基于LIDAR和GIS技術的坡面侵蝕溝空間發(fā)育分析

孫玉柱，鄭粉莉，張 姣

（1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院 陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

黃土高原丘陵溝壑區(qū)侵蝕溝的分布面積可占溝間地面積的70%左右［1］，由于其對坡耕地的切割，對土地資源造成了極大的破壞。因此，定量研究溝蝕的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，對土壤侵蝕防治具有重要意義。LIDAR技術是近年來新興的測量技術，由于其具有精度高、無接觸、采集空間點密度大、速度快等優(yōu)點［2－7］，目前該技術已在土壤侵蝕研究中有新的嘗試和成果。余叔同等［3］用三維激光掃描儀和GIS結合的方式研究了坡面淺溝的發(fā)育模型，張姣等［4］采用三維激光掃描儀動態(tài)監(jiān)測了溝蝕的發(fā)育過程。LIDAR與GIS結合應用中，數(shù)字高程模型（DEM）起到了橋梁的作用。土壤侵蝕領域中DEM的作用主要是從中提取各種地形要素和建立各種地形剖面［8］。以往的研究中，LIDAR技術和GIS結合應用的研究內容主要有：（1）基礎量算。利用GIS軟件的體積量算、表面積量算、距離量算和面積量算等功能對轉化后的DEM進行量算。如通過體積運算進而計算侵蝕量［2－4，7］；（2）三維分析。將 DEM 或提取的等高線生成三維模型，進行三維分析［4－5］；（3）特征提取。根據(jù)DEM的柵格值進行溝形態(tài)提取［7］。本研究采用GIS數(shù)據(jù)處理軟件的剖面圖功能，提取坡面單位長度侵蝕溝橫斷面，并分析每一個斷面的侵蝕溝寬度和深度等，分析侵蝕溝發(fā)育特征，為研究侵蝕溝防治提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.1 數(shù)據(jù)獲取

本研究數(shù)據(jù)來源于課題組2010年基于三維激光掃描技術（LIDAR）動態(tài)監(jiān)測的溝蝕發(fā)育數(shù)據(jù)。試驗在水土保持研究所人工模擬降雨大廳進行。試驗實體模型尺寸為試驗土槽長8m，寬3m，深0.6m，坡度20°；實驗用土為安塞縣的黃綿土，耕層（上層）土壤容重為1.1g／cm3，犁底層（下層）土壤容重為1.25 g／cm3；采用100mm／h的降雨強度進行連續(xù)四場次的降雨試驗，降雨歷時依據(jù)溝蝕發(fā)育階段而定，約為30～70min。為了保持細溝的連續(xù)發(fā)育，模擬降雨實驗為每周進行一次，連續(xù)進行四周，直至溝蝕發(fā)育充分，判斷溝蝕發(fā)育充分的標準是以試驗土槽沿坡長方向70%以上的侵蝕溝溝槽下切至底部沙層時為準。數(shù)據(jù)采集方法為每場降雨前和降雨后，采用Leica Scanstation 2三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集，儀器距離試驗土槽2～3m，采樣密度1mm。內業(yè)處理方式為采用三維激光掃描儀自帶軟件Cyclone軟件進行去噪、拼接、坐標轉換等處理，形成點云，最后以dxf格式導入SuperMap Deskpro中進行分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理

SuperMap Deskpro是一款專業(yè)的GIS數(shù)據(jù)處理軟件，能夠完成多源數(shù)據(jù)導入，數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)編輯、空間分析、制圖輸出等功能。本次數(shù)據(jù)處理過程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理過程

新建基于SQL Server 2005的空間數(shù)據(jù)庫，并將4期dxf格式的點云數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫。導入后，首先將點云以深度值作為高程轉換成TIN，然后由TIN轉化成分辨率是1mm的高精度DEM。

