溝蝕監(jiān)測研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望

劉 青，范建容

(1.中國科學院/水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;2.中國科學院研究生院，北京100049)

溝蝕是地表徑流集中沖刷土壤和母質(zhì)并切入地內(nèi)形成溝壑的一種侵蝕方式。由水流沖刷而形成的侵蝕溝具有一定的外觀形狀，它是一條長而深的溝，每條溝可分為溝頂、溝底、水道、沖積圓錐及侵蝕溝岸地帶幾個部分。溝蝕是一種重要的土壤侵蝕類型，Poesen等人收集整理的全球56個不同區(qū)域溝蝕的產(chǎn)沙資料表明，溝蝕產(chǎn)沙量占流域產(chǎn)沙總量的最小比例為10%，最大為94%［1］。溝蝕破壞坡面景觀，提高坡面細溝連通性，對集中地表徑流沖刷表層土壤具有推動作用。沖溝蠶食耕地，破壞了土地的完整性，造成土地劣化，對土地資源危害很大。目前，國內(nèi)外許多學者利用各種溝蝕監(jiān)測方法研究溝蝕，并在此基礎(chǔ)上對沖溝侵蝕的影響因子、坡度和坡長等臨界條件的確定、沖溝的發(fā)育過程和形態(tài)特征、沖溝的侵蝕預(yù)報以及防治等進行了大量的研究。實現(xiàn)對溝蝕的有效防治和生態(tài)恢復(fù)需要充分認識溝蝕的形成機制及發(fā)展狀況，而對溝蝕進行監(jiān)測則是了解溝蝕形成機制及發(fā)展狀況的有效途徑。因此，選擇合適的監(jiān)測方法監(jiān)測侵蝕溝的發(fā)展過程，對于深入認識溝蝕過程及其發(fā)展規(guī)律，采取有效的溝蝕防治措施具有重要的意義。

1 溝蝕監(jiān)測方法研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外學者對溝蝕監(jiān)測方法的研究成果頗豐，但由于不同監(jiān)測方法的監(jiān)測原理不同，因此其監(jiān)測成果的精度也就有差異。針對特定的溝蝕監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測要求，選擇適宜的監(jiān)測方法，是搞好溝蝕監(jiān)測的基礎(chǔ)。

1.1 傳統(tǒng)皮尺、侵蝕針監(jiān)測法

傳統(tǒng)皮尺、坡度計監(jiān)測就是在不同時間，利用皮尺沿侵蝕溝每隔一定的距離，測量侵蝕溝的橫截面參數(shù)(上下截面寬，左右坡度、坡長)以及溝長、溝岸的各種形狀參數(shù)，以此計算侵蝕溝的體積，比較不同時間的體積變化情況，從而確定侵蝕溝的土壤侵蝕速率。Casalí等人采用皮尺等簡易工具測量侵蝕溝的形狀尺寸，發(fā)現(xiàn)橫截面間距在5 m以內(nèi)可保證測量誤差＜10%［2］。該方法成本低但費時費力，測量精度受測量人員專業(yè)水平以及侵蝕溝的復(fù)雜程度影響，誤差具有一定的不確定性。

傳統(tǒng)侵蝕針監(jiān)測是開發(fā)建設(shè)項目土壤流失監(jiān)測的一種常用方法，目前根據(jù)工程監(jiān)測需要已有一系列改良的侵蝕針監(jiān)測方法。在需要監(jiān)測土壤侵蝕的部位相隔一定的距離釘下一系列侵蝕針，作為侵蝕基準點，并在露出地面的地方做好標記，每隔一段時間記錄侵蝕針出露的高度，并以此計算該區(qū)域土壤侵蝕量及侵蝕速率，或者利用全站儀準確測量侵蝕針雨季前后的出露高度的變化，以此計算侵蝕量和侵蝕速率［3］。采用侵蝕針進行土壤侵蝕監(jiān)測，操作簡單，易學易用，且監(jiān)測精度相比皮尺測量更有保障，缺點是侵蝕針位置若固定在易發(fā)生崩塌或其他土體不穩(wěn)的地方，有加劇土體失穩(wěn)引起土壤侵蝕的可能且易丟失該侵蝕針的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 遙感監(jiān)測法

