羅 斌，張 勇，張志偉，倪世民，張 歆，王軍光

激光掃描和攝影測量在坡面侵蝕演變過程的適用性

羅 斌1，張 勇2，張志偉1，倪世民1，張 歆2，王軍光1※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，武漢 430070；2. 長江水利委員會長江流域水土保持監(jiān)測中心站，武漢 430010）

為研究激光掃描和攝影測量技術(shù)在監(jiān)測坡面侵蝕演變過程中的精度及適用性，該研究利用近景攝影測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)對長歷時條件下坡面侵蝕演變過程進(jìn)行監(jiān)測，獲取不同時段的坡面微地形數(shù)據(jù)，基于坡面高精度數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）對坡面侵蝕演變過程進(jìn)行分析，探究2種非接觸式測量方法在坡面侵蝕監(jiān)測中的適用性和精確度。結(jié)果表明：1）按主導(dǎo)侵蝕方式的不同，坡面侵蝕過程可分為片蝕階段、細(xì)溝發(fā)育階段和細(xì)溝成熟階段；2）2種非接觸式測量方法均能夠精確地對坡面侵蝕產(chǎn)沙過程進(jìn)行監(jiān)測，最大相對誤差為?16.82 %，2種方法在坡面侵蝕量測量方面有很好的適用性。3）近景攝影測量技術(shù)在坡面侵蝕產(chǎn)沙監(jiān)測、細(xì)溝深度測量和坡面微地形模擬方面要優(yōu)于三維激光掃描技術(shù)。該研究可土壤坡面侵蝕監(jiān)測方法的選擇提供參考。

坡面；侵蝕；土壤；近景攝影測量技術(shù)；三維激光掃描技術(shù)；對比

0 引 言

土壤侵蝕會造成耕地破壞、農(nóng)田肥力降低，進(jìn)一步加劇現(xiàn)已十分緊張的人口、糧食和環(huán)境矛盾，嚴(yán)重影響人類的生存和發(fā)展[1]。坡面作為土壤侵蝕發(fā)生的基本單元，研究其侵蝕演變過程對深入土壤侵蝕機理研究具有重要意義[2-3]。

長期以來，眾多學(xué)者就坡面侵蝕開展了大量調(diào)查和研究。在早期，相關(guān)土壤侵蝕研究多基于野外天然降雨條件下展開。然而，天然降雨具有很強的不確定性，對于進(jìn)一步深入土壤侵蝕機理研究具有較大限制。因此，目前多采用室內(nèi)人工模擬降雨進(jìn)行土壤侵蝕機理研究，在此條件下，有關(guān)學(xué)者對土壤坡面侵蝕的發(fā)生以及演化過程開展了一系列研究，剖析了坡面侵蝕的關(guān)鍵過程和影響因子[4-5]。盡管土壤侵蝕過程和侵蝕機理等相關(guān)研究在不斷深入，然而研究中常用的傳統(tǒng)填土法[6]、直尺測量法[7]和測針板法[8]等方法，因效率低、對坡面擾動大、易受人工讀數(shù)誤差影響等原因展現(xiàn)了較大的局限性。

近年來，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，諸如近景攝影測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)[9-10]等非接觸式測量方法因測量效率高、誤差小等特點被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕監(jiān)測和測量中。Gao等[11]基于三維激光掃描，提出基于點云數(shù)據(jù)和地形變化信息的侵蝕量計算方法；Jiang等[12]在室內(nèi)模擬降雨條件下，借助數(shù)字近景攝影測量技術(shù)監(jiān)測連續(xù)降雨期間坡面細(xì)溝侵蝕的動態(tài)過程，對細(xì)溝侵蝕過程進(jìn)行研究；明旭輝等[13]利用近景攝影測量計算凍融坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的產(chǎn)沙量，與實測值間的誤差平均精度為90.67%。李俊利等[14]利用攝影測量技術(shù)和三維激光掃描對坡面侵蝕溝進(jìn)行三維重建，通過對比2種技術(shù)估算的侵蝕量發(fā)現(xiàn)，二者相對誤差僅為8.05%。

綜上，已有研究證實了三維激光掃描和攝影測量技術(shù)在坡面侵蝕試驗中的可行性，但對于二者在坡面侵蝕過程中精度對比及其適用性尚不明確，尤其是在細(xì)溝形態(tài)特征方面的對比研究仍有不足。