為了準確地獲取沿坡長方向單位長度的侵蝕溝橫斷面，需要借助于輔助網格。輔助網格的外部輪廓須與DEM的外接矩形吻合，并以單位長度分割。截取橫斷面時，沿輔助網格的分割線截取即可?；诒敬卧囼灥臏y量數(shù)據(jù)，單位長度取0.5m能夠比較準確地體現(xiàn)侵蝕溝的變化特征。SuperMap Deskpro提供了網格制作工具，可以制作網格，設置界面如圖2所示。在網格工具中設定最小X，最大X，最小Y，最大Y，單位格的高度和寬度6個參數(shù)，以及輸出位置。X，Y坐標設置控制網格的邊界與DEM外接矩形一致，單元格的高度和寬度控制格子的大小，由于坡面的長度為8m，寬度為3m，單元間隔為0.5m，故將單元格的寬度設置為3.0m，高度設置為0.5m。

圖2 網格制作界面

坡面的坐標系設置方式是：面向坡面，左上角為坐標原點；沿匯水方向為縱坐標y，坡頂為起始坐標，即0m位置，坡底為終止坐標，即8m位置，從坡頂?shù)狡履_坐標值依次增加；垂直于匯水方向為橫坐標x，左邊線為起始坐標，即0m位置，右邊線為終止位置，即3m位置，從左到右坐標值依次增加；垂直于坡面方向為立坐標z，坡面為0m，由坡面向下依次遞減。

數(shù)據(jù)采集時，由于頂部0～0.5m處尚未有侵蝕溝發(fā)生，故將試驗土槽頂部0m和0.5m的橫斷面舍棄，同時為了消除下部試驗土槽下部集水槽的影響，也試驗土槽底部8m處的橫斷面舍棄。最終，由坡上至坡下依次選取1，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5m 處 的 侵 蝕 溝橫 斷面進行溝蝕發(fā)育特征研究。

2 侵蝕溝空間分布

2.1 斷面分析

斷面分析是指地形斷面研究中，以線代面研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢變化、地質構造、斜坡特征、地表切割強度等［9］。本研究通過提取坡長方向上單位長度的系列侵蝕溝橫斷面研究溝蝕的發(fā)育特征。SuperMap Deskpro的剖面圖功能能夠依照設置的斷面位置提取坡面的橫斷面。圖3是提取的斷面圖，斷面圖上顯示了該斷面的最大和最小高程，并可以查詢該斷面上每個坡面點的坐標和高程信息。在斷面圖上，min z是該斷面的最大溝深，溝兩側邊界坐標值的差即溝寬。針對每場次降雨后的DEM，依次得到各個指定位置的橫斷面，并對應記錄溝深和溝寬。

圖3 橫斷面示意圖

2.2 侵蝕溝長度變化分析

經過斷面分析，獲得4場次降雨后坡面侵蝕的溝寬數(shù)據(jù)（表1）。表1中寬度值為0的位置表明此處尚未形成侵蝕溝，寬度大于0的位置表明侵蝕溝已經出現(xiàn)。從溝寬的值可以得到侵蝕溝的起點位置區(qū)間，由于溝寬的終點均位于坡面7.5～8m，所以可以獲得溝長的區(qū)間，如第一場次降雨后，自坡長5.0m處以上溝寬大于0，則溝頭的位置為坡面4.5～5m處左右，溝長的最大值為3.5m（8.0～4.5m），溝長的最小值為2.5m（7.5～5.0m），溝長L的值域為L∈（2.5，3.5）。

表1 侵蝕溝斷面寬度

依次類推，第二場次降雨后，自坡長4.0m處溝寬大于0，則溝頭的位置為3.5～4.0m，溝長的值域為L∈（3.5，4.5）；第三場次降雨后，自2.5m處溝寬大于0，則溝頭的位置為2.0～2.5m，溝長的值域為L∈（5.0，6.0）；第四場次降雨后，自2.0m處溝寬大于0，則溝頭的位置為1.5～2.0m，溝長的值域為L∈（6.0，7.0）。

由溝頭的位置和溝長的值可以看出，四場次連續(xù)降雨中，侵蝕溝溝頭均向坡上延伸，其中以第一場次降雨和第三場次降雨的溝頭前進速度最快，溝長增加最大。溝頭前進主要是由侵蝕溝的溯源侵蝕引起的，可見四場次連續(xù)降雨中，均存在溯源侵蝕，而以第一場次降雨和第三場次降雨中溯源侵蝕最為明顯。

