无人机倾斜摄影1:500不动产测量技术在侵蚀沟监测中的应用

以黄土高原王茂沟小流域典型支毛沟为研究对象,将消费级无人机与1:500倾斜摄影测量相结合,配合高精度的地面控制点,利用飞行控制软件GS RTK App规划井字形航线,模拟出多镜头倾斜摄影相机达到的效果,同时借助地面控制点获取倾斜、正射影像,使用Pix4D、Smart3D等软件构建了侵蚀沟高分辨率三维模型以及DOM、DE...     

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.     

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。     

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。     

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,着重分析了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是基本相同的,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%;由于相临两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。也就是说明,用卷尺测量切沟体积的年际变化是有效的。     

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。     

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。     

红壤坡面细沟侵蚀参数提取研究

为研究自然降雨条件下南方红壤区坡面细沟侵蚀形态,应用无人机摄影测量技术与计算机数字图像处理相结合的方法,提取了江西水土保持生态科技园内自然降雨条件下3个不同野外裸露小区坡面细沟形态参数并进行分析。结果表明:坡面细沟在中坡位的分布密度最大,其次是下坡位,最后是上坡位;细沟宽度随着坡长增加大致呈现两头宽中间窄的类U形;细沟深度随坡长的增大大致呈现先增大后减小的趋势;细沟宽深比大致随坡长的增加而减小,在接近坡底处达到最小值。     

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.     

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。     

天山北坡典型小流域侵蚀沟形态特征及其成因

[目的]揭示天山北坡典型小流域侵蚀沟发育规律,为侵蚀沟的预警及防治提供科学依据。[方法]选取天山北坡典型小流域10条侵蚀沟进行分析,采用野外实地调查与地理信息技术相结合的方法,对研究区侵蚀沟形态发育特征及其成因进行分析。[结果](1)研究区侵蚀沟特征值之间存在着一定的相关关系:横截面积与平均沟宽、平均沟深呈极显著正相关;沟壑面积与沟长呈显著正相关;沟壑体积与横截面积、沟壑面积呈极显著正相关关系,与平均沟宽、平均沟深呈显著正相关关系;沟长、平均沟宽、平均沟深相互之间无明显的相关关系,汇水面积与特征值之间也无明显的相关关系。(2)研究区侵蚀沟均是开析型侵蚀沟和弱度割裂型侵蚀沟。(3)研究区侵蚀沟密度与坡度呈正相关关系,坡度越大,密度越大;侵蚀沟密度与沟长无相关关系,侵蚀沟密度随沟长的增加呈先增加后减小的趋势;研究区典型侵蚀沟密度在南坡最大,西坡和西南坡的密度相对较小。[结论]坡度和坡向是影响小流域尺度侵蚀沟发育的重要地形因素。     

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。     

植被破坏与恢复对坡面浅沟侵蚀影响的研究

运用野外实测资料,分析研究了子午岭林区植被破坏与恢复对坡面浅沟侵蚀的影响。所得结论为:一旦植被恢复,坡面浅沟沟槽部位发生泥沙淤积,其淤积速度为0.5cm/a;浅沟沟槽部位淤积,坡面横向起伏减少,坡面向平直方向发展。人为破坏植被后的开垦地,坡面浅沟侵蚀急剧发展,浅沟侵蚀量为4400～7600t/（km²·a）,占坡面侵蚀量的47%以上;当年新冲刷的浅沟沟槽宽为20～80cm,深度为10～30cm;开垦3年裸露地与林地相比,浅沟沟槽深度增加40～60cm;浅沟沟头前进速度为3～5m/a,浅沟深、宽、长的逐年发展,坡面横向起伏加大,片蚀和细沟侵蚀随之加大,又促使了浅沟侵蚀的加剧。     