因此，本文基于室內(nèi)人工模擬降雨試驗利用2種非接觸式測量方法對土壤坡面侵蝕過程進(jìn)行監(jiān)測，研究坡面侵蝕的動態(tài)變化過程，分析坡面細(xì)溝形態(tài)特征的演變，同時對2種非接觸式測量方法的測量精度進(jìn)行對比，并對2種方法侵蝕監(jiān)測試驗中的適用性進(jìn)行評價，以期為土壤坡面侵蝕監(jiān)測方法的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗土壤為花崗巖母質(zhì)發(fā)育紅壤，采自福建長汀縣的典型侵蝕區(qū)，根據(jù)林分調(diào)查（植被群落）、裸露程度和田間土壤剖面的診斷，在崩崗侵蝕區(qū)附近分別選擇了位于坡中位置的4個采樣點，采樣點的剖面構(gòu)型為A-B-BC-C型，由淋溶層（A，0～0.3 m）、淀積層（B，0.3～6 m）、過渡層（BC）和母質(zhì)層（C）組成。采樣點按發(fā)生層次自下而上分別采集母質(zhì)層、淀積層和淋溶層的土壤作為試驗材料。采樣過程中盡可能選擇剖面結(jié)構(gòu)完整、地形、土地利用方式一致的樣地進(jìn)行采樣。淋溶層土壤采集時在采樣點15 m半徑范圍內(nèi)按照“S”形選擇了10個樣點，采集土壤后將其混合作為試驗材料；下層土壤則在挖取的典型剖面上采集。上述土樣被帶回實驗室后，將其進(jìn)行自然風(fēng)干，并通過10 mm篩網(wǎng)對土樣進(jìn)行篩分，去除根系等雜質(zhì)后備用，試驗還采集了散土樣和3個重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣（100 cm3）用于測量土樣基本理化性質(zhì)。試驗土壤的理化性質(zhì)采用常規(guī)方法[15-16]測定，其基本的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗土樣的基本理化性質(zhì)

1.2 室內(nèi)試驗設(shè)計

模擬降雨試驗采用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院水土保持研究中心降雨大廳下噴式模擬降雨器（西安清遠(yuǎn)，QYJY-503T）[17-18]。該降雨器的噴頭組有小、中、大3種規(guī)格的噴頭組成，3個噴頭在空間上重合疊加，形成一個雨強分布均勻的降雨區(qū)，降雨均勻度大于90%。降雨高度為10 m，降雨雨滴通過噴頭下噴后在地面可以達(dá)到雨滴終速。降雨器通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴頭組合和上水壓力可以實現(xiàn)15～220 mm/h的降雨強度范圍。

本研究在模擬降雨過程中根據(jù)試驗?zāi)康氖褂玫耐敛垡?guī)格為4.0 m（長）×2.0 m（寬）×0.60 m（高），可填土深度為0.50 m，坡度可在0°～45°之間調(diào)節(jié)。槽下端安裝V型鋼槽用于收集徑流和泥沙，土槽底板均勻分布有排水孔。土槽邊框貼有鋼尺，便于快捷獲取坡面位置。土槽分為左右平行兩區(qū)，土槽兩側(cè)設(shè)置9個非對稱標(biāo)靶，用直尺量測標(biāo)靶位置，作為攝影測量建?？刂泣c（圖1）。試驗土槽內(nèi)從下至上依次按環(huán)刀測得的容重填裝厚度為15 cm的母質(zhì)層、20 cm的淀積層及15 cm的淋溶層土壤。在試驗開始前，對土槽內(nèi)土壤進(jìn)行多次干濕循環(huán)和長達(dá)2個月的靜置沉降，以使土壤層次和顆粒盡可能接近自然條件。土槽采用分層填裝的方法，邊填土邊壓實，以每層5 cm的增量進(jìn)行填裝，將土壤壓實后，使用水平儀將土壤表面調(diào)整平整。在正式試驗開始前，在2種土槽的土壤表面覆蓋一層紗網(wǎng)（孔徑2 mm），使用20 mm/h雨強對其進(jìn)行預(yù)濕潤處理，直至坡面開始產(chǎn)流為止。紗網(wǎng)距離坡面表面高度為10 cm，以降低雨滴打擊對表土結(jié)構(gòu)的影響。預(yù)濕潤降雨的目的有3個：1）保持下墊面土壤初始含水量一致；2）通過降雨濕潤作用固結(jié)表面分散孤立的土壤顆粒；3）減少下墊面表面條件的空間變異性。在預(yù)濕潤后，用塑料布將試驗土槽遮蓋，將其靜置24 h自由排掉重力水。當(dāng)使用時域反射儀（Time Domain Reflectometry，TDR）測定的坡面土壤含水率降至30%±0.5%時，開始進(jìn)行試驗。

圖1 土槽和標(biāo)靶布設(shè)位置

在試驗開始前，降雨強度設(shè)定為（90±5）mm/h，在降雨器或供水流量穩(wěn)定后率定降雨強度和上方匯水流量，當(dāng)降雨強度或流量實測值和目標(biāo)值的差值小于5%時正式試驗，雨強通過放置在土槽周圍的6個雨量筒進(jìn)行監(jiān)測，匯水流量通過稱質(zhì)量法進(jìn)行測定?；趯Σ蓸狱c集水區(qū)坡度的原位調(diào)查，降雨試驗均在15°坡度上進(jìn)行，這個坡度也是中國低山丘陵區(qū)坡耕地的常見坡度[19-20]。試驗開始后，觀察并記錄坡面的初始產(chǎn)流時間、細(xì)溝出現(xiàn)的時間和位置等，量測細(xì)溝的溝頭位置和深度。坡面產(chǎn)流后，0～60 min內(nèi)每隔1 min，>60～180 min內(nèi)每隔3 min，>180～600 min內(nèi)每隔6 min，>600～3 000 min內(nèi)每隔12 min，>3 000～6 000 min內(nèi)每隔20 min，接取一次徑流泥沙樣，接樣時間為1 min，每組接樣裝置包括2個250 mL鋁盒和一個12 L接樣桶，其中鋁盒用于計算徑流含沙量。同時，試驗過程通過安裝在土槽上方降雨器上的高清相機（Sony6300）每隔10 s進(jìn)行全程拍照，記錄細(xì)溝發(fā)育過程和表面形態(tài)的動態(tài)數(shù)據(jù)。單場模擬降雨或徑流試驗的持續(xù)時間為坡面產(chǎn)流后1 h，每2場間歇性降雨時間之間間隔24 h，降雨總計100 h。降雨后，觀測坡面表面形態(tài)，使用三維激光掃描技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)分別記錄坡面表面微地形形態(tài)，獲取表面數(shù)字點云信息。同時，使用直尺法每隔10 cm測量坡面各條細(xì)溝的長度、寬度和深度。