2.3 侵蝕溝寬度變化分析

侵蝕溝寬的增量能夠直接體現(xiàn)溝寬的變化幅度。在此對所有斷面，用后一場次降雨的溝寬減去前一場次降雨的溝寬，分別得到四場次降雨的溝寬增量，并進行統(tǒng)計分析（圖4）。

圖4 各降雨場次侵蝕溝寬的增量變化趨勢

由圖4可看出，第一場次降雨的最大增幅出現(xiàn)在坡長6.0m處，第二場次降雨的最大增幅出現(xiàn)在坡長5.0m處，第三場次和第四場次降雨的最大增幅均出現(xiàn)在坡長3.5m。最大增幅位置的變化趨勢與溯源侵蝕的方向一致。侵蝕溝的寬度增加有兩種方式，第一種是伴隨著溯源侵蝕在坡面上部位置發(fā)生的溝頭擴張，屬于水力侵蝕；第二種是溝壁的崩塌使得侵蝕溝的寬度迅速增加，水力侵蝕和重力侵蝕伴生。最大增幅位置的變化趨勢說明前三場次降雨中溯源侵蝕對溝寬增加起到重要作用，第四場次降雨溝寬增加主要是由溝壁的崩塌造成的。第二、三、四場次降雨中，溝寬增幅最大的位置出現(xiàn)在3.5～5.5m，證明此位置區(qū)間溝蝕發(fā)育活躍。第三場次降雨增加幅度最大，是由于此時溝蝕發(fā)育處于活躍發(fā)育階段，溯源侵蝕和溝壁崩塌對侵蝕溝的雙重作用造成的。

2.4 侵蝕溝深度變化分析

通過各斷面分析可以獲得連續(xù)四場次降雨后各個斷面位置溝深的值，在此通過計算溝深的增量值（同一斷面后一場次降雨溝深減去前一場次降雨溝深），分析溝深增量的變趨勢（圖5），以剖析侵蝕溝的深度變化特征。

由圖5可以看出，連續(xù)四場次降雨后侵蝕深度增量曲線均在坡面中段（3.0～5.5m）出現(xiàn)了深度劇烈增加和劇烈減少的情況，并且增量的最大峰值向坡面上部移動，這表明坡面中段溝蝕發(fā)育最為活躍，坡面頂端和底部溝蝕發(fā)育相對緩慢，并且溯源侵蝕引起溝蝕活躍區(qū)由坡面中部向坡面上部移動。第二場次降雨后，坡面1.0～3.5m處溝深的增量為負值，而在第四場次降雨后，坡面4.0～6.5m溝深的增量也出現(xiàn)負值，反映侵蝕溝發(fā)育中后期，由于溝壁崩塌活躍，出現(xiàn)了暫時的沉積現(xiàn)象。

圖5 各降雨場次溝深增量變化

2.5 綜合分析

這里綜合分析連續(xù)四場次降雨過程中侵蝕溝寬和溝深的動態(tài)變化過程（表2）。由表2可以發(fā)現(xiàn)，坡面1，1.5，2.0，2.5，3.0m 坡長處，侵蝕溝深度在第三場降雨增量和變幅最大。在坡長3.5m處，侵蝕溝的寬度在第四場降雨后增量和增幅最大；而侵蝕溝的深度在第三場降雨增量和變幅最大。在坡長4.0m處，侵蝕溝的寬度在第三場降雨后增幅最大，第四場降雨后增量最大，而侵蝕溝的深度在第三場降雨增量和變幅最大，在坡長4.5m處，侵蝕溝的寬度在第三場降雨后增幅最大，第四場降雨后增量最大；侵蝕溝的深度在第二場降雨增量和變幅最大。在坡長5.0m處，侵蝕溝的寬度在第二場降雨后增幅最大，第四場降雨后增量最大；而侵蝕溝的深度在第二場降雨增量和變幅最大。在坡長5.5m處，侵蝕溝的寬度在第二場降雨后增幅最大，第四場降雨后增量最大；而侵蝕溝的深度在第二場降雨變幅最大，第一場降雨后增量最大。在坡長6.0m處，侵蝕溝的寬度在第三場降雨后增幅最大，第四場降雨后增量最大；而侵蝕溝的深度在第三場降雨變幅最大，第一場次降雨后增量最大。在坡長6.5m處，侵蝕溝的寬度在第二場降雨后增幅最大，第四場降雨后增量最大；侵蝕溝的深度在第三場降雨變幅最大，第一場降雨后增量最大。在坡長7.0m處斷面，侵蝕溝的寬度在第三場降雨后增幅最大，第四場降雨后增量最大；而侵蝕溝的深度在第三場降雨變幅最大，第一場降雨后增量最大。在坡長7.5m處，侵蝕溝的寬度在第二場降雨后增幅最大，第四場降雨后增量最大；侵蝕溝的深度在第四場降雨變幅最大，第一場降雨后增量最大。