遙感監(jiān)測是近年來應(yīng)用較多的一種監(jiān)測方法。該方法通過解譯不同時期的遙感影像，獲得侵蝕溝的不同體積，兩者相減即可得到某時段侵蝕溝的侵蝕量以及侵蝕速率。遙感監(jiān)測種類很多，按遙感平臺可分為地面遙感、航空遙感以及航天遙感，按傳感器類型可分為光學攝影、激光雷達，其中航天遙感由于地面分辨率不能達到分辨出地面細小侵蝕溝的要求，因此在溝蝕監(jiān)測中較少應(yīng)用。隨著遙感與計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，遙感在溝蝕監(jiān)測方面的應(yīng)用也越來越廣泛。遙感技術(shù)具有資料獲取周期短、可長期監(jiān)測以及測量精度可度量等優(yōu)勢，相比于其他形式的監(jiān)測法，具有室內(nèi)作業(yè)量大、技術(shù)要求高且必須配合相應(yīng)的專業(yè)軟件才能工作的特點。

1.2.1 地面立體攝影監(jiān)測

地面立體攝影監(jiān)測需在溝道內(nèi)建立永久性的控制網(wǎng)，建立固定的攝影站、攝影基線，每隔一定時間在基線的兩端點進行同方向的攝影，取得一對像對，地面侵蝕溝的變化情況即可根據(jù)各攝影取得的立體像對轉(zhuǎn)繪成的地形圖獲得。地面立體攝影測量技術(shù)在溝蝕監(jiān)測中的應(yīng)用較早，1978年徐國禮等人就探索地運用地面立體攝影測量法監(jiān)測溝蝕和重力侵蝕。1988年徐國禮等在天水龍王溝監(jiān)測試驗區(qū)利用地面立體攝影測量技術(shù)較準確地測出溝道各部位的變化過程，且平面控制和高程控制測量達到1∶100比例尺的地形圖圖面精度［4］。地面立體攝影監(jiān)測法的優(yōu)勢在于能控制測量的精度，獲得細小侵蝕溝的變化過程，但溝道內(nèi)的控制網(wǎng)設(shè)定以及攝影站、攝影基線的固定不易永久保存，容易受到外界自然或人為因素的干擾而影響測量的準確性。

1.2.2 航空攝影監(jiān)測

航空攝影監(jiān)測主要指在一定高度的遙感平臺上利用光學攝影技術(shù)獲取地面溝蝕區(qū)域立體像對影像，并根據(jù)立體像對獲取高程信息生成DEM后糾正航空影像獲得正射影像，最后從正射影像上獲取侵蝕溝谷信息。

航空攝影監(jiān)測是一種方便、快捷的溝蝕監(jiān)測方法，其技術(shù)的關(guān)鍵是保證地面分辨率以及圖像的幾何精確性。近年來，研究者為了保證地面分辨率，以使溝蝕狀況能被最大限度地呈現(xiàn)出來，使用各種方法搭建了各式各樣的遙感平臺:2003年Ries等人在西班牙埃布羅盆地中部應(yīng)用熱氣球作為遙感平臺，在不同的飛行高度(10～300 m)和鏡頭焦距(50、28 mm)組合下獲得從1∶100比例尺到1∶1萬比例尺的影像，精度能滿足不同侵蝕溝的監(jiān)測需求［5］;2006年范建容等人利用四川西昌大箐梁子1957、1979、2000年航空影像獲取該區(qū)侵蝕溝溝長變化信息，并經(jīng)過野外調(diào)查和驗證符合實際情況［6］;Marzolff等人2009年在西班牙半干旱地區(qū)利用汽艇和風箏(飛行高度為40 m左右)作為攝影平臺，采用LPS 8.7萊卡相機拍攝侵蝕溝形狀特征，完成了對侵蝕溝的監(jiān)測，獲得5 cm×5 cm和7.5 cm×7.5 cm的高分辨率DEM，且保證了監(jiān)測誤差在0.5個柵格單元之內(nèi)［7］;近年來，隨著無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)的成功研制，該技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多，崔紅霞等人2005年利用中國測繪科學研究院研制的無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)UAVRS2II，對試驗區(qū)采用20 mm、視場角為42 b的鏡頭定高300 m飛行獲得10 km2的地面影像，影像精度高(平面中誤差0.111 mm，高程中誤差0.117 mm)［8］，滿足了攝影測量的精度要求，也能滿足侵蝕溝變化信息的監(jiān)測需求。

