征、监测方法及预报模型进行系统分析和总结,是揭示切沟侵蚀发生动力学机制、治理切沟侵蚀、保护土地资源的前提和基础。通过系统分析、总结切沟及切沟侵蚀概念、切沟形态特征与测量方法、影响因素、发育动力过程和预报模型等相关研究进展,明晰了切沟概念,对比了不同测定方法的优劣,量化了影响切沟发育的关键因素,明确了切沟发育各子过程的动力机制,比较了典型切沟侵蚀模型的结构与主控因素,提出了切沟侵蚀亟待加强的研究内容。为理解切沟侵蚀形成、发育动力过程、提高切沟侵蚀治理的有效性提供理论依据。