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。     

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。     

基于三维点云数据的苹果树冠层几何参数获取

针对果园环境下苹果树冠层参数获取精度较低的问题,提出了基于地面三维激光扫描仪高精度获取苹果树冠层参数的方法.选用Trimble TX8地面三维激光扫描仪作为苹果树冠层三维点云数据采集设备,提出了基于标靶球的KD-trees-ICP算法,用于高精度配准苹果树冠层三维点云数据.研究了平均风速小于4.5 m/s时,距离地面三维激光扫描仪不同远近条件下的标靶球配准残差和拟合误差的变化规律,分析结果表明,标靶球平均配准残差为1.3mm,平均拟合误差为0.95 mm,低于大场景测量配准误差要求(5mm).为了提高有风环境下提取苹果树冠层参数的精度,研究了0.9～4.5 m/s区间平均风速影响下的苹果树冠层枝干、果实、叶片的三维点云质量,建立了风速与叶片侧面厚度的曲线拟合模型,分析结果表明,在果园平均风速小于1.6 m/s时可以从苹果树冠层三维点云数据中提取高精度冠层参数.利用地面激光三维扫描仪获取距离苹果树12 000 mm以内冠层参数,测量精度高于人工测量,相对误差小于4％,为果树高通量信息获取提供了技术支持.     

晋西黄土区切沟断面特征及体积估算模型

断面特征不仅能反映切沟发育环境因子,亦有助于揭示切沟侵蚀规律;体积是表征切沟侵蚀量的关键参数,建立体积估算模型对大空间尺度切沟侵蚀定量研究有重要意义。该文选取晋西黄土区蔡家川流域为研究区,利用三维激光扫描全站仪获取31条切沟地形数据,构建切沟高精度地面高程模型(DEM),分析切沟断面特征,建立体积估算模型。研究结果表明:(1)切沟顶宽、底宽、沟深和断面面积的均值分别为9.0 m、3.8 m、6.2 m和41.8 m2,切沟断面参数值从沟头、沟中到沟口均逐渐增大,仅沟深差异不显著;断面顶宽与沟深之比的均值为1.55,说明切沟横向侵蚀速率大于沟底下切速率;与沟中、沟口相比,沟头宽深比最小。(2)回归分析显示,晋西黄土区切沟体积(V)与沟长(L)及面积(A)之间均具有显著的幂函数关系,方程的决定系数分别为0.68和0.85;平均相对误差和纳什系数显示,与V–L模型相比,V–A在预测切沟体积上更具优势。因此,建议将回归方程V=1.7097A1.1356作为晋西黄土区切沟体积估算的模型。该研究结果可为大空间尺度切沟侵蚀定量模拟、空间分布制图等提供方法和依据。     

黄土高原侵蚀地面光谱成像测量系统

<正>黄土高原侵蚀地面光谱成像测量系统融合高光谱成像技术和激光雷达技术,可便携式测量黄土高原侵蚀地貌中植被、土壤、岩石、水体等各类物体在350～2 500 nm波段范围的反射光谱信息,构建黄土高原地物光谱库,对目标地物进行快速、准确、有效识别;并将高光谱成像技术和激光雷达技术相结合,同步获取高光谱影像和激光雷达点云数据,形成先进的对地立体成像综合定性定量探测系统,共用IMU/GPS参数,实现对黄土高原野外侵蚀形态的精准测量和侵蚀过程快速成像。     

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.     

西藏中南部侵蚀沟形态无人机航测与传统地面测量的对比分析

[目的]分析无人机和传统地面方法测量侵蚀沟形态的差异,研究无人机影像提取西藏地区侵蚀沟形态的适宜性,以期准确、快速获取西藏地区沟蚀参数,为该地侵蚀沟快速调查与防治提供基础资料。[方法]选取6个研究地点20条侵蚀沟,对实地测量与无人机正射影像提取的沟长、沟宽进行对比分析。[结果]与实地测量相比,影像提取侵蚀沟沟长的平均偏差集中在2%～5%;沟宽的平均偏差集中在0～40%,其中实测沟宽范围在400～1 000 cm时,提取值和实测值的偏离程度最低。在6个研究地点中,影像提取值的偏离程度和侵蚀沟所处位置没有明显的关系。沟缘土质、沟缘线附近的植被及放牧对沟缘的踩踏是影响侵蚀沟形态提取的主要因素。[结论]无人机遥感可为西藏地区沟蚀监测提供便捷、可靠的数据源。     