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。     

金沙江干热河谷冲沟形态发育特征及其侵蚀速率估算

冲沟侵蚀是金沙江干热河谷土壤流失的重要原因，造成严重的土地退化，威胁区域农业发展和粮食安全。探究冲沟的形态发育特征明确其侵蚀速率，对于冲沟侵蚀量化评估和土地保护等具有重要意义。为摸清冲沟发育演变规律，该研究选取元谋干热河谷金雷国家水土保持科技示范园区附近沟谷地貌流域为研究区，选择35条冲沟，通过无人机遥感影像提取冲沟形态参数，分析形态特征，并结合高分遥感影像计算冲沟侵蚀速率。结果表明：1）研究区冲沟直线长度、顶宽、底宽、深度的范围分别为25.21～180.43 、10.76～51.76、3.56～26.85、1.22～11.92 m；面积、体积的范围分别为257.50～8987.88 m²、142.64～19479.25 m³。冲沟形态参数差异性较大，长度在发育过程中受坡面限制小于其他地区。2）冲沟底部宽度和顶部宽度比值（BW/TW）的范围为0.24～0.59，冲沟主要为“V型”和“V～U型”；冲沟顶部宽度和深度比值（TW/D）的范围为2.56～26.29，均值为6.04，横向侵蚀速率远大于下切侵蚀速率。3）2015—2022年，35条冲沟中，19条长度明显增长，冲沟溯源侵蚀速率为0.02～1.10 m/a（均值0.34 m/a）；27条宽度明显增长，冲沟横向侵蚀速率为0.07～1.10m/a（均值0.36 m/a）；29条面积和体积明显增长，冲沟面积增长速率为1.64～105.40 m²/a（均值23.44 m²/a）；冲沟体积侵蚀速率为1.26～339.42 m³/a（均值51.21 m³/a）。冲沟横向侵蚀速率大于溯源侵蚀速率，在面积和体积增长中贡献较大。研究结果可为金沙江干热河谷地区大尺度冲沟的发育演变规律和侵蚀定量评估提供方法和依据。     

辽宁省侵蚀沟发育特性及地形分异特征

在不同层面对研究区数字高程模型(DEM)重分级,探讨地形因素对侵蚀沟发育的影响。以第一次全国水利普查侵蚀沟普查成果(2010年)与辽宁省第五次土壤侵蚀普查侵蚀沟普查成果(2015年)获取侵蚀沟分布数据,基于1∶50 000DEM获取侵蚀沟高程、坡度、坡向、坡长和空间分异特征。在地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术的支持下,分析辽宁省侵蚀沟发育特性与地形分异特征。结果表明:5年间研究区侵蚀沟密度增加0.02km/km~2,侵蚀沟高发区主要集中在辽西;70%以上区域密度变化值50m/km~2,大部分处于微度增加区;高程在325~350m时密度变化值最大;坡向上南坡、西南坡为密度变化高值区;坡度在1.5°~15°时密度变化曲线呈抛物线形,1.5°和15°时无明显变化;坡长在600~800m时密度变化值最大,坡长1 000m时密度变化值无明显差异。     

根系密度对黄土塬沟头溯源侵蚀产沙和形态演化过程的影响

为明确根系密度对黄土塬沟壑区沟头溯源侵蚀产沙和形态演化过程的影响,采用野外"人工模拟降雨+放水冲刷"试验方法,以裸地试验小区(CK)为对照,研究冰草根系密度试验小区(株行距:20 cm×20 cm,C1;15 cm×15 cm,C2;10 cm×10 cm,C3)的沟头溯源侵蚀产沙过程、沟头溯源距离、沟道下切深度及发育面积等特征。结果表明:1)与对照小区相比,草被小区(C1~C3)产沙量分别降低64.32%、70.31%、69.92%;冰草株行距为15 cm×15 cm时,减沙效益最大。2)对照小区沟头溯源侵蚀过程主要包括沟口形成、贴壁流侵蚀、跌水侵蚀和沟岸崩塌等;而草被小区沟头溯源侵蚀则由贴壁流侵蚀、跌水侵蚀和根土复合体崩塌导致,崩塌是草地沟头溯源的主要原因;各根系密度下沟头溯源距离与时间均呈极显著幂函数关系;与对照相比,草被小区沟头溯源距离缩短75.61%~78.87%。3)对照小区侵蚀沟纵断面呈阶梯形,存在缓冲平台,沟头近似矩形;草被小区则呈梯形和圆弧状。与对照相比,草被小区沟道平均下切深度加深1.64~1.92倍;沟道面积随根系密度增加而缩小,草被小区沟道面积较裸地缩小68.0%~74.0%。结果可为该区"固沟保塬"工作的实施提供科学参考。     

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。