1.3 數(shù)據(jù)采集

1.3.1 數(shù)字近景攝影測量

每場降雨后，將土槽放平，利用數(shù)碼相機（Sony6300）從不同角度和高度對坡面進(jìn)行拍攝，采集坡面微地形信息。照片位置重復(fù)率控制在70%以上。坡面影像采集完畢后，導(dǎo)入到Agisoft Metashape Professional軟件中。通過軟件中的相機標(biāo)定工具利用試驗相機的標(biāo)定參數(shù)完成拍攝照片的畸變標(biāo)定，借助對齊照片工具和建立密集點云工具完成點云匹配并建立試驗所需要的高密度點云。

1.3.2 三維激光掃描技術(shù)

在每場降雨后，將土槽放平，以減少掃描死角。由于試驗場地限制，三維激光掃描儀的架設(shè)位置在距土槽左右兩側(cè)最遠(yuǎn)2 m以內(nèi)。因為試驗土槽面積較大、高度較高等原因，對于坡面的掃描測量無法在一個測站的條件下完成。為了完整地將坡面的微地形數(shù)據(jù)記錄下來，采用分測站掃描的方法，設(shè)置5個不同位置的測站（圖2），從不同的角度對坡面進(jìn)行掃描，以獲得更加全面的坡面三維點云數(shù)據(jù)。為了將5個測站的數(shù)據(jù)較好地拼接到同一個坐標(biāo)系中，在每次試驗前在土槽上放置3個標(biāo)靶，標(biāo)靶位置按照儀器標(biāo)靶放置規(guī)則固定于土槽的不同位置。根據(jù)試驗?zāi)康暮途纫?，點云分辨率設(shè)置為1 mm×1 mm。在Faro Scene V4.7.3軟件中，對5站數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，生成高精度點云數(shù)據(jù)。

圖2 三維激光掃描儀測站位置分布

1.3.3 點云數(shù)據(jù)處理

將得到的攝影測量和三維激光掃描點云數(shù)據(jù)輸入到Cloud Compare V2.11.3軟件中。利用軟件的降噪功能對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪；借助裁剪工具對坡面數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，提取研究區(qū)。然后將點云數(shù)據(jù)輸入到ArcGIS10.2中，利用ArcGIS 10.2中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)。最后用地理工具對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間校準(zhǔn)，得到降雨前原始坡面和不同降雨歷時下坡面的高精度DEM數(shù)據(jù)（精度為5 mm×5 mm）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 土壤侵蝕計算

1）徑流和泥沙收集方法

收集徑流泥沙是土壤流失試驗中最可靠的方法[21]。將試驗過程中收集的鋁盒樣品進(jìn)行稱量，然后，將其靜置24 h，倒掉上層清水，放置在105 ℃烘箱烘至恒質(zhì)量，以計算產(chǎn)沙量收集了降雨試驗的徑流泥沙樣。隨后，將計算得到的產(chǎn)沙量作為實測值計算土壤流失量，并將徑流和泥沙收集的結(jié)果與數(shù)字?jǐn)z影測量攝影測量和三位激光掃描觀測結(jié)果進(jìn)行比較。

2）基于數(shù)字圖像的計算

土壤侵蝕體積的計算原理是基于DEM的體積差。在計算中，降雨前坡面的原始DEM減去侵蝕發(fā)生后不同時間段坡面的DEM，將每個柵格作為體積計算的微分單元，用該單元的面積乘以該格網(wǎng)點到參考面的距離來計算土壤侵蝕量，將計算的土壤侵蝕體積與容重進(jìn)行換算得到土壤流失量[22]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中為土壤侵蝕體積，kg；和為DEM數(shù)據(jù)的行列數(shù)；(,)為DEM格網(wǎng)上編號是(,)的點到參考面的距離；D為DEM單元格的面積。

1.4.2 細(xì)溝形態(tài)特征參數(shù)的計算

1）細(xì)溝寬深比

細(xì)溝寬深比是坡面某一坡位處細(xì)溝的寬度（m）和深度（m）的比值，能夠反映細(xì)溝的斷面形態(tài)在水平和豎直方向的大小變化，可以作為坡面侵蝕發(fā)育強度的重要參考指標(biāo)[23]。

2）細(xì)溝總表面積

細(xì)溝總表面積（m2）也可以稱為細(xì)溝實際破壞面積，是指研究區(qū)域內(nèi)所有細(xì)溝的平面面積之和，在本試驗中基于細(xì)溝矢量進(jìn)行細(xì)溝面積計算[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于攝影測量和三維激光掃描的坡面侵蝕演變形態(tài)觀測

