何 濤， 史揚(yáng)子， 楊 揚(yáng)?， 黃婷婷， 白 雪， 劉寶元， 劉瑛娜

(1.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100875,北京; 2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地理學(xué)院,100875,北京; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,712100,陜西楊凌)

切溝是指普通耕作工具無法橫跨的侵蝕溝，往往切破犁底層，深入母質(zhì)。切溝侵蝕即在切溝發(fā)生發(fā)展過程中造成的侵蝕[1]，是全球河流泥沙的重要來源，其產(chǎn)沙量可占流域產(chǎn)沙總量的10%～94%[2]。在我國(guó)黃土丘陵溝壑區(qū)，切溝侵蝕產(chǎn)沙量的比例通常在50%以上，部分地區(qū)甚至可達(dá)70%以上[3]；在東北黑土區(qū)，深度超過10 m的大型侵蝕溝已超過25萬條[4]，溝頭溯源年侵蝕平均速率1 m[5]；在南方紅壤丘陵區(qū)，部分地區(qū)的溝道侵蝕量可達(dá)7 000 t/km2以上[6]。切溝侵蝕是重要的土壤侵蝕類型之一，選擇合適的方法與手段監(jiān)測(cè)切溝及其發(fā)育，對(duì)于深入研究切溝侵蝕機(jī)理、理解切溝侵蝕規(guī)律、建立切溝侵蝕模型具有重要意義。

筆者在系統(tǒng)梳理主要的切溝侵蝕監(jiān)測(cè)方法，利用Web of Science的高級(jí)檢索功能定量分析截至2019年切溝侵蝕測(cè)量方法的發(fā)展趨勢(shì)與特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上比較各方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)，以期為合理選擇切溝測(cè)量方法提供科學(xué)依據(jù)。

1 切溝侵蝕測(cè)量方法分類

在Web of Science中使用‘gully’‘erosion’‘technique’‘method’進(jìn)行主題搜索，發(fā)現(xiàn)目前切溝侵蝕監(jiān)測(cè)方法可按照切溝表面與測(cè)量?jī)x器是否接觸分為接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量2大類。其中，接觸測(cè)量包括測(cè)針法、斷面測(cè)量法、填充法、全站儀法與GPS法5類；非接觸測(cè)量包括激光掃描法、立體攝影測(cè)量法與遙感解譯法3類。

為深入分析上述8類方法的應(yīng)用情況，依照搭載平臺(tái)的不同，進(jìn)一步將GPS法分為差分、手持GPS法2種；激光掃描法分為機(jī)載、地面激光掃描法2種；立體攝影測(cè)量法分為地面、機(jī)載傳統(tǒng)立體攝影測(cè)量法，與地面、機(jī)載SfM(structure from motion)立體攝影測(cè)量法4種；遙感解譯法分為航空、衛(wèi)星遙感解譯法2種，共計(jì)14種方法。根據(jù)各方法的特點(diǎn)編寫檢索式(表1)，檢索范圍為Web of Science核心合集，檢索時(shí)間為1900—2019年，面向所有文獻(xiàn)類型。人工逐篇篩選檢索到的文獻(xiàn)，僅保留利用對(duì)應(yīng)方法進(jìn)行切溝直接測(cè)量的非綜述性文獻(xiàn)，最終得到359篇論文(article)和會(huì)議論文(proceedings paper)。各方法對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)數(shù)量占比和首次在切溝侵蝕文獻(xiàn)中出現(xiàn)的年份見表1(由于部分運(yùn)用激光掃描法的研究并未指明搭載平臺(tái)，在表中單獨(dú)列出)。

表1 各切溝測(cè)量方法的Web of Science檢索式、文獻(xiàn)數(shù)量及首次應(yīng)用年份Tab.1 Search queries used in Web of Science, numbers of publications and initial application years for different gully erosion measurement methods

