陳薪伊,史揚(yáng)子,楊 揚(yáng)*,黃婷婷,劉瑛娜,張光輝

(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,北京 100875;2 北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 地理學(xué)院,北京 100875;3 水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心,北京 100053)

切溝是指普通農(nóng)具無法橫跨耕作的侵蝕溝,通常切破犁底層,深入母質(zhì),寬度和深度均超過50 cm[1-2]。切溝侵蝕是指切溝發(fā)生發(fā)展過程中導(dǎo)致的侵蝕。作為水力侵蝕最嚴(yán)重的階段,切溝侵蝕是全球河流泥沙的主要來源之一,其產(chǎn)沙量可占流域產(chǎn)沙總量的10%～94%[3]。在我國(guó)黃土高原地區(qū),切溝侵蝕產(chǎn)沙量可占小流域總產(chǎn)沙量的50%以上,部分地區(qū)甚至可以達(dá)到80%以上[4-5]。選擇準(zhǔn)確、高效的測(cè)量方法對(duì)切溝及切溝侵蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)于揭示切溝侵蝕時(shí)空分布規(guī)律、闡明切溝侵蝕機(jī)理、構(gòu)建和完善切溝侵蝕模型具有重要意義。

近年來,以激光掃描法(laser scanning,LS)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(real-time kinematic,RTK)GPS和攝影測(cè)量法為典型代表的現(xiàn)代土壤侵蝕測(cè)量技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于切溝及切溝侵蝕監(jiān)測(cè),均取得了良好效果[6-9]。LS利用激光掃描設(shè)備發(fā)射激光,根據(jù)其返回時(shí)間推算所測(cè)地物的三維坐標(biāo),進(jìn)而生成DEM。該方法測(cè)量精度極高[10],結(jié)果常被用作驗(yàn)證其他方法的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)[11];然而,LS所用設(shè)備昂貴,對(duì)操作人員的專業(yè)要求較高,目前應(yīng)用十分有限[12]。RTK GPS是隨GPS定位精度不斷突破發(fā)展而來的一項(xiàng)全新測(cè)量技術(shù),兼具定位精度高(厘米級(jí))、測(cè)量耗時(shí)短等優(yōu)勢(shì)[13-14];但是,該方法的實(shí)際應(yīng)用受到衛(wèi)星信號(hào)限制,成本較高且要求操作人員到達(dá)實(shí)地測(cè)量點(diǎn),從而在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。攝影測(cè)量法可準(zhǔn)確測(cè)量地表形態(tài)變化,早在1980年代末便被用于切溝侵蝕研究[12]。傳統(tǒng)的立體攝影測(cè)量法需專業(yè)人員設(shè)計(jì)專門拍攝路線并利用笨重、昂貴的量測(cè)相機(jī)對(duì)切溝進(jìn)行連續(xù)拍照,總體應(yīng)用有限。隨著計(jì)算器視覺技術(shù)的快速發(fā)展,尤其是尺度不變特征轉(zhuǎn)換等圖像特征檢測(cè)和匹配技術(shù)的出現(xiàn),基于運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(structure from motion,SfM)的攝影測(cè)量方法應(yīng)運(yùn)而生[11]。該方法利用一部普通相機(jī)從多角度對(duì)切溝進(jìn)行連續(xù)拍照,然后借助若干已知地面控制點(diǎn)坐標(biāo)便可重建所測(cè)地物的三維模型。盡管在切溝監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用較晚[8],但該方法因具有便攜、快速、成本低和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),發(fā)展勢(shì)頭迅猛[12,15-16]。