表2 降雨前后侵蝕溝各斷面的寬度、深度變化對比

對比各場降雨過程后的溝寬和溝深，可以得出坡面3.5～5.5m坡長處是坡面侵蝕溝發(fā)育最為活躍的地方，且隨著降雨過程的進行，侵蝕活躍區(qū)向坡面上部移動。溝蝕發(fā)育的初始階段，溯源侵蝕和下切侵蝕是其主要的侵蝕方式；溝蝕發(fā)育中期階段，下切侵蝕和溯源侵蝕是其主要的侵蝕方式；溝蝕發(fā)育后期階段，溝壁側蝕引起的崩塌和滑塌明顯。

3 結論

（1）通過研究坡面溝蝕的時空發(fā)展規(guī)律，可以得出侵蝕溝的溝頭溯源侵蝕加長和溝頭下切加深是在溝蝕的最初階段實現(xiàn)的；溝蝕發(fā)育的中期階段，下切侵蝕和溯源侵蝕活躍；侵蝕溝溝壁擴張在溝蝕的后期階段較為顯著，同時也標志著溝蝕發(fā)育處于穩(wěn)定階段。

（2）坡面3.5～5.5m坡長處是溝蝕發(fā)育最為活躍的地方，且隨著降雨過程的進行，侵蝕活躍區(qū)向坡面上部移動。

利用GIS的斷面分析方法能夠比較準確地提取侵蝕溝的發(fā)育形態(tài)參數(shù)，展現(xiàn)溝蝕的發(fā)育特征。通過對多個連續(xù)斷面的時空分析，能夠展現(xiàn)坡面整體的變化特征，為定量研究土壤侵蝕的變化過程提供了新的思路。由于受到斷面數(shù)量和位置的限制，以及人為觀測的誤差，會對結果造成一定影響，在后續(xù)的研究中可以通過增加斷面數(shù)量來達到精確定量研究的目的。

［1］ 唐克麗.黃土高原地區(qū)土壤侵蝕區(qū)域特征及其治理途徑［M］.北京：中國科學技術出版社，1991：41－42.

［2］ 張鵬，鄭粉莉，王彬，等.高精度GPS，三維激光掃描和測針板三種測量技術監(jiān)測溝蝕過程的對比研究［J］.水土保持通報，2008，28（5）：11－20.

［3］ 余叔同，鄭粉莉，張鵬.基于插件技術和GIS的坡面土壤侵蝕模擬系統(tǒng)［J］.地理科學，2010，30（3）：441－445.

［4］ 張姣，鄭粉莉，溫磊磊，等.利用三維激光掃描技術動態(tài)監(jiān)測溝蝕發(fā)育過程的方法研究［J］.水土保持通報，2011，31（6）：1－6.

［5］ 馬玉鳳，嚴平，時云瑩，等.三維激光掃描儀在土壤侵蝕監(jiān)測中的應用［J］.水土保持通報，2010，30（2）：177－179.

［6］ 唐強，鮑玉海，賀秀斌，等.土壤侵蝕監(jiān)測新方法和新技術［J］.中國水土保持科學，2011，9（2）：11－18.

［7］ 霍云云，吳淑芳，馮浩，等.基于三維激光掃描儀的坡面細溝侵蝕動態(tài)過程研究［J］.中國水土保持科學，2011，9（2）：32－37.

［8］ 傅煒.GIS數(shù)字地形模型的建立及應用研究［J］.陜西師范大學學報：自然科學版，2001，29（2）：92－97.

［9］ 湯國安.地理信息系統(tǒng)教程［M］.北京：高等教育出版社，2007：131－132.