利用航空攝影監(jiān)測侵蝕溝變化是一種較為普遍的監(jiān)測方法，由于遙感平臺的多樣化、傳感器技術(shù)的改進，近年來該方法獲取的圖像空間分辨率和精度都有很大的提高，能更準確地測量侵蝕溝變化情況。但上述各種遙感平臺如風箏、熱氣球、無人機等在一定程度上受氣候條件的影響，還有很大的改進空間。另外，無人機遙感監(jiān)測技術(shù)還處于初期應(yīng)用階段，還沒得到足夠的重視，目前還未正式引入溝蝕監(jiān)測領(lǐng)域。

1.2.3 雷達監(jiān)測

雷達監(jiān)測即通過向需要監(jiān)測的溝蝕區(qū)域發(fā)射已知的微波或激光信號，同時接收這些信號與地面相互作用后的回波信號，通過測量激光從發(fā)射到返回之間的時間計算距離，可以快速獲取物體表面每個采樣點的空間位置坐標，比較前后兩者的頻率和極化位移等差異生成地表數(shù)字圖像，從而獲取地面侵蝕溝信息。雷達監(jiān)測技術(shù)分為地面雷達和空中雷達，Perroy［9］等通過在加利福尼亞州圣克魯茲市分別利用地面雷達和空中雷達圖像生成的DEM與實際地面進行對比，獲悉空中雷達和地面雷達獲得的點云數(shù)據(jù)高程值都高于侵蝕溝底實際高程值，因此雷達技術(shù)在探測侵蝕溝體積時往往使得其值偏小。另外，Perroy等人還認為在雷達點云數(shù)據(jù)的精度問題上，空中雷達比地面雷達更具有優(yōu)勢，因為地面雷達探測技術(shù)使用側(cè)視觀測且覆蓋范圍小，使得雷達點云數(shù)據(jù)精度下降，若利用分米級的高分辨率空中雷達技術(shù)，再優(yōu)化利用野外站點實測數(shù)據(jù)，可以使探測數(shù)據(jù)誤差最小化。考慮到地面雷達監(jiān)測技術(shù)相對費用較低，在時間等資源充足的條件下利用地面雷達觀測技術(shù)對侵蝕溝各角落充分探測，同樣可以提高監(jiān)測精度，彌補由于側(cè)視觀測引起的點云誤差。

近年來發(fā)展起來的三維激光掃描技術(shù)是一項新興的地面雷達技術(shù)。馬立廣利用I－Site 4400型地面三維激光掃描系統(tǒng)對武漢大學友誼廣場周邊建筑物實體進行了一次水平360°的掃描測量，測量結(jié)果與索佳SET1010全站儀測量結(jié)果相比，誤差均值為5 cm，測量精度高［10］。如果將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于溝蝕監(jiān)測方面，可以快速、準確地重塑侵蝕溝三維實體，連續(xù)掃描測量可以獲得侵蝕溝的侵蝕速率。

目前，三維激光掃描技術(shù)在溝蝕監(jiān)測方面已有了一些嘗試。張鵬等通過對坡面溝蝕發(fā)育過程的模擬，再現(xiàn)了坡面片蝕—細溝侵蝕—切溝侵蝕的演變過程;對比分析高精度GPS(Trimble 5700)、三維激光掃描儀(Leica HDS 3000)和侵蝕針3種測量方法在溝蝕過程監(jiān)測和侵蝕量估算方面優(yōu)缺點［11］的結(jié)果表明:激光掃描儀能很好地監(jiān)測溝蝕演變過程，且對侵蝕量估算精度較高，誤差僅為4.5%，相比于高精度GPS的7.38%與侵蝕針法的－12.78%，具有更高的監(jiān)測精度。馬玉鳳等對威連灘沖溝溝頭的南支溝侵蝕邊界的監(jiān)測研究也表明三維激光掃描儀(Trimble GX 3D)是一種高精度的非接觸式測量，掃描的標準差為2.5 mm，在100 m范圍內(nèi)測量，位置精度為12 mm，距離精度為7mm，可以真實地反映地表形態(tài)［12］。該方法精度高、成本也較高，且要求掃描儀的放置位置具有一定的巖土穩(wěn)定性和地形可視性，以保證控制點的固定不變和能最大程度地實現(xiàn)對侵蝕溝的掃描，這就對侵蝕溝環(huán)境特征以及操作者的技術(shù)有一定的要求，因此也影響了該技術(shù)在溝蝕監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用。