在降雨試驗中，坡面經(jīng)歷了片蝕階段-細(xì)溝發(fā)育階段-細(xì)溝成熟階段3個侵蝕演化過程（圖3），攝影測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)觀測的坡面侵蝕過程均出現(xiàn)相同的演變趨勢。在1～5 h期間，坡表面主要以片蝕為主，這是由于坡面徑流的能量較小，對坡面的沖刷能力較弱，只能帶走土壤表面細(xì)小顆粒和一些較為松散的物質(zhì)，而坡面中下部坡面匯水面積較大，坡面的徑流量和流速相較坡頂明顯增加，當(dāng)坡面徑流侵蝕力大于坡面抗侵蝕的能力后，坡面土壤開始被剝離，在此階段坡中和坡下受侵蝕影響較大，坡面中部在水流沖刷作用下最先形成跌坎，然后由于坡面徑流在跌坎內(nèi)不斷聚集，跌坎進(jìn)一步發(fā)育形成斷續(xù)細(xì)溝。吳淑芳等[22]研究了坡面細(xì)溝的侵蝕演變過程中，也同樣發(fā)現(xiàn)在前期降雨試驗后，侵蝕主要集中在坡面中下部，而頂部由于匯水面積較小，水流剪切力不足以剝離表層土壤，而隨著跌坎的出現(xiàn)也為細(xì)溝出現(xiàn)創(chuàng)造條件。從圖3中可以看出，在降雨歷時1 h后，坡面100和160 cm附近開始出現(xiàn)跌坎。歷時5 h后，坡面100 cm處演變?yōu)槎鄺l斷續(xù)細(xì)溝。

在降雨歷時5～10 h期間，斷續(xù)細(xì)溝通過溝頭的不斷溯源連通為連續(xù)細(xì)溝，形成固定流路，細(xì)溝侵蝕開始出現(xiàn)，水力作用從雨滴濺蝕和片狀侵蝕轉(zhuǎn)化為集中徑流侵蝕[24]，坡面通過不斷匯水產(chǎn)生集中徑流，同時細(xì)溝及細(xì)溝間的區(qū)域使得剝蝕的土壤得以快速輸移[25]。

根據(jù)細(xì)溝發(fā)育主導(dǎo)侵蝕方式的不同，可將細(xì)溝發(fā)育過程分為：細(xì)溝發(fā)育前期和細(xì)溝發(fā)育后期2個部分[26]。一般情況下，細(xì)溝集中徑流的剝蝕能力和輸移能力遠(yuǎn)大于薄層徑流[27]，本試驗結(jié)果也與上述相一致，在細(xì)溝發(fā)育前期（5～50 h）徑流相對集中，溝內(nèi)水流流速快、流量大，對坡面的侵蝕能力和泥沙搬運能力明顯增強，以溝頭溯源侵蝕和溝底下切侵蝕為主。5～10 h期間，細(xì)溝長度由58.37 cm增長到112.11 cm，細(xì)溝最大深度由4.35 cm增長到5.45 cm，該時期是細(xì)溝發(fā)育最活躍的階段，隨后細(xì)溝前進(jìn)速度逐漸變緩，細(xì)溝下切侵蝕作用逐漸增強。10～50 h期間，細(xì)溝長度由112.11 cm增長到216.43 cm，細(xì)溝下切最大深度由5.37 cm增加為27.32 cm，細(xì)溝大部分地方已經(jīng)下切至淀積層。

圖3 連續(xù)降雨條件下的坡面侵蝕演變過程

在細(xì)溝發(fā)育后期（50～70 h），由于細(xì)溝長度的不斷增加，大量坡面徑流開始從細(xì)溝兩側(cè)流入細(xì)溝中，細(xì)溝內(nèi)徑流量明顯增加，溝壁擴張侵蝕開始出現(xiàn)。由于溝底已經(jīng)下切至抗蝕能力較強的淀積層，所以溝底下切作用逐漸減弱。溝中徑流能量被分散于溯源侵蝕和溝壁擴張侵蝕，溝頭在坡面不斷向前推進(jìn)，溝壁不斷向兩側(cè)擴展，細(xì)溝長度由216.43 cm增長到256.18 cm，最大溝深由27.32 cm增長到27.86 cm，細(xì)溝最大溝寬由19.65 cm增長到25.75 cm。

在細(xì)溝成熟階段，溝壁擴張侵蝕占據(jù)主導(dǎo)地位（圖3），細(xì)溝下切侵蝕幾乎停止，溝頭溯源侵蝕發(fā)育緩慢，坡面侵蝕作用主要來自于溝壁擴張侵蝕，溝壁土塊的崩塌成為坡面侵蝕產(chǎn)沙的主要來源，細(xì)溝發(fā)育較為穩(wěn)定。溝腳被細(xì)溝中徑流掏涮之后，當(dāng)驅(qū)動力（土體自身重力）大于阻力（土壤顆粒間的粘結(jié)力和摩擦力等）時，溝壁內(nèi)側(cè)容易形成張力裂隙[28-29]。隨著溝腳被集中水流進(jìn)一步淘涮，懸空土體體積增大，溝壁開始隨機性崩塌，溝寬增大[30-32]。在降雨歷時70 h后，溝頭溯源和下切基本停止。在隨后的試驗中，坡面侵蝕主要是溝壁擴張侵蝕引起的溝壁坍塌。在此階段，細(xì)溝長度由256.18 cm演變?yōu)?87.35 cm，細(xì)溝最大寬度由25.75 cm發(fā)展為35.4 cm，細(xì)溝最大溝深由27.86 cm增長到29.40 cm。

