梁釗雄， 周紅藝， 吳國(guó)威， 馬俊文

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，廣東佛山 528000)

崩崗是指發(fā)育在紅土丘陵地區(qū)的一種特有的侵蝕地貌，主要是由于沖溝溝頭受到水力、重力的作用發(fā)生崩塌和陷蝕而形成的一種嚴(yán)重的水土流失地貌[1-2]。崩崗在我國(guó)南方地區(qū)，特別是風(fēng)化殼深厚的花崗巖低山紅壤區(qū)分布十分普遍，主要發(fā)生在廣東、福建、江西、廣西等省(自治區(qū))，其中廣東省所占的比例最大，已成為該省侵蝕強(qiáng)度最大、危害最為嚴(yán)重的侵蝕類型。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展崩崗的監(jiān)測(cè)與治理研究。匈牙利學(xué)者Raveloson等在馬達(dá)加斯加中部高原地區(qū)運(yùn)用地面立體攝影技術(shù)對(duì)崩崗地貌進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用專業(yè)軟件對(duì)數(shù)百?gòu)垟z影相片進(jìn)行處理，建立三維模型，獲取了崩崗地形信息[3]；在同一地區(qū)，美國(guó)學(xué)者Cox等利用同位素示蹤方法，對(duì)崩崗侵蝕導(dǎo)致的河流泥沙沉積以及丘陵坡地土體的10 Be進(jìn)行了測(cè)定，研究侵蝕產(chǎn)沙速率及流域泥沙輸移過(guò)程[4]。在國(guó)內(nèi)，張鵬等通過(guò)人工降雨試驗(yàn)方法，利用高精度GPS對(duì)坡面溝道侵蝕的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行了5次動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并用ArcGIS成圖處理[5]；李雙喜等采用GPS測(cè)量技術(shù)，在全面定位調(diào)查并建立崩崗GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS空間分析技術(shù)，對(duì)中國(guó)南方崩崗的空間分布特點(diǎn)進(jìn)行研究[6]；張大林等利用三維激光掃描儀，對(duì)廣東省五華縣蓮塘崗崩崗連續(xù)進(jìn)行3年共6次實(shí)地監(jiān)測(cè)，得到了崩崗侵蝕量及地形變動(dòng)的定量信息[7]。

崩崗侵蝕具有明顯的垂直性分布[8]，但由于崩壁高差及傾角都比較大，傳統(tǒng)測(cè)量方法在這種高危地形上難以開(kāi)展，導(dǎo)致崩崗的野外監(jiān)測(cè)一直缺乏有效的技術(shù)方法。隨著近景攝影技術(shù)的發(fā)展，其高精度、非接觸性、快速性等特點(diǎn)為崩崗的監(jiān)測(cè)提供了新的手段。本研究以廣東省德慶縣馬圩鎮(zhèn)深涌水土保持監(jiān)測(cè)站為研究區(qū)，利用無(wú)人機(jī)的低空立體攝影技術(shù)對(duì)崩崗地形細(xì)部特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以期分析崩崗在空間上的分布規(guī)律，為該區(qū)域的生態(tài)保護(hù)、植被恢復(fù)和防災(zāi)減災(zāi)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

德慶縣地處北回歸線南側(cè)，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水1 516.5 mm，年平均氣溫21.5 ℃，年平均日照時(shí)數(shù) 1 848 h。崩崗在德慶縣內(nèi)廣泛分布，其中以馬圩鎮(zhèn)內(nèi)連片分布的崩崗群較為典型(圖1)。其崩崗主要發(fā)育在花崗巖風(fēng)化殘積丘陵上，基巖為燕山期黑云母花崗巖，風(fēng)化殼厚30～60 m，目前正處于壯年期，規(guī)模較大，侵蝕旺盛，崩壁、崩積錐、溝道、洪積扇(沙漬地)發(fā)育典型，是開(kāi)展崩崗侵蝕監(jiān)測(cè)較為理想的場(chǎng)所。