目前,SfM攝影測(cè)量法在國(guó)內(nèi)切溝監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用還較少,溝壑縱橫、切溝侵蝕嚴(yán)重的黃土高原也不例外。本研究在黃土高原六道溝小流域選取規(guī)模不等、形態(tài)各異的7條典型切溝,以LS和RTK GPS的測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn),評(píng)估SfM攝影測(cè)量法對(duì)切溝和切溝侵蝕的測(cè)量精度,以期為SfM攝影測(cè)量法在黃土高原的實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為陜西省神木市的六道溝小流域(110°21′～110°23′ E,38°56′～38°51′ N),總面積6.9 km2,主溝道長(zhǎng)4.2 km。該區(qū)地處毛烏素沙地邊緣,屬水蝕、風(fēng)蝕交錯(cuò)帶(圖1a);氣候?yàn)橹袦貛О敫珊禋夂?多年平均降水量為437.4 mm,主要集中在夏季;植被為沙生植物與黃土區(qū)植物交錯(cuò)出現(xiàn);區(qū)內(nèi)地面組成物質(zhì)主要為第四紀(jì)黃土沉積物,土壤類型包括沙黃土、黃綿土、風(fēng)沙土及壩地淤土,土壤結(jié)構(gòu)松散,易遭受侵蝕[17-18]。

圖1 六道溝小流域(a)及所選切溝(b)的地理位置Fig.1 Geographical locations of Liudaogou catchment (a) and gullies selected (b) for investigation

2018年,在六道溝小流域開展實(shí)地調(diào)查,選取不同規(guī)模和形態(tài)的代表性切溝共7條(圖1b),于植被尚未完全萌發(fā)的初春(4月底、5月初)及植被枯萎凋落的秋末(10月)進(jìn)行測(cè)量。在春季,利用SfM攝影測(cè)量法對(duì)1～6號(hào)切溝(記為1S、2S、3S、4S、5S、6S)進(jìn)行測(cè)量。由于三維激光掃描及RTK GPS設(shè)備均為外借,時(shí)間所限,僅測(cè)量了其中部分切溝;前者對(duì)1～4號(hào)及6號(hào)共5條切溝進(jìn)行了測(cè)量、后者只對(duì)規(guī)模最大及中等的3號(hào)和5號(hào)切溝進(jìn)行了測(cè)量。在秋季,同時(shí)利用SfM攝影測(cè)量法和RTK GPS對(duì)5號(hào)和7號(hào)切溝(記為5F、7F)進(jìn)行測(cè)量。在7條切溝中,僅5號(hào)切溝在春、秋季均利用RTK GPS進(jìn)行了測(cè)量,通過對(duì)比可計(jì)算該切溝在當(dāng)年雨季的侵蝕體積。將該計(jì)算結(jié)果作為參考基準(zhǔn),評(píng)估SfM攝影測(cè)量法對(duì)切溝侵蝕的測(cè)量精度。

1.2 野外切溝測(cè)量

1.2.1 SfM攝影測(cè)量法

進(jìn)行SfM攝影測(cè)量之前,在切溝溝緣、溝底的局部地勢(shì)平坦且無植被遮擋處布設(shè)十字形地面控制點(diǎn)(ground control point,GCP),各GCP均勻分布,在溝緣轉(zhuǎn)折處適當(dāng)加密。利用Leica D510激光測(cè)距儀測(cè)量相鄰GCP之間的空間直線距離及兩點(diǎn)連線與水平面之間的夾角,在此基礎(chǔ)上計(jì)算兩點(diǎn)之間的水平投影距離和相對(duì)高程,再推算各GCP的空間直角相對(duì)坐標(biāo)[19]。

各切溝利用Canon EOS 70D相機(jī)進(jìn)行拍攝,相機(jī)焦距設(shè)置為18 mm。為確保后期三維重建的順利進(jìn)行,相鄰照片的重疊率至少為60%[20]。拍攝照片數(shù)量因切溝規(guī)模而異,介于1 320～11 600張(表1)。將各切溝照片導(dǎo)入軟件Agisoft Metashape 1.8.2中,將清晰度級(jí)別不足的照片刪除后進(jìn)行三維重建,依次生成稀疏點(diǎn)云、稠密點(diǎn)云和0.01 m×0.01 m分辨率的DEM[21-22]。