2.2 三維激光掃描和攝影測量的精度分析

2.2.1 坡面侵蝕量測量精度對比

在坡面土壤侵蝕量演變觀測試驗中，以徑流泥沙采集法所得到的土壤侵蝕量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，對近景攝影測量法和三維激光掃描法的測量精度進(jìn)行評價。利用每次降雨間隙采集到的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，可得到相應(yīng)時段內(nèi)不同方法所測得的土壤侵蝕量。

表2為3種測量方法在不同降雨時間段內(nèi)測量精度對比結(jié)果。由表可知，2種非接觸式測量方法的測量值的相對誤差多為負(fù)數(shù)，測量值多小于實際采集的泥沙質(zhì)量。這說明在花崗巖紅壤土壤侵蝕試驗中，2種非接觸式測量方法會低估真實的土壤侵蝕量。但總的來說2種非接觸式測量方法的測量結(jié)果和實測值比相對誤差較小，最大相對誤差為?16.82%，2種方法在坡面侵蝕量測量方面有很好的適用性[33-34]。

從試驗過程來看，2種方法的測量誤差呈相同的變化趨勢。在試驗前期和末期2種測量方法的測量誤差均較小，而在試驗中期測量誤差則較大。這是因為在試驗中期，坡面細(xì)溝窄而深，并且坡面中部細(xì)溝橫截面多為細(xì)頸瓶型即細(xì)溝底部較寬肩部較窄，所以會存在較多的數(shù)據(jù)采集盲區(qū)。在點云和DEM處理過程中，軟件在填補盲區(qū)時會將盲區(qū)進(jìn)行平滑化處理，所以會低估細(xì)溝的深度和細(xì)溝底部的寬度，從而影響到細(xì)溝體積的測量，造成測量誤差。在試驗前期近景攝影測量的測量誤差要大于三維激光掃描，這是因為試驗前期數(shù)據(jù)采集掃描盲區(qū)較小，三維激光掃描儀采集到的點云數(shù)據(jù)數(shù)量更多，構(gòu)建的DEM分辨率也更高，所以測量誤差較小。然而隨著試驗的進(jìn)行，表現(xiàn)為近景攝影測量的測量誤差小于三維激光掃描。這是因為在試驗中后期細(xì)溝深且窄，三維激光掃描儀在使用中需要固定架設(shè)，所以會存在較多的數(shù)據(jù)采集盲區(qū)。而近景攝影測量所使用的數(shù)碼相機在使用時無需固定架設(shè)，可根據(jù)細(xì)溝形態(tài)選擇不同的拍攝角度，所以數(shù)據(jù)盲區(qū)相對會較小，因此測量誤差較小。其中近景攝影測量技術(shù)的平均絕對誤差為8.84%，三維激光掃描技術(shù)的平均絕對誤差為8.97%，近景攝影測量技術(shù)的測量精度要更高。并且徑流泥沙采集法、近景攝影測量法和三維激光掃描法所測得的累積土壤侵蝕量呈相同的變化趨勢，但由于誤差的存在，2種方法計算的泥沙量普遍小于徑流泥沙法所測得的泥沙量，所以在試驗中后期2種非接觸式方法測得的累計徑流泥沙量越來越小于實際測得的泥沙量。

表2 2種非接觸式測量法的土壤侵蝕量測量誤差

2.2.2 坡面形態(tài)特征測量精度對比

1）細(xì)溝長寬深測量結(jié)果對比

對于細(xì)溝長度的量測，在每次試驗間隔借助土槽兩側(cè)的直尺讀取溝頭和溝腳的位置來測定，將該實測值作為評價2種非接觸式測量方法的標(biāo)準(zhǔn)。在Cloud Compare V2.11.3軟件中讀取近景攝影測量點云數(shù)據(jù)和三維激光掃描點云數(shù)據(jù)中點云三維坐標(biāo)（,,），并利用測量點云點的坐標(biāo)計算細(xì)溝形態(tài)參數(shù)。

在每次試驗間隔利用直尺每隔10 cm對細(xì)溝寬度和細(xì)溝深度進(jìn)行量測，將量測的細(xì)溝寬度和細(xì)溝深度值作為評價2種非接觸式測量方法的標(biāo)準(zhǔn)。然后在Cloud Compare V2.11.3軟件中獲取最大溝寬處點云點的三維坐標(biāo)對細(xì)溝最大寬度進(jìn)行計算，由于2種非接觸式測量方法在試驗中期存在數(shù)據(jù)采集盲區(qū)，所以選用2種方法生成的DEM計算細(xì)溝深度?；跍y得的最大細(xì)溝寬度進(jìn)行分析，從圖4a中可以看出，3種量測方法所測得的最大溝寬并無明顯差異，但用直尺量測的最大溝寬總體上要略大于2種非接觸式量測方法的測量值。這是因為在細(xì)溝量測過程中，試驗土槽高度較高且細(xì)溝兩側(cè)坡面也受到不同程度的侵蝕，所以在量測過程中會出現(xiàn)直尺兩端高低差異，進(jìn)而出現(xiàn)測量數(shù)值偏大的結(jié)果。總的來看，2種非接觸式測量方法在細(xì)溝寬度量測方面具有很好的適用性，并在測量效率方面要優(yōu)于直尺量測。