切溝侵蝕測(cè)量中應(yīng)用最多和最少的方法分別為遙感解譯法與填充法，對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)數(shù)量占比分別為52.4%和0.3%(表1)。若根據(jù)搭載平臺(tái)細(xì)分，14種方法中使用最多的是航空遙感解譯法(39.6%)與衛(wèi)星遙感解譯法(12.8%)；運(yùn)用最少的是填充法(0.3%)和斷面測(cè)量法(0.8%)。統(tǒng)計(jì)各方法的首次應(yīng)用時(shí)間發(fā)現(xiàn)，機(jī)載激光掃描法與地面?zhèn)鹘y(tǒng)立體攝影測(cè)量法應(yīng)用最早，對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)收錄于20世紀(jì)80年代末期。測(cè)針法與遙感解譯法至90年代才開始被采納。進(jìn)入21世紀(jì)以來，GPS開始應(yīng)用于切溝研究；激光掃描法也從空中“落地”，不再需要依托特定航空器。地面與機(jī)載SfM立體攝影測(cè)量法應(yīng)用最晚。2012年，James等[7]在傳統(tǒng)攝影測(cè)量法的基礎(chǔ)上發(fā)展了SfM攝影測(cè)量技術(shù)，并將其成功運(yùn)用于土壤侵蝕研究，隨后Kaiser等[8]首次將其應(yīng)用于切溝監(jiān)測(cè)。

2 切溝侵蝕測(cè)量方法的應(yīng)用趨勢(shì)與特點(diǎn)

各切溝測(cè)量方法首次應(yīng)用時(shí)間均不早于20世紀(jì)80年代(表1)，因此在進(jìn)行趨勢(shì)分析時(shí)，將研究時(shí)間限定為1980—2019年。結(jié)果(圖1)表明，文章數(shù)量與當(dāng)年引用頻次均隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)。2005年之前，發(fā)文量與引文量相對(duì)平穩(wěn)，年均發(fā)文基本不超過10篇，當(dāng)年引文量均小于100次；2005年之后，發(fā)文量與引文量急劇上升，2019年發(fā)文量接近40篇，引文量也增至1 500次以上。說明學(xué)界對(duì)切溝侵蝕定量研究的關(guān)注度越來越高。

圖1 1980—2019年發(fā)表切溝侵蝕測(cè)量文章數(shù)量及 引用頻次Fig.1 Number of publications on gully erosion measurement and number of their citations during 1980-2019

對(duì)14種切溝測(cè)量方法的當(dāng)年發(fā)文量與引文量進(jìn)行分析(圖2和圖3)，發(fā)現(xiàn)其主要呈3種變化趨勢(shì)：快速增長(zhǎng)、先緩慢后快速增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)。第1種以機(jī)載SfM立體攝影測(cè)量法為代表，發(fā)文量與引文量均快速增長(zhǎng)。該方法在2014年首次應(yīng)用便受到廣泛關(guān)注，目前處于快速發(fā)展階段[8]。呈類似趨勢(shì)的還有地面SfM立體攝影測(cè)量法和航空遙感解譯法。

圖2 1980—2019年3種典型切溝侵蝕測(cè)量方法在不同 時(shí)間段的發(fā)文數(shù)量Fig.2 Number of publications employing three typical gully erosion measurement methods in different time periods during 1980-2019

圖3 1980—2019年3種典型切溝侵蝕測(cè)量方法文章的 當(dāng)年引用頻次Fig.3 Annual number of citations of the publications employing three typical gully erosion measurement methods during 1980-2019

第2種趨勢(shì)以衛(wèi)星遙感解譯法為代表。其發(fā)文量在2000年之前增長(zhǎng)緩慢，之后迅速增加；引文量則以2010年為分界呈先緩慢后快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。表明該方法剛開始的應(yīng)用有限，但隨著時(shí)間推移逐漸走向成熟，已成為切溝侵蝕測(cè)量的主要方法之一(表1)。呈類似趨勢(shì)的還有測(cè)針法、差分GPS法、地面激光掃描法和機(jī)載傳統(tǒng)立體攝影測(cè)量法。

第3種趨勢(shì)以機(jī)載激光掃描法為代表，發(fā)文量少且穩(wěn)定，引文量增長(zhǎng)緩慢或基本不變。說明該方法使用有限，在切溝侵蝕測(cè)量方法中處于邊緣狀態(tài)。呈類似趨勢(shì)的還有斷面測(cè)量法、填充法、全站儀法、手持GPS法和地面?zhèn)鹘y(tǒng)立體攝影測(cè)量法。

