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％。     

基于三维激光扫描技术的粮食储量监测系统的设计与试验

为实现仓储粮储量在线实时监测,该研究开发了一种基于三维激光扫描技术的粮食储量在线监测系统。采用自主研制的倒置式粮仓专用型三维激光扫描仪对储粮进行扫描,通过上位机通讯、采集点云数据并控制扫描仪的工作过程,应用粮食体积计算软件实时计算储粮体积和数量,从而解决了仓储粮储量快速高精度监测的问题。使用该系统在中储粮某直属库进行系统验证试验,结果表明,测量得到的粮食体积满足最大误差不超过1%的技术指标,且经过多次试验检验,系统具有较好的稳定性、测量精度高、操作简便等优点,能够满足仓储粮储量监测的要求。该研究为实现仓储粮储量的快速实时在线监测提供了有效的方法。     

地表微地形测量及定量化方法研究综述

地表微地形测量是地表粗糙度定量化的基础,对地表形态动态监测、水文过程模拟以及土壤侵蚀过程模型的构建具有重要意义。目前,微地形测量方法主要分为接触式和非接触式2大类,前者包括测针法、链条法、差分GPS法等,后者包括超声波测距法、红外线传感器法、结构光激光扫描法、激光测距扫描法、三维激光扫描仪法、近景摄影测量法等。在全面回顾各方法原理、优缺点及其应用的基础上,分析地表粗糙度定量化常用方法：统计方法指数、地统计学指数和分形及多重分形模型。认为：1）差分GPS法、结构光激光扫描法、三维激光扫描仪法和近景摄影测量法将在亚毫米一,厘米级地表微地形测量及地表粗糙度多尺度特征研究中发挥重要作用,同时简单、方便的测针法可能在野外测量中依然占据主导地位;2）以地表微地形测量技术为基础,在土壤侵蚀过程模型中亟需形成一套完整的“测量一定量化一模型应用”范式,同时应加强对地表微地形空间异质性和各向异性的研究,发展新的统一的地表粗糙度定量化方法。     

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。     

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.     

新技术在开发建设项目水土保持监测中的应用

针对开发建设项目水土流失的特点,在分析现有监测技术方法的基础上,提出了运用新技术开展项目监测的方法。通过分析和初步试验认为,利用遥感技术可以快速监测项目建设前后土地利用动态变化;GPS除能完成定位外,可以监测弃土弃渣体积和堆弃渣面积;三维激光扫描仪可以精确监测堆弃渣坡面、管线工程边坡的水土流失量;基于普通数码相机的摄影测量技术可以监测弃土弃渣、开挖量等指标。     

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。     

三维激光扫描技术在开发建设项目水土保持监测中应用初探

运用Optech ILRIS 36D地面三维激光扫描仪对某水电工程取料场开挖边坡进行三维扫描,获取料场同一边坡不同时期的三维点云数据.在Polyworks软件下,对获取的不同时期三维点云数据进行处理,建立模型,并在此基础上通过模型计算,在料场开采扰动面积、实施水土保持工程措施面积、料场开采量及其动态变化等方面获得较为准确的监测结果.     

基于PS-InSAR技术监测土壤侵蚀可行性研究

近年来,永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术(Persistent Scatterer Synthetic Aperture Radar Interferometry,PS-InSAR)快速发展,为宏观尺度的地表形变监测提供了契机,但该技术在国内尚未应用于土壤侵蚀监测研究。该研究尝试利用PS-InSAR方法监测内蒙古和林格尔县的土壤侵蚀情况。首先通过Sentinel-1A卫星数据时序差分干涉,获取地表累计形变点云;然后基于土壤侵蚀物候特征,构建时间域和空间域的多尺度滤波流程,从地表累计形变点云中筛选出土壤侵蚀点;最后将土壤侵蚀点与多源数据叠加分析,评价区域土壤侵蚀分布的时空特征。方法运行结果表明,研究区2017至2018年共计有10596处土壤侵蚀点。侵蚀点云主要分布在山区平原过渡区域,平均侵蚀速率为15mm/a,侵蚀营力为风力水力混合。经实地验证,监测侵蚀点与实际侵蚀发生地的对应准确度为86.4%,高程方向总体监测精度为厘米级。研究表明,改进后的PS-InSAR技术可以用于监测土壤侵蚀,且具有宏观性、精确性、长期性、经济性的优点。     