表1 各切溝拍攝照片數(shù)量Tab.1 Number of images taken for each gully

1.2.2 LS

利用激光掃描法進(jìn)行野外實(shí)地測(cè)量時(shí),先在所測(cè)區(qū)域內(nèi)選擇寬闊、無地物與植被遮擋的位置布設(shè)棱鏡靶標(biāo),利用Leica Nova MS60三維激光掃描全站儀進(jìn)行地理坐標(biāo)校正,至少重復(fù)3次。校正結(jié)束后,利用該全站儀掃描切溝不同部位,并在地形劇烈變化處適當(dāng)增加掃描次數(shù)。將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2,基于不規(guī)則三角網(wǎng)模型(triangulated irregular network,TIN)構(gòu)建DEM。為與SfM攝影測(cè)量法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,利用重采樣生成0.01 m×0.01 m分辨率的DEM。

1.2.3 RTK GPS

利用中海達(dá)iRTK2經(jīng)典版RTK GPS以大致50 cm的間距測(cè)量各切溝的溝緣、溝坡及溝底,并在地形劇烈變化處適當(dāng)增加測(cè)量點(diǎn)。與LS類似,將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2中構(gòu)建DEM,并重采樣至0.01 m × 0.01 m分辨率。

1.3 切溝相對(duì)DEM計(jì)算

3種測(cè)量方法采用的坐標(biāo)系不同,得到的切溝DEM無法直接進(jìn)行比較。RTK GPS采用大地坐標(biāo)系;LS和SfM攝影測(cè)量法的點(diǎn)云數(shù)據(jù)雖然均采用獨(dú)立空間直角坐標(biāo)系,但二者的坐標(biāo)原點(diǎn)并不完全一致。因此,先使用ArcGIS 10.2中的Georeferencing工具,以LS或RTK GPS得到的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),對(duì)SfM攝影測(cè)量法所得DEM進(jìn)行配準(zhǔn)。初春的植被雖較稀疏,也會(huì)對(duì)切溝溝緣的識(shí)別造成一定的影響。在春季,使用3種方法對(duì)3號(hào)切溝進(jìn)行了測(cè)量,計(jì)算其相對(duì)DEM之前,以RTK GPS數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對(duì)LS和SfM攝影測(cè)量法所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn);接下來,結(jié)合目視解譯和局部坡度變化識(shí)別不同測(cè)量方法得到的各切溝溝緣,利用TIN生成各切溝溝緣面DEM并重采樣至0.01 m × 0.01 m分辨率,將各切溝DEM減去相應(yīng)的溝緣面DEM得到相對(duì)DEM后再行比較。在相對(duì)DEM中,溝底的高程為負(fù)值,且絕對(duì)值大;溝緣的高程絕對(duì)值小,在理想狀況下應(yīng)接近0。然而,溝緣經(jīng)矢量勾繪后轉(zhuǎn)化為柵格并重采樣得到,在與切溝DEM做相減計(jì)算時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)柵格高程不等于0的情況。

1.4 切溝形態(tài)參數(shù)提取與對(duì)比

切溝各形態(tài)參數(shù)通過溝緣面DEM和切溝相對(duì)DEM在ArcGIS 10.2中加以提取。基于溝緣面DEM可提取切溝長(zhǎng)度、周長(zhǎng)、面積和周長(zhǎng)-面積比[23],基于切溝相對(duì)DEM可得到平均表面寬度、平均深度和體積。利用相對(duì)誤差(E)評(píng)估SfM攝影測(cè)量法對(duì)各切溝形態(tài)參數(shù)的測(cè)量精度[9]:

(1)

式中:mi為SfM攝影測(cè)量法所測(cè)第i條切溝的形態(tài)參數(shù);Mi為L(zhǎng)S或RTK GPS所測(cè)第i條切溝的形態(tài)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 切溝測(cè)量精度

2.1.1 SfM與LS所測(cè)切溝DEM對(duì)比

圖2對(duì)比了春季SfM與LS所測(cè)各切溝的相對(duì)DEM。1號(hào)(1S)、2號(hào)(2S)、3號(hào)(3S)、4號(hào)(4S)、6號(hào)(6S)切溝的高程平均差值分別為-0.077、0.120、-0.162、0.436和0.373 m。

圖2 SfM(a～e)與LS(f～j)所測(cè)1S、2S、3S、4S和6S相對(duì)DEMFig.2 Relative DEM of 1S, 2S, 3S, 4S and 6S measured by SfM (a～e) and LS (f～j)注:網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