3 切溝侵蝕測(cè)量方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)

為進(jìn)一步對(duì)比各切溝測(cè)量方法，筆者基于文獻(xiàn)調(diào)研，選取精度、空間尺度等9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。如表2所示，在8類切溝測(cè)量方法中，GPS法的手持與差分GPS法、立體攝影測(cè)量法的傳統(tǒng)與SfM立體攝影測(cè)量法存在測(cè)量技術(shù)/原理的本質(zhì)差異，因此分別分開討論。

表2 不同切溝測(cè)量方法對(duì)比Tab.2 Comparison of different gully erosion measurement methods

3.1 接觸測(cè)量

3.1.1 測(cè)針法 通過測(cè)針記錄侵蝕性降雨前后切溝不同部位的高低起伏變化，從而獲得切溝侵蝕體積。該方法操作簡(jiǎn)單，便攜性高，設(shè)備、時(shí)間成本低，早在20世紀(jì)60年代便廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕研究中[9]。然而，直至1996年，測(cè)針法才開始為切溝侵蝕研究所用，并于2014—2019年得到快速發(fā)展，約一半文章發(fā)表于這一時(shí)期?？傮w而言，測(cè)針法精度較低，適用空間尺度小。一根測(cè)針代表的最大有效范圍約為1.28 m2，測(cè)針法的應(yīng)用范圍通常<0.01 km2[10]。此外，測(cè)針布設(shè)密度對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，過稀難以反映侵蝕溝的內(nèi)部形態(tài)與體積變化；過密則會(huì)擾動(dòng)地面，破壞原始下墊面條件[11]。

3.1.2 斷面測(cè)量法 根據(jù)切溝橫斷面形狀對(duì)切溝縱剖面進(jìn)行分段，測(cè)量各橫斷面的各邊邊長(zhǎng)及切溝各段的縱向長(zhǎng)度，進(jìn)而計(jì)算切溝各段體積。該方法的精度取決于侵蝕溝形態(tài)與測(cè)量間距。當(dāng)切溝溝長(zhǎng)<30 m、測(cè)量間距介于1～5 m時(shí)，誤差<10%。其主要缺陷在于只能反映切溝的整體變化狀況，無法獲知其空間發(fā)展方向。斷面測(cè)量法雖然總體精度不高，但過程易掌握，工具易攜帶，設(shè)備、時(shí)間成本均較低，可在野外快速獲取切溝的形態(tài)參數(shù)與空間分布，為水土保持規(guī)劃和流域管理等生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。

3.1.3 填充法 將已知密度的土壤或人工材料充填在切溝溝槽內(nèi)，以所填材料的質(zhì)量推算切溝體積。該方法操作簡(jiǎn)單，精度高于斷面測(cè)量法，但必須經(jīng)過稱重、回填等費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工序，且耗材較多，因此其成本、便攜性及效率都不及斷面測(cè)量法。填充法多用于數(shù)量有限的小型切溝測(cè)量。

3.1.4 全站儀法 利用全站儀獲得切溝不同時(shí)期的高程數(shù)據(jù)，構(gòu)建切溝DEM并推算切溝侵蝕。該方法在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用可追溯至1999年，但直到2012年才首次應(yīng)用于切溝測(cè)量。2014—2016年是全站儀法的快速發(fā)展時(shí)期，該時(shí)段發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量占比達(dá)53%。全站儀法的精度總體較高，具體與地形及下墊面復(fù)雜程度有關(guān)。其適用的空間范圍多為面積不足1 km2的坡面或小流域。全站儀法所用設(shè)備質(zhì)量與價(jià)格適中，但操作較復(fù)雜，需對(duì)測(cè)量人員進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)。

