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。     

基于激光雷达的农业耕作微地貌测量装置设计与试验

针对现有地表微地貌测量装置难以兼顾农业耕种作业后地表微地貌测量的精度和效率、部分测量装置单次测量覆盖区域不能满足统计要求的问题,设计了一套由激光雷达、直线导轨、便携式计算机和支架等构成的非接触式地表微地貌测量装置,开发了以STM32单片机为核心的步进电机驱动控制器,并与上位机软件形成整套采集系统,可实现激光雷达精确定位并快速获取地表三维坐标。该装置典型分辨率在激光雷达扫描方向为3. 8～10 mm,垂直扫描方向可在毫米精度范围内任意设置,测距分辨率为1 mm;测量区域覆盖面积典型值为6. 8 m~2,垂直扫描方向分辨率为10 mm时,单次测量时间低于2. 5 min。通过分析测量误差来源,建立了系统误差补偿模型,在15次均值滤波的条件下,该装置测量最大绝对误差为2. 7 mm,最大平均绝对误差为0. 9 mm。油菜机械直播后地表微地貌测量试验结果表明:利用Matlab生成的地表三维模型可以精确地重构原有地表微地貌特征,测量结果与实际地表高度变化吻合度较高;测量数据统计结果表明,固定区域内均方根高度和相关长度测量值需分别在16次和64次的等距采样下达到稳定均值,而畦沟相关评价参数也需要多组样本计算才具有统计意义。     

微地形DEM的最佳点云密度选取

[目的]通过对微地形DEM的最佳点云密度进行分析研究,从中选取出最佳点云密度,以实现高效、快速获取地表微地形观测结果的目的,既可降低计算成本,又能够保证观测精度。[方法]通过对多个扫描测次的点云数据进行深入的研究,确定出针对该数据最佳DEM水平分辨率为4mm,对原数据进行7种等级的压缩生成对应的DEM。采用平均误差、中误差、标准差3种最常见的DEM精度指标对生成的DEM进行精度评价分析。[结果](1)在点云压缩程度15%时,随着点云密度的减小,平均误差基本没有变化,维持在极低的数值上;点云压缩程度15%时,平均误差随着点云密度的减小而迅速的增大。(2)在点云压缩程度10%时,随着点云密度的减小,标准差基本没有变化;点云压缩程度10%时,标准差随着点云密度的减小而迅速增大。(3)在点云压缩程度20%时,随着点云密度的减小,中误差基本没有变化,维持在极低的数值上;点云压缩程度20%时,中误差随着点云密度的减小而迅速的增大。[结论]对比验证分析结果表明,20%的点云压缩密度为生成微地形DEM最佳的点云密度。     

水力侵蚀下砒砂岩区植被格局对微地形和侵蚀的影响

[目的]研究植被格局下微地形与侵蚀的关系,可为砒砂岩地区坡面侵蚀规律研究和水土流失防治提供理论参考。[方法]以砒砂岩区鲍家沟流域内的3种植被格局(均匀分布、聚集分布、随机分布)坡面为研究对象,通过自然降雨条件下采用野外径流小区实测结合三维激光扫描技术,分析了植被格局对微地形和侵蚀的影响。[结果]降雨后不同植被格局坡面的产流量、产沙量依次为裸坡坡面>聚集分布坡面>随机分布坡面>均匀分布坡面,与裸坡相比,均匀分布坡面的产流量、产沙量分别减少了64%,75%,其径流泥沙的拟合函数为Y=0.3619x^0.7309,R²=0.9866;不同植被格局坡面侵蚀—沉积的空间分布存在一定差异,与其他坡面相比,均匀分布格局坡面的土壤侵蚀强度最弱,侵蚀区面积最小,为12.38 m²,沉积区面积最大,为3.44 m²。不同植被格局坡面地形因子均随降雨呈现增大的趋势,且与裸坡坡面相比,聚集分布坡面地表粗糙度、地表起伏度、地表切割度、微坡度增幅最小,分别为5%,2%,0.5%,9%。聚集分布坡面地表粗糙度与产...     

不同播种方式微地形差异对坡耕地水土流失的影响

为减少坡耕地作物播种至出苗期间的水土流失,通过模拟降雨试验研究不同播种方式形成微地形对水土流失的影响,共设置6个处理,T1处理为深开沟播种(沟深20 cm),T2处理为浅开沟播种(沟深10 cm),T3处理为塘播,T4处理为起高垄播种(垄高20 cm,宽30 cm),T5处理为起低垄播种(垄高10 cm,宽15 cm),T6处理为无处理直接播种(空白对照),各处理分别以10°,15°,20°坡度在40,80,120 mm/h雨强下进行27场模拟降雨试验。结果表明：开沟和起垄播种处理都能有效减轻水土流失,各处理的水土保持效果为T1>T4>T2>T5,T3和T6间差异不显著,T1的水土保持效果最好,在各坡度和雨强下,较T6地表径流产生时间延缓65.9%～178.1%,入渗强度增大102.6%～195.1%,地表径流量减少75.6%～82.6%,土壤侵蚀量减少95.3%～99.1%。深开沟播种T1和起高垄播种T4能够很好地将雨水积留在沟或垄沟中,并且能有效防止沟中积水破垄或越沟流出,其中T1防止沟中积水越沟流出效果最好,仅在极少情况下发生。通过研究不同播种方式形成的微地形对...     