然而,從高程差值的累積頻率分布(圖3)與空間分布(圖4)來看,2種方法對(duì)1S和3S的測(cè)量差異總體較小,相對(duì)高程差值主要集中在-0.5～0.5 m,對(duì)應(yīng)柵格占比均在85%左右。SfM較LS總體高估了4S和6S的高程,各柵格高程差值多為正值,主要集中在0～1.5 m范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)柵格占比分別為70.2%和67.8%,介于-0.5～0.5 m的柵格占比分別為41.3%和43.2%。至于2S,盡管2種方法所測(cè)平均高程差值較小,但空間變異較大,相對(duì)高程差值的分布較分散(圖3)。高程差值主要集中在-2～2 m,對(duì)應(yīng)柵格占比為70.0%,介于-0.5～0.5 m的柵格僅占22.0%。

圖3 SfM與LS所測(cè)不同切溝相對(duì)高程差值累積頻率分布Fig.3 Cumulative frequency distribution of relative elevation differences between SfM and LS for different gullies

圖4 SfM與LS所測(cè)1S(a)、2S(b)、3S(c)、4S(d)和6S(e)相對(duì)高程差值空間分布Fig.4 Spatial distribution of relative elevation differences of 1S (a), 2S (b),3S (c), 4S (d) and 6S (e) between SfM and LS注:網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

2.1.2 SfM與RTK GPS所測(cè)切溝DEM對(duì)比

利用SfM和RTK GPS測(cè)量春季3號(hào)(3S)和5號(hào)(5S)切溝,以及秋季5號(hào)(5F)和7號(hào)(7F)切溝的相對(duì)DEM(圖5)發(fā)現(xiàn),2種方法所測(cè)各切溝相對(duì)高程的平均差值不大,依次為-0.033、-0.096、-0.128和-0.075 m。從累積頻率分布(圖6)與空間分布(圖7)來看,SfM與RTK GPS所測(cè)5S、5F和7F的高程差值均主要集中在-0.5～0.5 m,對(duì)應(yīng)柵格占比分別為95.6%、96.3%和94.7%,超過±1.0 m的柵格僅占0.1%、1.2%和0.3%。相比之下,SfM和RTK GPS對(duì)3S的測(cè)量差異略大,高程差值介于-0.5～0.5 m的柵格較少,對(duì)應(yīng)占比為85.3%,甚至還有3.8%的柵格高程差值超過±1 m。

圖5 SfM(a～d)與RTK GPS(e～h)所測(cè)3S、5S、5F、7F相對(duì)DEMFig.5 Relative DEM of 3S, 5S, 5F and 7F measured by SfM (a～d) and RTK GPS (e～h)注:網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

圖6 SfM與RTK GPS所測(cè)不同切溝相對(duì)高程差值累積頻率分布Fig.6 Cumulative frequency distribution of relative elevation differences between SfM and RTK GPS for different gullies

圖7 SfM與RTK GPS所測(cè)3S(a)、5S(b)、5F(c)、7F(d)相對(duì)高程差值空間分布Fig.7 Spatial distribution of relative elevation differences of 3S (a),5S (b), 5F (c) and 7F (d) between SfM and RTK GPS注:網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

2.1.3 切溝形態(tài)參數(shù)對(duì)比

SfM、LS和RTK GPS所測(cè)各切溝形態(tài)參數(shù)如表2所示。配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,無論與LS還是與RTK GPS相比,SfM所測(cè)各切溝形態(tài)參數(shù)均無顯著差異(P>0.05)。

表2 SfM、LS和RTK GPS所測(cè)各切溝形態(tài)參數(shù)Tab.2 Morphological parameters of each gully measured by SfM, LS and RTK GPS