3.1.5 手持GPS法 通過對(duì)比GPS獲取的不同時(shí)相DEM來推算切溝侵蝕狀況。手持GPS早在20世紀(jì)90年代便作為輔助工具廣泛用于土壤侵蝕研究，但直到2000年后才開始偶爾應(yīng)用于切溝測(cè)量。手持GPS的應(yīng)用在2013—2016年達(dá)到頂峰，該時(shí)期文獻(xiàn)數(shù)量占比約55%。手持GPS便宜、輕巧、易操作，適合地表起伏較小、植被稀疏、GPS信號(hào)好的區(qū)域。其精度與測(cè)量間距緊密相關(guān)，東北漫崗黑土區(qū)理想的切溝測(cè)量間距約為2 m[12]，長(zhǎng)江上游地區(qū)約為5 m[13]。手持GPS法適用于小流域尺度的野外切溝測(cè)量。

3.1.6 差分GPS法 差分GPS相比手持GPS增加1個(gè)基準(zhǔn)臺(tái)，通過接收基準(zhǔn)臺(tái)的信息來修正GPS測(cè)量數(shù)據(jù)，從而大大提高測(cè)量精度。其中，RTK GPS通過實(shí)時(shí)處理2個(gè)測(cè)站載波相位的差分信號(hào)，經(jīng)基站與流動(dòng)站接收機(jī)的無線信號(hào)傳輸，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的三維定位精度[14]。差分GPS于2001年首次用于切溝測(cè)量，其應(yīng)用呈先緩慢后快速增長(zhǎng)，于2017—2019年達(dá)到頂峰。差分GPS精度高、作業(yè)速度快、不易受天氣影響，但成本較手持GPS與全站儀高，設(shè)備本身較重、不易攜帶。此外，該方法對(duì)測(cè)距也有要求，且差分信號(hào)易受地形復(fù)雜度及基站位置的影響。差分GPS適用于個(gè)體切溝的精密定量研究，尤其是新興發(fā)展的RTK GPS，既可保證一定的精度，又可實(shí)現(xiàn)便捷的野外切溝測(cè)量。

3.2 非接觸測(cè)量

3.2.1 激光掃描法 根據(jù)激光掃描設(shè)備發(fā)射激光返回的時(shí)間與/或角度反推地表三維坐標(biāo)，進(jìn)而生成DEM以推算切溝侵蝕。該方法早期將激光掃描設(shè)備搭載于飛機(jī)等航空器上，地面直接運(yùn)用較晚(表1)。2014—2018年，激光掃描法在切溝侵蝕研究中的應(yīng)用達(dá)到高峰，文獻(xiàn)數(shù)量占比高達(dá)68%。激光掃描法精度極高，測(cè)量結(jié)果通常作為驗(yàn)證其他方法的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，但仍受下墊面條件的影響，其使用應(yīng)避開植物生長(zhǎng)季。由于耗時(shí)長(zhǎng)、操作復(fù)雜，激光掃描法適用的空間范圍也不大，尤其是地面激光掃描法，應(yīng)用范圍通常不超過1 km2。此外，激光掃描法的設(shè)備笨重、昂貴，不易攜帶，多用于高精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集或切溝侵蝕定量模型構(gòu)建。

3.2.2 傳統(tǒng)立體攝影測(cè)量法 相機(jī)按照預(yù)設(shè)路線對(duì)切溝進(jìn)行連續(xù)拍照，然后借助其他信息如控制點(diǎn)坐標(biāo)建立DEM，通過對(duì)比不同時(shí)相DEM估算切溝侵蝕狀況。該方法于20世紀(jì)80年代晚期首次為切溝侵蝕研究所用，但至2010年代才得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)立體攝影測(cè)量法的主要優(yōu)勢(shì)在于精度高，能在復(fù)雜地形條件下作業(yè)；但其設(shè)備笨重、成本較高、測(cè)量效率較低，且切溝溝道內(nèi)的控制點(diǎn)網(wǎng)設(shè)定及攝影站、攝影基線的固定容易受到自然或人為因素的干擾，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[15]。此外，由于操作復(fù)雜，需對(duì)操作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。若依托機(jī)載平臺(tái)，該方法較難根據(jù)地形實(shí)時(shí)調(diào)整飛行高度和角度，在地形復(fù)雜區(qū)域如較陡的溝壁邊坡和內(nèi)凹的切溝溝頭容易造成數(shù)據(jù)缺失。因此，傳統(tǒng)立體攝影測(cè)量法適用空間范圍不大，多用于個(gè)體切溝的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)。