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。     

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。     

不同光照条件对侵蚀沟三维重建精度的影响

为深入探究不同光照条件下无人机重建三维模型精度的差异,在晴天以及阴天条件下,采用无人机摄影技术获得4期数字表面模型,并分别以RTK(real-time kinematic)测量的高程点和三维激光扫描仪获取的数字高程模型为基准,在典型剖面和整个侵蚀沟2个不同尺度上,分析在不同光照条件下侵蚀沟三维重建的高程精度差异。结果表明：(1)典型剖面尺度上,阴天构建的模型高程精度最高,晴天中午的高程模型精度相较于上午和下午的更高,而剖面阴影区高程误差比非阴影区增加0.138～0.217 m。(2)整个侵蚀沟尺度上,阴天条件下航测的高程模型的均方根误差达到最小仅为0.155 m;对于晴天的不同时段,中午航测所得的DSM高程误差最低,但仍比阴天DSM的高程误差高0.411 m;综合晴天的3期高程模型,阴影区高程误差比非阴影区增加0.250～0.346 m。(3)从不同坡向来看,阳坡的高程误差最低,而阴影面积的增加导致其他坡向误差进一步加大。光照产生的阴影显著降低高程模型精度,研究结果可为基于无人机的侵蚀沟航测制图研究提供参考。     

黄土高原典型小流域侵蚀沟形态和稳定性监测初探

[目的]在黄土高原地区选择6条典型小流域,开展侵蚀沟形状特征、发育程度、形态变化等监测,对侵蚀沟稳定性进行分析,初步构建侵蚀沟稳定性评价指标体系。[方法]在雨季前后2次对6条典型小流域主沟道代表性断面、支毛沟代表性断面、支毛沟的沟头进行亚米级精度测量。[结果]获得了6条典型小流域各等级侵蚀沟数量和各流域沟道主断面、支毛沟沟道断面、支毛沟沟头变化数据,并对其进行了分析。初步构建了侵蚀沟稳定性评价指标体系。[结论]影响沟道形态变化的因素基本总结为:降水因素、水保措施、植被覆盖因素、汇水面积、坡度、地表组成物质等。     

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。     

植被覆盖度的照相测量及其自动计算

植被覆盖度是描述陆地表面植被特征的一个重要参数.快速准确的测量植被覆盖度,对研究植被覆盖与土壤侵蚀关系,植被覆盖的水土保持效益,以及土壤侵蚀预报等具有重要意义.在多年实践的基础上研制出的便携型植被覆盖度摄影仪,适用于野外平地或山坡的植被覆盖度的照相测量,能方便地调节相机距地表面高度和增强相机的拍摄稳定性.同时开发了便携型植被覆盖度摄影仪的配套软件--植被覆盖度自动计算系统(PCOVER),能对获取的植被图像进行自动判读并估算植被覆盖度,实际应用显示有很好的判读精度.     

多土壤信息测量传感器的硬件系统集成设计（英）

土壤在作物的生长过程中起到了重要的作用,所以对于基于决策的作物生产管理,土壤信息是必需的。传统的土壤取样获取土壤信息技术耗时且成本高,尤其是对于大规模农田土壤信息测量。目前一些近地面的可连续测量的土壤信息传感器技术能够提供高精度的数字土壤信息地图,然而这些商业化的技术成熟的传感器通常需要单独使用。该文提出了将γ射线光谱仪GR320、利用电磁感应原理的EM38和EM31以及Veris 3100和Veris pH这些可在农田近地面连续测量的土壤特性测试传感仪器集成在一起同时使用的方案,介绍了此集成系统的硬件设备和相关特性参数以及今后需要继续研究解决的问题。利用该系统可一次获得不同的土壤特性参数数据,如土壤矿物质含量,不同深度的土壤电导率值和土壤pH值等,可避免多次测量车辆行走对土壤的压实。多传感器数据之间的互相补充可以进一步提高且更有利于精确农业中基于土壤信息的决策规划。该系统适用于大面积农田土壤特性测量。     