相比LS,SfM所測(cè)各切溝長(zhǎng)度和周長(zhǎng)精度最高,相對(duì)誤差均不超過±6%,平均相對(duì)誤差僅分別為2.7%和1.9%(表3)。SfM對(duì)切溝平均表面寬度的測(cè)量精度也較高,除6S的相對(duì)誤差高達(dá)11.8%外,各切溝的相對(duì)誤差均不超過±7%。相比之下,SfM對(duì)切溝深度的測(cè)量誤差較大。例如,SfM較LS大面積高估了4S和6S的高程(圖4d、4e),其對(duì)平均深度的低估百分比分別高達(dá)20.2%和32.6%。對(duì)于其余3條切溝,SfM對(duì)平均深度的測(cè)量誤差介于-4%～13%。盡管SfM所測(cè)各切溝面積與LS結(jié)果相近,相對(duì)誤差均不超過±7%;由于對(duì)深度的測(cè)量誤差,除1S和2S外,SfM對(duì)3S、4S和6S的體積測(cè)量誤差均超過±10%,分別為12.5%、-20.7%和—37.4%。兩種方法測(cè)得的各切溝周長(zhǎng)-面積比也十分接近(表2),但由于LS所測(cè)周長(zhǎng)-面積比本身較小,部分切溝的相對(duì)誤差超過±10%(表3)。

表3 SfM所測(cè)不同切溝形態(tài)參數(shù)的相對(duì)誤差Tab.3 Relative errors of different gully morphological parameters measured by SfM 單位:%

對(duì)同時(shí)利用RTK GPS和SfM 測(cè)量的3S、5S、5F和7F各形態(tài)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),2種方法所測(cè)結(jié)果總體相差不大(表2)。與SfM和LS的對(duì)比類似,SfM對(duì)各切溝長(zhǎng)度、平均表面寬度、周長(zhǎng)、面積和周長(zhǎng)-面積比的測(cè)量誤差較小,均不超過±8%,平均相對(duì)誤差依次為2.9%、1.3%、-1.9%、1.4%和-3.2%;對(duì)深度和體積的測(cè)量誤差較大,但也不超過±15%,平均相對(duì)誤差分別為7.9%和9.0%(表3)。

2.1.4 切溝測(cè)量精度影響因素

與LS和RTK GPS相比,SfM對(duì)切溝的測(cè)量誤差主要與植被覆蓋、切溝溝緣曲折程度、光照條件以及溝坡形態(tài)有關(guān)。盡管開展野外調(diào)查的初春和秋末植被較為稀疏,但其也會(huì)對(duì)LS和SfM的測(cè)量結(jié)果造成干擾,影響切溝溝緣的識(shí)別和DEM重建,使2種方法所測(cè)DEM無法完全重合、相對(duì)高程出現(xiàn)差異(圖4)。相對(duì)而言,RTK GPS直接對(duì)地表進(jìn)行測(cè)量,基本不受植被和枯落物干擾[12]。當(dāng)SfM與其進(jìn)行對(duì)比時(shí),往往會(huì)高估地表高程。例如,3S溝頭附近的溝底發(fā)育了1條小溝,但由于溝底植被干擾,SfM難以對(duì)其進(jìn)行完整識(shí)別和測(cè)量,導(dǎo)致SfM在此所測(cè)高程偏大(圖8)。

圖8 SfM與RTK GPS所測(cè)3S相對(duì)高程差值空間分布(a)及溝底小溝實(shí)地拍攝照片(b)Fig.8 Spatial distribution of relative elevation differences of 3S between SfMand RTK GPS (a) and a photo of a small channel at the bottom of 3S (b)注:網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

總體而言,切溝的周長(zhǎng)-面積比越大,溝緣越曲折,SfM的測(cè)量誤差相應(yīng)越大。例如,在SfM和LS同時(shí)開展監(jiān)測(cè)的5條切溝中,6S的溝緣最為曲折,LS所測(cè)周長(zhǎng)-面積比高達(dá)1.19 m-1,SfM所測(cè)面積和體積誤差均最大(表2)。此外,6S因拍攝過多照片造成的信息冗余(表1),可能也是造成SfM測(cè)量誤差的原因之一[24]。而在與RTK GPS的對(duì)比中,7F的周長(zhǎng)-面積比最大(表2),SfM所測(cè)切溝長(zhǎng)度、平均表面寬度和面積誤差均最大。