便携三维激光扫描仪在水土保持设施验收中的应用研究

便携三维激光扫描仪具有体积小、易携带、采样快、精度高等优势,能在水土保持设施验收中快速、准确地采集数据,以提高核查质量、监测效率,节约成本。通过模型叠加对比,可直接精确计算出边坡土壤侵蚀量、弃土堆积量及取土挖方量,填补生产建设项目水土保持设施验收中无快速定量方法的技术空白,并可大幅度提高水土流失监测工作的自动化程度。根据生产建设项目特点,选取边坡侵蚀量计算、弃渣场弃渣量计算、取土场取土量计算,验证校核便携式三维激光扫描仪的准确性,并就研究方法、技术路线形成理论体系,以确定便携式三维激光扫描仪在生产建设项目中水土保持相关工程量核算上应用的可行性。     

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。     

3D激光扫描测量开发建设项目堆弃土边坡侵蚀强度的试验研究

为了提高开发建设项目水土保持监测中侵蚀强度测量的效率和精度,尝试使用3D激光扫描仪对排土场堆弃土边坡进行土壤流失量监测,并与常用的测钎法进行比较。结果表明:在同一水土流失坡面同时期的监测中,传统测钎法的监测结果与3D激光扫描法监测的结果偏差为13.26%;3D激光扫描仪具有较高的土壤形态变化记录性能,相对传统的监测方法具有较高的监测精度。     

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°。     

基于三维激光扫描仪的坡面细沟侵蚀动态过程研究

 利用三维激光扫描仪探索多场降雨情况下同一坡面细沟侵蚀的动态过程,为解释细沟侵蚀过程提供一定的理论依据。采用室内人工模拟降雨,在坡度为15°的土槽上进行恒降雨强度的7场降雨冲刷实验,利用三维激光扫描仪对每场降雨冲刷后的坡面形态进行了监测,定量分析坡面细沟侵蚀的动态发育过程。结果表明：前2场降雨与后5场降雨产流产沙过程和细沟侵蚀发育过程有较大差异,细沟从第3场降雨开始明显发育。表现为小跌水一下切沟头一断续细沟一连续细沟一细沟沟网的发育过程。通过三维激光扫描仪精确监测7场降雨坡面各点微地形变化,发现细沟平均沟宽、平均沟深、沟长最大值、细沟平均密度在前2场降雨增长幅度较小,至第3场降雨后开始迅速增人,细沟侵蚀强度不断加强。侵蚀强度由第1场降雨的0. 103 kg/m2发展至第7场降雨的8.788 kg/m2,增加了84倍。     

激光扫描技术在坡耕地土壤侵蚀监测中的应用

为了研究激光扫描技术应用于土壤侵蚀监测的可靠性,利用3D激光地貌分析仪对黑龙江省水土保持科技示范园内坡耕地径流小区土壤侵蚀进行监测.采用恒定降雨强度(20、40、60、80、100和120 mm/h)对径流小区进行连续6次等历时(30 min)人工降雨,每场降雨前后使用3D激光地貌分析仪对小区内不同位置的坡面形态进行扫描,并与集流桶收集土壤侵蚀量进行对比分析.结果表明:3D激光扫描分析法与集流桶测量法得到的土壤侵蚀量之间具有良好的线性相关关系,3D激光地貌分析仪用于径流小区内土壤侵蚀测定具有较高的精度与可靠性.     

子午岭地区坡面浅沟侵蚀临界模型研究

利用子午岭地区梁坡高精度的GPS（Trimble 5700）实测数据对国内外已有的浅沟侵蚀临界模型进行了验证。结果表明,已有浅沟侵蚀临界模型模拟的子午岭地区浅沟侵蚀分布面积或大于实际浅沟侵蚀区的10%～40%,或小于实际的20%～35%。基于子午岭地区实测的梁坡GPS数据建立高分辩率的DEM,构建了适用于子午岭地区的浅沟侵蚀临界模型。利用实测GPS数据对所建浅沟侵蚀临界模型进行验证,发现用新建的浅沟侵蚀临界模型模拟的研究区梁坡浅沟侵蚀分布区与野外实际浅沟侵蚀分布区非常吻合,其误差仅为5%。     

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。