1.3 GPS監(jiān)測法

GPS技術(shù)是一種快速高效研究溝蝕發(fā)生演變的手段，通過GPS可以快速準確地為溝蝕區(qū)域的監(jiān)測點定位，確定各點地貌參數(shù)，提取監(jiān)測區(qū)域DEM信息，從而獲取侵蝕溝容積以及相關(guān)參數(shù)，計算得出侵蝕溝的侵蝕量及侵蝕速率。GPS監(jiān)測能獲得高空間分辨率的DEM，在監(jiān)測沖溝形態(tài)特征變化、確定溝蝕速率等方面具有重要的作用。GPS監(jiān)測獲取的DEM精度與GPS測量點間距有直接關(guān)系:伍永秋等在定邊縣使用高精度GPS——Trimble 4700RTK，獲得點間距≤0.2 m 的侵蝕溝表面點數(shù)據(jù)，監(jiān)測流域形態(tài)變化，提取出空間分辨率為2 m的DEM，并得出該區(qū)侵蝕溝溯源侵蝕速率為 0.16～2.12 m/a［13］;何福紅等在長江上游西昌地區(qū)馬家松坡小流域的研究表明，隨著測量間距的增加，從DEM上提取的地面平均坡度、平均剖面曲率和溝壑密度的精度均呈顯著線性遞減趨勢，監(jiān)測成本也相應(yīng)減少［14］。因此，選擇GPS技術(shù)監(jiān)測侵蝕溝變化信息時，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測精度需求確定GPS測量點間距。

1.4 樹木斷代法

樹木斷代法監(jiān)測溝蝕主要用于確定中后期侵蝕溝的侵蝕年代以及侵蝕速率。該法是根據(jù)侵蝕溝中裸露的年齡較大(一般大于開始侵蝕的年代)的樹根與樹干的生理結(jié)構(gòu)特征以及其他與土壤侵蝕有關(guān)的形態(tài)特征(如由于表層土壤被沖刷流失而裸露在外的樹木根莖部分導(dǎo)管生長將會減緩，出現(xiàn)與之前不同的生理結(jié)構(gòu);在土壤侵蝕過程中倒下的樹木以及溝蝕速率變緩后樹木重新固定溝床等特征)追溯該區(qū)域侵蝕溝的侵蝕年代與侵蝕速率。Vandekerckhove曾利用樹木斷代法監(jiān)測技術(shù)在西班牙進行侵蝕溝監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與短期溯源侵蝕監(jiān)測結(jié)果相比，證明樹木斷代法在溝蝕監(jiān)測的應(yīng)用中是可靠的［15］。從樹木斷代法的監(jiān)測原理可以看出該方法是一種比較粗糙的確定溝蝕年代以及侵蝕速率的方法，適合在林木生長區(qū)無其他監(jiān)測數(shù)據(jù)或不需要精確測量時應(yīng)用。

1.5 塘庫、淤地壩回溯法

塘庫、淤地壩攔截降雨產(chǎn)生的泥沙，單次洪水經(jīng)過沉淀后形成一個沉積旋回，隨著時間的推移，由多次降雨產(chǎn)生多次洪水后形成對應(yīng)的泥沙沉積旋回，單個旋回層次表現(xiàn)出泥沙表層細、底層粗的沉積特征，由多個沉積旋回構(gòu)成的沉積剖面則出現(xiàn)泥沙由細到粗的周期性分布特征。淤地壩淤滿之后，則該壩地的垂直剖面記錄了從建壩到淤滿期間由洪水形成的所有泥沙沉積層次。根據(jù)塘庫、淤地壩內(nèi)泥沙沉積特征，利用控制一定匯水面積的塘庫或淤地壩回溯該區(qū)域歷史時期土壤侵蝕量，是一種適用范圍窄但具有較好監(jiān)測效果的方法。2005年伏介雄等人利用塘庫沉積泥沙量及其沉積特征確定南充流溪河流域內(nèi)平均小流域淤沙模數(shù)，并以此計算該流域土壤侵蝕模數(shù)［16］。之后齊永青等人選擇川中丘陵區(qū)和三峽地區(qū)的四川鹽亭、南充和重慶開縣的4條小流域，采集塘庫沉積泥沙137Cs樣品，確定了1963年以來塘庫泥沙淤積量，并分析了流域輸沙模數(shù)和侵蝕模數(shù)［17］。該方法是針對整個控制區(qū)域的土壤侵蝕進行監(jiān)測研究的，在溝蝕區(qū)域，對于沖溝形態(tài)復(fù)雜、周圍環(huán)境惡劣、沒有歷史監(jiān)測資料且具有單獨控制研究區(qū)全部徑流的塘庫或淤地壩的區(qū)域，應(yīng)用該方法是好的選擇。