SfM對(duì)切溝的測(cè)量精度還受到光照條件的顯著影響。例如,SfM和LS所測(cè)4S的高程差值呈西低東高的態(tài)勢(shì)(圖4d),這主要是因?yàn)镾fM測(cè)量當(dāng)天下午光線充足,斜射的陽(yáng)光只可到達(dá)東岸,無法進(jìn)入較深的溝底。東岸的細(xì)節(jié)充足曝光,相機(jī)與所攝地物的距離較實(shí)際偏小,進(jìn)行三維重建的三角測(cè)量計(jì)算時(shí)得到的高程偏大(溝深被低估),與LS結(jié)果相減為正值。相比之下,西岸光線較暗,物體遠(yuǎn)近對(duì)比較不明顯,相機(jī)與地物的距離較實(shí)際偏大,SfM后期計(jì)算得到的高程偏小(溝深被高估),與LS相減為負(fù)值。可見,SfM的應(yīng)用受限于天氣情況,最好在陰天或多云天氣進(jìn)行,確保所測(cè)地物各部位的光線基本一致[19,25]。

溝坡形態(tài)主要影響SfM與RTK GPS對(duì)切溝的測(cè)量差異。對(duì)于溝坡上某些坡度較大的部位,RTK GPS無法直接進(jìn)行測(cè)量,只能通過溝緣和溝底的測(cè)量結(jié)果插值獲得。如果溝坡并非直形坡,而呈凸形、凹形等不規(guī)則形狀,那么SfM與RTK GPS所測(cè)高程就會(huì)出現(xiàn)較大差異。SfM與RTK GPS共同測(cè)量的各切溝溝坡均出現(xiàn)了局部坡度超過60°的陡峭凸出部位(圖9),SfM所測(cè)相對(duì)高程明顯較RTK GPS大(圖7)?？梢?相比RTK GPS,SfM對(duì)地形陡峭、無法到達(dá)地物存在明顯的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)[12]。然而,SfM對(duì)地物的三維重建高度依賴GCP的坐標(biāo)信息,對(duì)于黃土高原某些溝深坡陡的切溝(如2S)來說,GCP只能布設(shè)在溝岸和溝底,可能會(huì)在一定程度上影響SfM對(duì)切溝的測(cè)量精度(圖3、圖4b)[19]。

2.2 切溝侵蝕測(cè)量精度

2.2.1 SfM與RTK GPS所測(cè)切溝侵蝕對(duì)比

將SfM和RTK GPS所測(cè)5F的DEM減去5S的DEM,得到5號(hào)切溝在當(dāng)年雨季的土壤侵蝕空間分布(圖10)。2種方法都發(fā)現(xiàn)該切溝的溝頭處發(fā)生侵蝕,溝尾處出現(xiàn)堆積,但SfM測(cè)得的切溝溝底高程變化明顯較RTK GPS復(fù)雜。此外,SfM所測(cè)切溝溝緣尤其是東側(cè)和北側(cè)溝緣的高程變化較RTK GPS所測(cè)結(jié)果大,且主要表現(xiàn)為高程下降。從切溝形態(tài)參數(shù)(表4)來看,相比RTK GPS,SfM所測(cè)切溝平均表面寬度和體積變化較大,但周長(zhǎng)變化明顯偏小。對(duì)于切溝長(zhǎng)度、平均深度和面積變化,2種方法所測(cè)結(jié)果相差不大。

表4 SfM和RTK GPS所測(cè)5號(hào)切溝形態(tài)參數(shù)變化Tab.4 Changes of morphological parameters of gully No.5 measured by SfM and RTK GPS

圖10 SfM(a)與RTK GPS(b)所測(cè)5號(hào)切溝侵蝕空間分布Fig.10 Spatial distribution of soil erosion measured by SfM (a) and RTK GPS(b) for gully No. 5注:網(wǎng)絡(luò)版為彩圖。