2 研究方法

2.1 崩崗監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

目前，常見(jiàn)的崩崗監(jiān)測(cè)方法主要有下面幾種：(1)傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。傳統(tǒng)的崩崗調(diào)查方法通常是以人力野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為主。該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本也比較高，其調(diào)查精度特別依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員。(2)高分辨率遙感數(shù)據(jù)調(diào)查。以高分辨率的遙感影像為主，雖然某些衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率已經(jīng)能夠滿足崩崗解譯的要求，但是其費(fèi)用高、時(shí)效性差，特別是影像的質(zhì)量容易受到天氣的影響，使該方法很難普及。(3)全站儀、GPS-RTK等測(cè)量?jī)x器[9]。這種方法可以準(zhǔn)確獲取崩崗地形變化和侵蝕量信息，但是作業(yè)效率低，需要投入大量的人力財(cái)力，而且不適用于高危地形，導(dǎo)致該方法難以在大范圍的崩崗監(jiān)測(cè)中普及。(4)三維激光掃描。是一種新興測(cè)繪技術(shù)，可以快速獲取高精度的地形數(shù)據(jù)，可適用于小范圍區(qū)域且對(duì)精度要求較高的DEM數(shù)據(jù)采集，但是存在掃描死角、數(shù)據(jù)處理繁瑣、不適用于大范圍監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。

2.2 基于無(wú)人機(jī)的崩崗監(jiān)測(cè)方法

近年來(lái)，隨著近景攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展以及消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的普及，利用低空無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空攝影獲取遙感數(shù)據(jù)，并進(jìn)行二維影像的三維重建已成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)人機(jī)的低空飛行可以避免云層的遮擋，易于監(jiān)測(cè)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)航拍得到的照片利用專業(yè)軟件處理后，可得到高分辨率(厘米級(jí))的正射影像和高程數(shù)據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外已有研究人員嘗試將立體視覺(jué)方法引入無(wú)人機(jī)影像的三維重建，并成功應(yīng)用于景觀設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、考古保護(hù)等領(lǐng)域[10-11]。同時(shí)，無(wú)人機(jī)相對(duì)于高精度遙感圖像成本低，且具有非接觸性、快速性、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，更適用于大范圍高危地形，如崩崗群的監(jiān)測(cè)。本研究利用無(wú)人機(jī)對(duì)崩崗進(jìn)行野外監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件Pix4d構(gòu)建研究區(qū)的正射影像(DOM)和數(shù)字地形模型(DEM)，利用ArcGIS軟件中的空間分析模塊將DEM數(shù)據(jù)派生出坡度、坡向以及高程數(shù)據(jù)，并分別與崩崗區(qū)域進(jìn)行疊加分析，得到不同坡度、坡向和高程范圍內(nèi)的崩崗面積數(shù)據(jù)，分析其分布規(guī)律，以期為崩崗侵蝕進(jìn)一步精細(xì)化研究提供依據(jù)。

2.3 無(wú)人機(jī)正射影像制作原理

無(wú)人機(jī)的正射影像生成原理主要是通過(guò)POS數(shù)據(jù)(相機(jī)姿態(tài)、位置等信息)獲取立體像對(duì)并構(gòu)建三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)空中三角測(cè)量生成數(shù)字高程模型和正射影像，如圖2所示。

快拼處理是無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)，本研究采用Pix4d軟件作為處理軟件，該軟件自動(dòng)化流程程度較高，能夠一鍵式作業(yè)完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、參數(shù)設(shè)定、空中三角測(cè)量、DEM和正射影像生成等多個(gè)步驟。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

2.4.1 航線規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理 本研究所挑選的研究區(qū)域的面積約1.2 km2。航拍所采用的是消費(fèi)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)，采用分塊飛行的方法，總飛行時(shí)間約10 h，平均相對(duì)航高約 100 m，拍攝照片共1 600張，照片分辨率為4 000×3 000像素，航向重疊80%，旁向重疊30%，符合無(wú)人機(jī)航測(cè)的規(guī)范要求。照片快拼軟件Pix4d運(yùn)行總時(shí)約24 h，所生成的DEM與正射影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為3.94 cm(圖3)。

2.4.2 精度驗(yàn)證 根據(jù)Pix4d軟件生成的質(zhì)量報(bào)告，本次測(cè)量的區(qū)域網(wǎng)空三誤差為0.2個(gè)像素(1個(gè)像素為3.94 cm)符合航空攝影測(cè)量中的1 ∶2 000地形圖的測(cè)圖要求。

2.4.3 空間數(shù)據(jù)分析 利用Pix4d生成的高分辨率正射影像，在ArcGIS軟件中，采用目視判讀、人工矢量化的方法，得出研究區(qū)內(nèi)14個(gè)崩崗范圍，如圖4所示，崩崗?fù)队懊娣e見(jiàn)表1。為分析崩崗在空間上的分布規(guī)律，以DEM數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)，利用ArcGIS中的Model Builder模塊，分別將崩崗范圍數(shù)據(jù)與坡度、坡向和重分類高程數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析。Model Builder是ArcGIS 中的可視化地理建模工具，可以將復(fù)雜的流程簡(jiǎn)化為一個(gè)工具，具有可重用、易共享的特點(diǎn)。圖5為坡度數(shù)據(jù)的Model Builder分析圖。圖6為研究區(qū)坡度和坡向圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡度分布分析