對于細(xì)溝長度的量測，在每次試驗間隔借助土槽兩側(cè)的直尺讀取溝頭和溝腳的位置來測定，并將該實測值作為評價兩種非接觸式測量方法的標(biāo)準(zhǔn)。讀取近景攝影測量點云數(shù)據(jù)和三維激光掃描點云數(shù)據(jù)中細(xì)溝兩端的點云三維坐標(biāo)（,,），將測量點云點的坐標(biāo)進(jìn)行相減就可得到對應(yīng)時間段細(xì)溝的長度。從圖4b中可以看出，3種測量方法所得到的細(xì)溝長度演變特征一致，細(xì)溝長度差異較小，其中近景攝影測量和三維激光掃描的最大相對誤差分別為2.7%和2.3%。2種非接觸式測量方法在細(xì)溝長度測量方面均具有較好的準(zhǔn)確度。

基于圖4c中最大溝深進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在試驗前期和后期2種方法的深度測量值的最大相對誤差為18.5%，而在試驗中期測量值的最大相對誤差為25.3%，證明在細(xì)溝深度測量方面，前后期測量結(jié)果要優(yōu)于中期。同時對比細(xì)溝寬深比后發(fā)現(xiàn)在試驗中期最大寬深平均值為0.84，而前期和后期最大寬深比平均值分別為1.42和1.24。在試驗中期細(xì)溝寬度較窄并且深度較深，在數(shù)據(jù)采集時會存在數(shù)據(jù)采集盲區(qū)或點云數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的問題，所以在DEM擬合過程中會出現(xiàn)較明顯的高程值計算誤差。將2種測量方法的試驗中期對溝深的測量結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，同時試驗中期攝影測量計算的最大溝深平均相對誤差為6.8%，小于攝影測量計算的平均相對誤差（7.2%），說明近景攝影測量技術(shù)在“窄深型”細(xì)溝的深度量測方面要優(yōu)于三維激光掃描技術(shù)。

2）細(xì)溝總表面積測量結(jié)果對比

從圖5中可以看出，2種非接觸式測量方法的測量值之間并無明顯差異，2種量測方法所得到的細(xì)溝總表面積數(shù)據(jù)呈相同的變化規(guī)律。細(xì)溝總表面積的發(fā)展演變與細(xì)溝發(fā)展密切相關(guān)。在溝壁擴張侵蝕未出現(xiàn)之前，細(xì)溝面積僅受到溯源侵蝕的影響，細(xì)溝面積的增加主要來自于溝頭的推進(jìn)，而由于溝頭寬度較窄，所以細(xì)溝面積增長較慢。溝壁擴張侵蝕的出現(xiàn)引起細(xì)溝自上而下的寬度增加，細(xì)溝總面積增速加快。當(dāng)?shù)郊?xì)溝成熟階段，由于溝壁擴張侵蝕占據(jù)主導(dǎo)地位，整條細(xì)溝的溝壁兩側(cè)都受到了更為強烈的侵蝕作用，所以細(xì)溝總表面積的增長速度進(jìn)一步加快。

圖4 近景攝影測量和三維激光掃描技術(shù)測量結(jié)果對比

圖5 細(xì)溝總表面積變化

3）坡面微地形橫截面模擬對比

坡面微地形是用于描述坡面起伏變化的特征參數(shù)[33-34]。一方面地表微地形會隨著雨滴打擊和徑流沖擊引起的土壤分離而不斷發(fā)生變化，另一方面微地形的變化又會影響到土壤侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化。所以精確測量地表微地形對研究坡面侵蝕過程有重要意義。攝影測量和三維激光掃描在地表微地形模擬和測量中具有效率高、精度高等特點，近年來被廣泛應(yīng)用于坡面微地形研究中。然而2種方法在對高礫石含量的土壤進(jìn)行監(jiān)測時，模擬和測量精度是否會受礫石覆蓋層的影響，目前尚不明確。因此，在該部分本文基于2種非接觸式測量方法的高精度DEM利用ArcGIS 10.2的3D分析工具隨機提取坡面不同時間段的橫截面進(jìn)行對比分析，從而對2種測量方法的適用性進(jìn)行評價。