基于地面激光雷达的田间花生冠层高度测量系统研制

在花生育种研究中对于冠层高度的获取主要依靠人工测量,不但费时费力,而且存在一定的主观性。为解决这一问题,该文构建了一个田间花生冠层高度特性表型信息获取系统,利用地面激光雷达Li DAR对花生冠层结构进行扫描,获取其三维点云数据;采用多项式曲线拟合算法对点云数据进行分析,描绘冠层的大致轮廓并确定其边界,以得到目标冠层的有效数据集;通过对有效点云数据集生成的冠层高度矩阵分析,得到冠层的高度特性。试验结果表明,利用该系统获取的花生冠层平均高度与手工测量值最小偏差为2%,最大偏差为32%,最大偏差受地形影响和植株早期冠层本身的低高度所致,平均测量偏差约为11%,位于15%的可接受范围之内。该系统可以实现田间花生冠层高度信息的快速自动化获取,减少了人力成本的投入,该研究可为花生育种研究提供参考。     

珠江三角洲网河区顶点河道断面侵蚀形态的演变

[目的]研究断面形态的演变特征,给上游来水来沙、人类活动影响的分析提供检验,也为下游水文地貌的演变提供科学依据。[方法]利用珠江三角州网河区三水站和马口站资料,通过提取反映河道断面侵蚀形态的指标,采用模拟退火算法优化的投影寻踪模型,综合解析河道断面侵蚀形态的演变特征。[结果]由于三水站2009年的虚实比远大于其他年份的虚实比,2009年三水站断面侵蚀形态异于其他年份外,其他年份侵蚀形态的变化较为缓和;对于马口站而言,尽管该断面的侵蚀形态变化较多,但综合5项反映河道断面侵蚀形态指标来看,该断面形态的变化类型总体上可以划分成2种侵蚀类别。[结论]总体上,21世纪初马口和三水站断面比20世纪90年代过水断面增大,断面的过水能力有加大的趋势。     

松辽流域景观分类研究

应用NOAA AVHRR数据对松辽流域进行季相变化的对比分析 ,并结合实地调查资料、历史资料和部分TM卫片等 ,绘制遥感和GIS支持下的 1km分辨率土地覆盖图 ,以此为基础底图并利用从遥感数据中直接获取的地形数据等 ,再根据气候和地貌特征将松辽流域景观分为 3个大区、 9个小区。在景观类型区划分的基础上 ,依据地貌类型 ,土壤侵蚀强度、土地覆盖类型等将松辽流域划分为 5 0 0多个景观类型 ,从而为长期、宏观、动态地监测土地覆盖和建立全国土地覆盖数据库和景观分类数据库打下了坚实的基础。     

应用激光测量数据分析流域泥沙移动状态

激光测量技术的快速发展,并在多个领域得到应用。在水土保持领域,可为分析泥沙移动状态提供最有效方法。2009年日本学者松冈晓等人应用航空激光测量对流域泥沙进行动态研究。求出不同时段的海拔差量,成功获得泥沙流动量的动态信息。实践证明,航空激光测量数据在流域流出的泥沙量比较上,基本吻合。并证明从崩塌裸地坡面的峡谷侵蚀和小规模崩塌产生的泥沙量比坡面崩塌产生泥沙更容易。但日本的航空激光测量研究,通过过滤等可剔除植物的影响有限。分析结果还残存着植物对数据影响。特别进行差量处理分析时,对泥沙产生量有大的影响。在此方面,有待于进一步研究,提高过滤的手段和方法,将植物的影响降到最小。此项研究将为水土流失监测提供一种先进技术。     

流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究

流域内降雨—径流—土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取将为侵蚀模拟—预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。本研究提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统,系统中的量水堰和水位传感器用于测量径流流量,用薄层水流流速测量系统测量坡面流及流域沟道中的水流流速,用径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量,数据采集控制及存储系统实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更加自动化和可操作化方向发展。     

黄土高原降雨侵蚀力时空分布

降雨侵蚀力时空分布规律定量研究是进行土壤侵蚀预报的基础。利用231个气象站多年平均年雨量资料估算了黄土高原地区多年平均降雨侵蚀力,并绘制了等值线图。利用17个气象站日雨量和日雨强资料估算了半月降雨侵蚀力及其年内分配特征。全区降雨侵蚀力变化于327~4416MJ.mm/(hm2.h.a)之间,等值线图显示降雨侵蚀力的空间分布与年降水量的空间分布规律十分相似,大致从东南向西北递减。半月降雨侵蚀力占年侵蚀力的累积频率表,为估算土壤侵蚀方程中土壤可蚀性因子和植被覆盖—管理因子提供了基础。侵蚀力年内分配集中度指标反映出黄土高原R值年内分配集中度很高,且多集中在6—9月,集中度最大的达96.4%,最小的也有66.9%。