從圖7可以看出， 研究區(qū)內(nèi)坡度范圍在31°～40°的崩崗面積最大，面積比例為21%，其次是41°～50°和21°～30°，所占的比例分別是20%和19%；坡度在51°～60°和11°～20°的崩崗面積所占的比例分別為14%和13%；而71°～80°和81°～90°的崩崗面積所占的比例最小，只有約1%。說(shuō)明崩崗主要分布在坡度20°～60°范圍之間，坡度60°以上的區(qū)域崩崗分布的面積較小，主要是崩崗是由徑流能量和重力勢(shì)能雙重作用形成的，徑流的沖刷能力無(wú)法隨坡度持續(xù)增加[12]，大于60°的地區(qū)坡度較陡，雖然侵蝕作用強(qiáng)，但是崩崗風(fēng)化殼也很薄，淺薄的風(fēng)化殼不能為崩塌提供物質(zhì)基礎(chǔ)，不利于崩崗的發(fā)育。

表1 崩崗面積統(tǒng)計(jì)

3.2 坡向分布分析

從圖8可以看出，研究區(qū)崩崗在坡向?yàn)槟舷蛞约捌舷蛩嫉拿娣e最大，約占57%；而北向以及偏北向所占的面積最小，只占17%；東向以及偏東向的區(qū)域約為40%，西向以及偏西向的區(qū)域約為37%。由此可見(jiàn)，崩崗主要分布在南向以及偏南向的區(qū)域。主要是由于南向坡面更容易受到高溫多雨的偏南向的夏季風(fēng)影響，更容易受到徑流的侵蝕而發(fā)育為崩崗。

3.3 高程分布分析

從圖9可以看出，研究區(qū)內(nèi)高程在91～110 m范圍的崩崗所占的面積最大，比例為32%，其次是71～90 m，比例為31%；高程范圍在51～70 m和111～130 m所占的面積比例分別為17%和14%；而高程在151～170 m范圍所占的比例最小，為1%；高程在50 m以下的地方?jīng)]有崩崗分布，主要是由于高程在50 m以下的區(qū)域地勢(shì)緩、坡度小，單位坡長(zhǎng)上的土體高差小，重力勢(shì)能小，徑流沖刷侵蝕力弱，不利于崩塌，因此在高程小于50 m的平原階地上很難形成崩崗。而高程在50 m以上的區(qū)域坡度大部分在20°～60°之間，徑流具備較強(qiáng)的沖刷能力，另外，單位坡長(zhǎng)上高差大，土體的重力勢(shì)能大，在徑流能量和重力勢(shì)能雙重作用下很容易崩塌形成崩崗。

4 結(jié)論

利用無(wú)人機(jī)對(duì)崩崗地區(qū)進(jìn)行航測(cè)能夠得到高分辨率DEM與正射影像數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足攝影測(cè)量的規(guī)范要求。與傳統(tǒng)的崩崗監(jiān)測(cè)方法相比，無(wú)人機(jī)具有實(shí)時(shí)、高效、低成本和高精度等優(yōu)勢(shì)，更適用于大范圍崩崗群的監(jiān)測(cè)。由于本研究采用的是成本較低的消費(fèi)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)，續(xù)航時(shí)間短，改用續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)的固定翼無(wú)人機(jī)會(huì)進(jìn)一步提高作業(yè)的效率。

研究區(qū)內(nèi)崩崗主要分布在坡度20°～60°之間、坡向?yàn)槟舷蚧蚱舷虻膮^(qū)域，同時(shí)，在高程為50 m以上的區(qū)域容易形成崩崗。主要是由于該區(qū)域處于紅土丘陵區(qū)，可以形成較深厚的花崗巖風(fēng)化殼，在徑流能量和重力勢(shì)能雙重作用下很容易形成崩崗。

為有效預(yù)防崩崗的發(fā)生和發(fā)展，在上述崩崗易發(fā)育區(qū)域內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防監(jiān)督工作，減少陡坡開(kāi)荒、濫砍亂伐、開(kāi)發(fā)建設(shè)等人為活動(dòng)。另外，可以在崩崗頂部布設(shè)排洪溝，控制溝頭溯源侵蝕；在崩崗中段，修建擋土墻、攔沙壩和谷坊群，提高局部侵蝕基點(diǎn)；崩壁修建成水平階地，植樹(shù)種草，穩(wěn)定陡坡。

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