從圖6可以看出在坡面模擬方面，2種量測方法的模擬結(jié)果均呈現(xiàn)出前期粗糙，后期逐漸平滑的變化趨勢。這是因為在試驗前期，由于降雨歷時短，坡面受侵蝕程度較小，坡面表面較少的土壤被帶走，較少的石英顆粒被滯留在坡面表面，石英顆粒覆蓋率較低，分散的石英顆粒同周圍的土壤呈現(xiàn)出明顯的高差。因此，坡面表面的橫截面抖動較大。然而隨著降雨歷時的不斷增加，坡面土壤受侵蝕越來越嚴(yán)重，被降雨和徑流篩選出來的石英顆粒也越來越多，坡面石英覆蓋率不斷提升，石英顆粒同周圍的石英顆粒并無明顯的高差，所以坡面橫截面逐漸平滑。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近景攝影測量得到的坡面橫截面較為平滑，三維激光掃描技術(shù)所得到的坡面橫截面較為粗糙。這可能是因為三維激光掃描儀在掃描時，儀器發(fā)射的高能激光受到了坡面石英顆粒立較強的反射，出現(xiàn)了較明顯的測量誤差?？偟膩砜?，依據(jù)近景攝影測量技術(shù)所得到的坡面模擬結(jié)果要優(yōu)于三維激光掃描技術(shù)。

圖6 不同降雨歷時坡面微地形橫截面

3 討 論

本文研究結(jié)果表明，坡面侵蝕演變呈現(xiàn)出明顯的階段特性，按主導(dǎo)侵蝕方式的不同，坡面侵蝕過程可劃分為片蝕階段、細(xì)溝發(fā)育階段和細(xì)溝成熟階段[35]。在片蝕階段（0～5 h），坡面侵蝕發(fā)育緩慢，坡面侵蝕以片蝕為主。在細(xì)溝發(fā)育階段（5～70 h），坡面侵蝕發(fā)育活躍，細(xì)溝發(fā)育受溯源侵蝕、下切侵蝕和溝壁擴張侵蝕的共同作用影響。在細(xì)溝成熟階段（70～100 h），坡面侵蝕發(fā)育穩(wěn)定，細(xì)溝侵蝕以溝壁擴張侵蝕為主。

細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的演變在不同的侵蝕階段呈現(xiàn)出不同的特征，細(xì)溝長度在細(xì)溝發(fā)育初期增長速度最快，隨著降雨歷時的不斷增加，溝頭溯源侵蝕作用逐漸減弱，細(xì)溝長度增長速度逐漸變緩；細(xì)溝寬度在細(xì)溝發(fā)育初期增長較慢，隨著溝壁擴張侵蝕加劇，細(xì)溝寬度增長不斷加快；細(xì)溝深度在細(xì)溝發(fā)育初期增長速度較慢，在細(xì)溝發(fā)育中期增加最快，在細(xì)溝成熟階段由于溝底下切侵蝕逐漸消失，細(xì)溝深度增長幾乎停止。不同坡位處的細(xì)溝形態(tài)呈現(xiàn)出不同的演變過程，坡上位置的細(xì)溝寬度和深度增長最為迅速，坡中和坡下次之。對細(xì)溝的寬深比變化進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)溝底部（坡面50 cm）經(jīng)歷了一個“寬淺型-窄深型-寬淺型”的演變過程，細(xì)溝中部（坡面150 cm）始終為“窄深型”，細(xì)溝頭部（坡面250 cm）經(jīng)歷了一個“窄深型-寬淺型”的演變過程。由于溝壁擴張侵蝕的出現(xiàn)和溝壁擴張侵蝕對細(xì)溝侵蝕的影響作用不斷加強，細(xì)溝總表面積增長加快。

通過對2種測量技術(shù)的精度對比，發(fā)現(xiàn)兩者在坡面侵蝕質(zhì)量測量方面有很好的適用性，其中坡面侵蝕量最大相對誤差為?16.82%，遠(yuǎn)小于Jiang等[12]利用近景攝影測定的坡面侵蝕量最大誤差（34.57%），同時在本研究中發(fā)現(xiàn)在細(xì)溝長度量測方面，2種測量技術(shù)與直尺測量的結(jié)果差別較小，測量精度較高；在細(xì)溝寬度量測上，2種技術(shù)要優(yōu)于直尺測量；對于侵蝕量和深度量測，2種方法測量誤差均呈前期和末期小，中期大的特點，總體來說近景攝影測量技術(shù)的測量精度要高于三維激光掃描技術(shù)，這是由于中后期細(xì)溝較深且窄，三維激光掃描存在較多的數(shù)據(jù)采集盲區(qū)[11]。李俊利等[14]也同樣發(fā)現(xiàn)近景攝影測量在溝壁和起伏區(qū)域重建的點云效果要優(yōu)于激光掃描。在細(xì)溝總表面積測量方面，2種方法的測量精度并無明顯差異。雖然2種測量技術(shù)的微地形模擬效果在試驗前期較差，但隨著坡面侵蝕的發(fā)育，土壤本身所含的石英顆粒在坡面的不斷富集，模擬效果逐漸轉(zhuǎn)好，近景攝影測量技術(shù)的微地形模擬效果要優(yōu)于三維激光掃描技術(shù)。

綜上，近景攝影測量技術(shù)對于“窄深型”細(xì)溝的量測方面要優(yōu)于三維激光掃描，同時考慮到儀器設(shè)備價格、掃描采集靈活性等方面因素，近景攝影測量技術(shù)比三維激光掃描技術(shù)更適合于室內(nèi)人工模擬降雨條件下的坡面侵蝕演變研究。但是由于研究是基于室內(nèi)小規(guī)模坡面侵蝕試驗展開的。在野外中大規(guī)模坡面侵蝕測量時，2種方法的適用性、精確性是否如室內(nèi)試驗一致，還需要進(jìn)一步驗證。