2 溝蝕監(jiān)測研究發(fā)展展望

從上述可以看到，目前的各種溝蝕監(jiān)測方法都有著一定的局限性，這直接影響到研究者進行深入、系統(tǒng)的溝蝕研究和防治。一種好的溝蝕監(jiān)測方法一般都具有能達到監(jiān)測所要求的精度，監(jiān)測工作可持續(xù)，便于完成長期的監(jiān)測任務(wù)，且監(jiān)測成本合理的特點?；谏鲜霰O(jiān)測方法的優(yōu)缺點，筆者認為溝蝕監(jiān)測方法的發(fā)展應(yīng)從以下幾方面努力。

(1)提高監(jiān)測精度。溝蝕所形成的侵蝕溝外觀形狀為一條長而深的溝，且溝蝕發(fā)展變化的速度慢，一般每年以厘米為單位向外擴展［3］，這就決定了溝蝕監(jiān)測對精度的要求比簡單的地物類型識別高。三維激光掃描技術(shù)是一種高精度的測量技術(shù)，目前主要在變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、古建筑物和文物保護、斷面和體積測量等領(lǐng)域應(yīng)用，具有不需要合作目標、高精度、高密度、高效率、全數(shù)字特征等優(yōu)點。目前已有部分研究者為如何將該技術(shù)更好地應(yīng)用于溝蝕監(jiān)測方面進行了各種嘗試，并取得了滿意的結(jié)果。無人機遙感監(jiān)測技術(shù)具有高時效、能獲取高空間分辨率圖像，且低成本、低損耗、可重復(fù)使用、風險小等諸多優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域從最初的偵察、早期預(yù)警等軍事領(lǐng)域擴大到資源勘測、氣象觀測及處理突發(fā)事件等非軍事領(lǐng)域。如何將三維激光掃描技術(shù)以及無人機遙感監(jiān)測技術(shù)更好地應(yīng)用于溝蝕監(jiān)測領(lǐng)域，建立一套精確、快捷、成本合理的溝蝕監(jiān)測系統(tǒng)將成為今后一段時期內(nèi)的研究熱點。

(2)降低監(jiān)測工作的難度。監(jiān)測難度影響著監(jiān)測工作的可持續(xù)性。遙感監(jiān)測是目前最具可持續(xù)性的監(jiān)測方法，但從目前的應(yīng)用情況看，大部分遙感監(jiān)測技術(shù)特別是空中遙感監(jiān)測技術(shù)甄別侵蝕溝這類微地形的能力還有待提高。而具有很高監(jiān)測精度的三維激光掃描技術(shù)對使用者的專業(yè)要求高，且對工作環(huán)境有一定的要求，加大了在環(huán)境惡劣的溝蝕區(qū)域進行侵蝕溝掃描的難度，使得該方法不能在所有溝蝕區(qū)域應(yīng)用。因此，提高監(jiān)測方法對環(huán)境的適應(yīng)性，減小工作難度，可為實現(xiàn)溝蝕監(jiān)測的持續(xù)進行提供保障。無人機遙感監(jiān)測技術(shù)受監(jiān)測區(qū)地面環(huán)境影響小，能獲得研究者無法到達(或不能輕易到達)的溝蝕區(qū)域的侵蝕信息，大大降低了監(jiān)測工作的難度，因此促進無人機遙感監(jiān)測技術(shù)在溝蝕監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用將使得溝蝕監(jiān)測工作更加便捷。

(3)選擇適宜的監(jiān)測方法，建立適用的監(jiān)測技術(shù)體系。溝蝕監(jiān)測是深入、系統(tǒng)地開展溝蝕研究的前提，選擇一種適合的監(jiān)測方法對準確地認識溝蝕發(fā)展情況具有重要意義。監(jiān)測目的決定監(jiān)測的精度要求，監(jiān)測條件(經(jīng)費、人員、技術(shù))決定可供選擇的監(jiān)測技術(shù)，二者共同決定最佳的監(jiān)測方法。因此，改善監(jiān)測條件，建立一套適用面更廣、適用程度更優(yōu)的可供選擇的監(jiān)測技術(shù)體系，保證監(jiān)測結(jié)果更好地滿足科研、生產(chǎn)需要，是今后溝蝕科研、生產(chǎn)研究的方向之一。

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