梁釗雄， 周紅藝， 吳國威， 馬俊文

(佛山科學技術(shù)學院環(huán)境與化學工程學院，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重的水土流失地貌[1-2]。崩崗在我國南方地區(qū)，特別是風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，已成為該省侵蝕強度最大、危害最為嚴重的侵蝕類型。自20世紀80年代開始，國內(nèi)外學者已開展崩崗的監(jiān)測與治理研究。匈牙利學者Raveloson等在馬達加斯加中部高原地區(qū)運用地面立體攝影技術(shù)對崩崗地貌進行監(jiān)測，并采用專業(yè)軟件對數(shù)百張攝影相片進行處理，建立三維模型，獲取了崩崗地形信息[3]；在同一地區(qū)，美國學者Cox等利用同位素示蹤方法，對崩崗侵蝕導致的河流泥沙沉積以及丘陵坡地土體的10 Be進行了測定，研究侵蝕產(chǎn)沙速率及流域泥沙輸移過程[4]。在國內(nèi)，張鵬等通過人工降雨試驗方法，利用高精度GPS對坡面溝道侵蝕的發(fā)育過程進行了5次動態(tài)監(jiān)測，并用ArcGIS成圖處理[5]；李雙喜等采用GPS測量技術(shù)，在全面定位調(diào)查并建立崩崗GIS數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，運用GIS空間分析技術(shù)，對中國南方崩崗的空間分布特點進行研究[6]；張大林等利用三維激光掃描儀，對廣東省五華縣蓮塘崗崩崗連續(xù)進行3年共6次實地監(jiān)測，得到了崩崗侵蝕量及地形變動的定量信息[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)測量方法在這種高危地形上難以開展，導致崩崗的野外監(jiān)測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、快速性等特點為崩崗的監(jiān)測提供了新的手段。本研究以廣東省德慶縣馬圩鎮(zhèn)深涌水土保持監(jiān)測站為研究區(qū)，利用無人機的低空立體攝影技術(shù)對崩崗地形細部特征進行監(jiān)測，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、植被恢復和防災減災提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

德慶縣地處北回歸線南側(cè)，屬于南亞熱帶季風氣候，年平均降水1 516.5 mm，年平均氣溫21.5 ℃，年平均日照時數(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)育在花崗巖風化殘積丘陵上，基巖為燕山期黑云母花崗巖，風化殼厚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，是開展崩崗侵蝕監(jiān)測較為理想的場所。

2 研究方法

2.1 崩崗監(jiān)測技術(shù)介紹

目前，常見的崩崗監(jiān)測方法主要有下面幾種：(1)傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場調(diào)查。傳統(tǒng)的崩崗調(diào)查方法通常是以人力野外現(xiàn)場調(diào)查為主。該方法費時費力，成本也比較高，其調(diào)查精度特別依賴經(jīng)驗豐富的技術(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，但是其費用高、時效性差，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等測量儀器[9]。這種方法可以準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力，而且不適用于高危地形，導致該方法難以在大范圍的崩崗監(jiān)測中普及。(4)三維激光掃描。是一種新興測繪技術(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)測等問題。

2.2 基于無人機的崩崗監(jiān)測方法

近年來，隨著近景攝影測量技術(shù)的發(fā)展以及消費級無人機的普及，利用低空無人機進行航空攝影獲取遙感數(shù)據(jù)，并進行二維影像的三維重建已成為現(xiàn)實。無人機的低空飛行可以避免云層的遮擋，易于監(jiān)測。同時，無人機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)的正射影像和高程數(shù)據(jù)。

目前，國內(nèi)外已有研究人員嘗試將立體視覺方法引入無人機影像的三維重建，并成功應用于景觀設計、環(huán)境監(jiān)測、考古保護等領(lǐng)域[10-11]。同時，無人機相對于高精度遙感圖像成本低，且具有非接觸性、快速性、可實時監(jiān)測的特點，更適用于大范圍高危地形，如崩崗群的監(jiān)測。本研究利用無人機對崩崗進行野外監(jiān)測，并通過無人機數(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，以期為崩崗侵蝕進一步精細化研究提供依據(jù)。

2.3 無人機正射影像制作原理

無人機的正射影像生成原理主要是通過POS數(shù)據(jù)(相機姿態(tài)、位置等信息)獲取立體像對并構(gòu)建三維點云數(shù)據(jù)，再經(jīng)過空中三角測量生成數(shù)字高程模型和正射影像，如圖2所示。

快拼處理是無人機航測數(shù)據(jù)處理的主要任務，本研究采用Pix4d軟件作為處理軟件，該軟件自動化流程程度較高，能夠一鍵式作業(yè)完成數(shù)據(jù)準備、參數(shù)設定、空中三角測量、DEM和正射影像生成等多個步驟。

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級多旋翼無人機，采用分塊飛行的方法，總飛行時間約10 h，平均相對航高約 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%，符合無人機航測的規(guī)范要求。照片快拼軟件Pix4d運行總時約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 精度驗證 根據(jù)Pix4d軟件生成的質(zhì)量報告，本次測量的區(qū)域網(wǎng)空三誤差為0.2個像素(1個像素為3.94 cm)符合航空攝影測量中的1 ∶2 000地形圖的測圖要求。

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個崩崗范圍，如圖4所示，崩崗投影面積見表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)進行空間分析。Model Builder是ArcGIS 中的可視化地理建模工具，可以將復雜的流程簡化為一個工具，具有可重用、易共享的特點。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能雙重作用形成的，徑流的沖刷能力無法隨坡度持續(xù)增加[12]，大于60°的地區(qū)坡度較陡，雖然侵蝕作用強，但是崩崗風化殼也很薄，淺薄的風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

3.2 坡向分布分析

從圖8可以看出，研究區(qū)崩崗在坡向為南向以及偏南向所占的面積最大，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，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)域地勢緩、坡度小，單位坡長上的土體高差小，重力勢能小，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，徑流具備較強的沖刷能力，另外，單位坡長上高差大，土體的重力勢能大，在徑流能量和重力勢能雙重作用下很容易崩塌形成崩崗。

4 結(jié)論

利用無人機對崩崗地區(qū)進行航測能夠得到高分辨率DEM與正射影像數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足攝影測量的規(guī)范要求。與傳統(tǒng)的崩崗監(jiān)測方法相比，無人機具有實時、高效、低成本和高精度等優(yōu)勢，更適用于大范圍崩崗群的監(jiān)測。由于本研究采用的是成本較低的消費級多旋翼無人機，續(xù)航時間短，改用續(xù)航時間較長的固定翼無人機會進一步提高作業(yè)的效率。

研究區(qū)內(nèi)崩崗主要分布在坡度20°～60°之間、坡向為南向或偏南向的區(qū)域，同時，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化殼，在徑流能量和重力勢能雙重作用下很容易形成崩崗。

為有效預防崩崗的發(fā)生和發(fā)展，在上述崩崗易發(fā)育區(qū)域內(nèi)應加強預防監(jiān)督工作，減少陡坡開荒、濫砍亂伐、開發(fā)建設等人為活動。另外，可以在崩崗頂部布設排洪溝，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；崩壁修建成水平階地，植樹種草，穩(wěn)定陡坡。

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