4 結(jié) 論

本文基于激光掃描和攝影測量在坡面侵蝕演變過程的應(yīng)用研究，研究結(jié)論如下：

1）坡面侵蝕演變呈現(xiàn)出明顯的階段特性，按主導(dǎo)侵蝕方式的不同坡面侵蝕過程可分為：片蝕階段、細(xì)溝發(fā)育階段和細(xì)溝成熟階段，同時細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的演變在不同的侵蝕階段呈現(xiàn)出不同的特征；

2）與實測的侵蝕量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，近景攝影測量技術(shù)的平均絕對誤差為8.84%，三維激光掃描技術(shù)的平均絕對誤差為8.97%，2種測量方法均能對坡面侵蝕產(chǎn)沙過程進(jìn)行監(jiān)測；

3）近景攝影測量技術(shù)在坡面侵蝕產(chǎn)沙監(jiān)測、細(xì)溝深度測量和坡面微地形模擬方面要優(yōu)于三維激光掃描技術(shù)，在細(xì)溝發(fā)育階段，細(xì)溝發(fā)育主要以溯源侵蝕、下切侵蝕為主，易形成“窄深型”細(xì)溝，這是由于三維激光掃描存在較多的數(shù)據(jù)采集盲區(qū)所導(dǎo)致的。

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Application of laser scanning and photogrammetry in the evolution process of slope erosion

Luo Bin1, Zhang Yong2, Zhang Zhiwei1, Ni Shimin1, Zhang Xin2, Wang Junguang1※

(1.,,430070,; 2,,430010)

Soil erosion on a slope is one of the most serious soil degradation that caused by the complex dynamic process of water draining down the slope. Quantitative monitoring of the slope erosion process is of great practical significance to clarify the erosion mechanism for the better models in the recent years. A non-contact measurement has been widely used, such as the laser scanning or photogrammetry, due to the high efficiency and accuracy. However, it is still lacking on the accuracy and applicability evaluation in the process of slope erosion, especially for the rill morphology characteristics. In this study, the laser scanning and photogrammetry were selected to monitor the evolution of soil slope erosion under the indoor artificial rainfall, in order to quantitatively explore their accuracy and applicability. The red soil was collected with the granite parent material from the Changting County, Hubei Province, China. The test material was then selected as the leaching, sedimentary, and parent material layer from the bottom to the top at the sampling point. The soil trough was used with the size of 4.0 m (length) × 2.0 m (width) × 0.60 m (height), particularly with the depth of soil filling of 0.50 m. The soil was then filled with the 0.15 m thick parent material layer, 0.20 m sedimentary layer, and 0.15 cm leaching layer before the test. The soil tank was subjected to the multiple cycles of drying and wetting. The static settlement was set at least two months, in order to make the soil layers and particles as close as possible to natural conditions. The whole duration was 1 h for the single-field simulated rainfall or runoff test after the runoff on the slope surface. The total rainfall was 100 h, where the interval was 24 h between each two intermittent rainfall. The rain intensity was also set to (90±5) mm/ h. The sediment ocean was then collected during the rainfall. After that, the 3D laser scanning and close-range photogrammetry were employed to record the micro-topographic and surface morphology of the slope at each rainfall interval. As such, the digital point cloud was obtained on the slope surface after the rainfall. At the same time, the length, width and depth of each rill on the slope were measured at the intervals of 10 cm, in order to determine the evolution of the morphological characteristics of the slope rill. The characteristic parameters of rill morphology were calculated to collect the runoff sediment and measurement. A comparison was also made on the laser scanning and photogrammetry technology in the erosion monitoring test. The results show that: 1) The slope erosion process was divided into the sheet erosion, rill development and maturity stage, according to the different dominant erosion. 2) Both non-contact measurement methods performed better to accurately measure the slope erosion. Specifically, the maximum relative error was -16.82% for the process of sediment production. The better applicability was also achieved in the measurement of slope erosion quality. 3) The close-range photogrammetry technology was superior to the 3D laser scanning in the monitoring slope erosion and sediment production, rill depth measurement, and slope micro-topography simulation. Therefore, the digital expression was realized for the evolution process of slope erosion, in order to promote the high efficiency and high precision of slope erosion monitoring. The finding can also provide the strong reference in the technology selection for the soil slope erosion.

slope; erosion; soils; close-range photogrammetry technology; 3D laser scanning technology; comparison

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.011

S157.1

A

1002-6819(2022)-17-0101-09

羅斌，張勇，張志偉，等. 激光掃描和攝影測量在坡面侵蝕演變過程的適用性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(17)：101-109.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.011 http://www.tcsae.org

Luo Bin, Zhang Yong, Zhang Zhiwei, et al. Application of laser scanning and photogrammetry in the evolution process of slope erosion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 101-109. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.011 http://www.tcsae.org

2022-04-25

2022-07-10

國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFD1500703）；國家自然科學(xué)基金（42177317）

羅斌，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：Luobin2021@163.com

王軍光，博士，副教授，研究方向為土壤侵蝕機理。Email：jgwang@mail.hzau.edu.cn