陕北黄土区阳坡阔叶混交林结构及点格局分析

为了确定陕北黄土区阳坡水土保持林合理的结构配置模式,在吴起县吴仓堡镇黄土西坡设置6.25 hm2大样地,实测山杏+小叶杨+刺槐阔叶混交林树木的胸径、树高等指标,分析林分空间分布特征,采用点格局分析法,探讨山杏、小叶杨和刺槐种群的分布格局及空间关联性.结果表明:1)山杏和小叶杨是该研究群落的优势种,刺槐是伴生种,山杏的优势地位明显;2)小叶杨种群以大、中径级林木为主,山杏种群以中、小径级林木为主,刺槐种群以小径级林木为主,林木整体生长状况欠佳,且小叶杨种群树高均值明显大于山杏、刺槐种群,林分复层结构明显;3)山杏、小叶杨和刺槐种群在0 ～125 m空间尺度内呈聚集分布,分别在尺度为47、65和104 m时达到最大聚集强度,林木主要分布在微地形上,最大聚集半径与林木聚集分布的微地形规模相吻合;4)山杏、小叶杨和刺槐种群在0 ～125 m空间尺度内,呈显著负关联,种间竞争激烈.黄土区干旱阳坡林分空间分布格局受微地形影响较大,应根据坡面微地形设计造林混交模式和布置种植点,并加强抚育管理.研究为该地区水土保持林草植被规划设计,提供理论依据和科学指导.     

灌水沟微地形及断面形状变异性对灌水质量影响及敏感性分析

为研究沟灌受水界面的时空变异性对灌水质量的影响,本文通过田间试验测试了灌水前后沟底微地形及断面形状的变化情况,并对实测数据进行了计算分析。结果表明:随时间推移,在灌水等多因素的影响下,表征沟底微地形起伏状况的S_d值呈现减小趋势,平均由3.45降至1.17,变异性逐渐减小,变异系数平均由0.17降至0.09,沟底微地形逐渐趋于平整;表征沟断面形状变异情况的P_1值标准差及变异性呈现增加趋势,标准差平均由1.68增至1.95,变异系数平均由0.47增至0.53,但总体来说属弱变异性;随沟底相对高程及断面形状参数标准差的增加,灌水质量指标均呈现降低趋势;通过敏感性分析,两影响因素对灌水均匀度的影响大于灌水效率,平均敏感系数大9.46%和11.84%,且沟底微地形变异的影响大于沟断面形状变异。     

Research on wind erosion processes and controlling factors based on wind tunnel test and 3D laser scanning technology

The study of wind erosion processes is of great importance to the prevention and control of soil wind erosion. In this study, three structurally intact soil samples were collected from the steppe of Inner Mongolia Autonomous Region, China and placed in a wind tunnel where they were subjected to six different wind speeds (10, 15, 17, 20, 25, and 30 m/s) to simulate wind erosion in the wind tunnel. After each test, the soil surfaces were scanned by a 3D laser scanner to create a high-resolution Digital Elevation Model (DEM), and the changes in wind erosion mass and microtopography were quantified. Based on this, we performed further analysis of wind erosion-controlling factors. The study results showed that the average measurement error between the 3D laser scanning method and weighing method was 6.23% for the three undisturbed soil samples. With increasing wind speed, the microtopography on the undisturbed soil surface first became smooth, and then fine stripes and pits gradually developed. In the initial stage of wind erosion processes, the ability of the soil to resist wind erosion was mainly affected by the soil hardness. In the late stage of wind erosion processes, the degree of soil erosion was mainly affected by soil organic matter and CaCO₃ content. The results of this study are expected to provide a theoretical basis for soil wind erosion control and promote the application of 3D laser scanners in wind erosion monitoring.     

大渡河上游干桥沟泥石流发育特征与防治方法

通过野外调查与实地勘测,在查明泥石流的形成背景条件及灾害特征的基础上,分析了干桥沟暴发大规模泥石流灾害的成因,计算了泥石流运动特征参数,探索了泥石流沿沟道的演化过程及机理,提出了相应防治方法。研究结果表明:干桥沟为高频大规模泥石流,具有暴发频率高、成灾速度快、运动过程短、危害严重的特点;受沟道微地貌影响,泥石流沿沟道演化过程具有“小淤大冲、聚小成大”的特征,是形成大规模泥石流灾害的主控因素;受物源点活动趋势的控制,干桥沟常态工况下的泥石流的暴发规模和频率呈降低趋势,对沟口危害较小,但受泥石流聚小成大的演化规律影响,在极端暴雨工况下将暴发大规模以上灾害,危害县城安全。针对泥石流特征,提出“以固源、稳沟、拦挡为主,辅以消能、排导”的治理方法;同时对白呷衣滑坡变形进行监测,加强泥石流灾害的预警。