2.2.2 切溝侵蝕測(cè)量精度影響因素

與切溝監(jiān)測(cè)類似,SfM對(duì)切溝侵蝕的測(cè)量精度主要與植被及其枯落物覆蓋有關(guān)。春季萌發(fā)的植被會(huì)對(duì)溝緣線造成遮擋,當(dāng)使用SfM測(cè)量時(shí),解譯得到的溝緣高程偏大且易向切溝內(nèi)側(cè)偏移,尤其是植被較為豐富的東側(cè)和北側(cè)溝緣;到了秋季,植被枯萎、葉片凋落,切溝溝緣出露。因此,相比基本不受植被干擾的RTK GPS,SfM所測(cè)切溝溝緣高程和平均表面寬度變化均較大(表4),因2種方法所測(cè)切溝面積變化相差不大,因而SfM所測(cè)切溝體積變化相應(yīng)較大(表4)。然而,雨季過后,SfM所測(cè)切溝周長(zhǎng)僅增加0.21 m,遠(yuǎn)小于RTK GPS所測(cè)結(jié)果。當(dāng)使用RTK GPS進(jìn)行測(cè)量時(shí),5號(hào)切溝在雨季前后的周長(zhǎng)-面積比基本相當(dāng),可見侵蝕并未顯著改變溝緣的曲折程度。2種方法測(cè)得的切溝周長(zhǎng)差異可能主要還是與溝緣植被有關(guān)。雨季前,由于溝緣植被干擾,SfM所測(cè)切溝溝緣較曲折,周長(zhǎng)-面積比為0.66 m-1,周長(zhǎng)與RTK GPS測(cè)量結(jié)果相差不大(表2)。雨季過后,盡管侵蝕使切溝有所擴(kuò)張,但植被枯萎凋落后溝緣曲折程度降低,SfM所測(cè)周長(zhǎng)-面積比降至0.62 m-1(表2),該方法測(cè)量得到的周長(zhǎng)增加有限(表4)。因設(shè)備所限,本研究?jī)H對(duì)1條切溝的雨季侵蝕進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量。未來有必要增加切溝測(cè)量條數(shù),尤其是雨季期間土壤侵蝕明顯的切溝,系統(tǒng)開展SfM對(duì)切溝侵蝕的測(cè)量精度評(píng)估。

2.2.3 切溝侵蝕影響因素

從SfM和RTK GPS所測(cè)5號(hào)切溝的相對(duì)DEM(圖10)和各形態(tài)參數(shù)變化(表4)可以發(fā)現(xiàn),該切溝在雨季前后總體變化不大。一方面,該切溝接近小流域分水嶺,匯水面積小,侵蝕動(dòng)力不大;另一方面,該切溝溝緣處的植被生長(zhǎng)較好,溝底的枯落物也較豐富,在一定程度上可保護(hù)切溝,削弱降雨和徑流侵蝕。

3 結(jié)論

本文以黃土高原六道溝小流域內(nèi)7條規(guī)模與形態(tài)各異的典型切溝為研究對(duì)象,通過與LS和RTK GPS對(duì)比,評(píng)估了SfM攝影測(cè)量法對(duì)切溝和切溝侵蝕的測(cè)量精度。研究結(jié)果表明,SfM攝影測(cè)量法可作為一種簡(jiǎn)單、便捷的高精度方法應(yīng)用于黃土高原的切溝和切溝侵蝕測(cè)量。與LS和RTK GPS相比,SfM攝影測(cè)量法所測(cè)各切溝相對(duì)DEM總體差異不大,平均高程差值介于-0.162～0.436 m;各切溝長(zhǎng)度、表面寬度、周長(zhǎng)和面積的相對(duì)誤差基本不超過±7%;深度和體積的相對(duì)誤差略大,介于-37.4%～18.0%。SfM對(duì)切溝的測(cè)量精度主要與植被覆蓋、切溝溝緣曲折程度、光照條件以及溝坡形態(tài)有關(guān)。因設(shè)備用時(shí)所限,僅評(píng)估了其中1條切溝的雨季侵蝕,發(fā)現(xiàn)RTK GPS和SfM攝影測(cè)量法所測(cè)土壤侵蝕空間分布與切溝形態(tài)參數(shù)變化均十分接近。

致謝:誠(chéng)摯感謝西華師范大學(xué)張斌教授、碩士研究生鄭吉林和吳曦在野外調(diào)查工作中的協(xié)助。