3.2.3 SfM立體攝影測(cè)量法 利用相機(jī)對(duì)切溝連續(xù)拍照，并借助控制點(diǎn)坐標(biāo)與特征信息建立DEM，對(duì)比不同時(shí)相DEM估算切溝侵蝕狀況。盡管該方法于2014年才首次應(yīng)用于切溝測(cè)量，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，發(fā)文量與引文量均隨時(shí)間快速增長(zhǎng)。與傳統(tǒng)立體攝影測(cè)量法相比，SfM通過普通相機(jī)的移動(dòng)與若干已知控制點(diǎn)坐標(biāo)、采用Agisoft Metashape等三維圖像處理軟件即可確定測(cè)量目標(biāo)的空間與幾何關(guān)系，技術(shù)成本與要求低，處理時(shí)間短，便攜性與效率都得到了較高的提升。SfM的測(cè)量精度也可達(dá)到厘米級(jí)，但仍受控制點(diǎn)數(shù)量與空間位置、下墊面條件的影響，應(yīng)盡量選取植被稀疏的季節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。SfM方法總體優(yōu)勢(shì)明顯，多用于精確、快速測(cè)量小流域范圍內(nèi)的個(gè)體切溝或室內(nèi)切溝侵蝕定量研究。

3.2.4 遙感解譯法 利用衛(wèi)星或航空飛機(jī)獲取研究區(qū)域不同時(shí)相的影像，通過目視解譯或機(jī)器學(xué)習(xí)解譯，獲得切溝輪廓并提取相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而推算切溝侵蝕狀況。該方法于20世紀(jì)90年代早期首次應(yīng)用于切溝測(cè)量，并在2010年代達(dá)到頂峰，發(fā)文量占比高達(dá)62.7%。遙感解譯法適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)空間范圍廣，主要用于面積超過50 km2的區(qū)域。該方法操作技術(shù)難度與使用成本低，但無法構(gòu)建切溝內(nèi)部狀況和直接獲得切溝體積。因此，遙感解譯法適合快速獲取切溝數(shù)量、分布及其動(dòng)態(tài)演化。

4 結(jié)論

1)切溝侵蝕測(cè)量方法主要有8類、14種，其中航空遙感解譯法與衛(wèi)星遙感解譯法應(yīng)用最多。

2)切溝侵蝕定量研究的發(fā)文量與引文量均呈指數(shù)增長(zhǎng)。各方法總體呈3種發(fā)展趨勢(shì)：以新興的機(jī)載SfM立體攝影測(cè)量法為代表的快速增長(zhǎng)，以成熟的衛(wèi)星遙感解譯法為代表的穩(wěn)中有升，以邊緣化的機(jī)載激光掃描法為代表的緩慢增長(zhǎng)。

3)不同測(cè)量方法的適用對(duì)象不同，斷面測(cè)量法總體精度不高，但簡(jiǎn)易、高效，可廣泛應(yīng)用于野外切溝調(diào)查；RTK GPS精度高、速度快，是野外切溝精確測(cè)量的有效方法；SfM是一種新興方法，相比傳統(tǒng)攝影測(cè)量法優(yōu)勢(shì)明顯；遙感解譯法適合研究空間大尺度切溝分布特征及其隨時(shí)間的演變。

切溝測(cè)量方法多種多樣，為切溝侵蝕監(jiān)測(cè)提供了豐富的選擇，有助于推動(dòng)切溝侵蝕相關(guān)研究，加深人們對(duì)切溝侵蝕的認(rèn)識(shí)。為確保測(cè)量結(jié)果的一致性和可比性，切溝侵蝕測(cè)量必將走向標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。如何集成現(xiàn)有各方法的優(yōu)勢(shì)，建立空中與地面、過去與現(xiàn)在的多角度、多時(shí)空綜合監(jiān)測(cè)，有效提高切溝侵蝕監(jiān)測(cè)的精度與效率，是未來切溝侵蝕定量研究的一項(xiàng)重要議題。