基于三維重建技術(shù)的坡面細(xì)溝侵蝕演變過程研究

吳淑芳，劉勃洋，雷 琪，孫立全，郭慧莉，馮 喆，錢 闊

（西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

0 引 言

黃土高原丘陵溝壑區(qū)微地貌形態(tài)以溝緣線為界，劃分為由梁峁頂面和斜坡構(gòu)成的坡面及由切溝、沖溝、干溝等構(gòu)成的溝道[1]。溝緣線以上的坡面在強(qiáng)降雨下常常伴隨著濺蝕、片蝕、細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕、切溝侵蝕等并存的水力侵蝕過程，其過程錯(cuò)綜復(fù)雜。這類坡面既是流域侵蝕產(chǎn)沙的主要源地，又是控制水土流失、恢復(fù)與重建生態(tài)環(huán)境的基本治理單元[2]，對于其坡面侵蝕現(xiàn)象與侵蝕規(guī)律的探究，歷年來都是黃土高原環(huán)境整治中理論性與實(shí)踐性均很強(qiáng)的重要科學(xué)任務(wù)。但由于丘陵區(qū)坡面的復(fù)雜性，研究手段的薄弱，大多研究主要集中于坡面系統(tǒng)產(chǎn)沙量的定位觀測[3]、某一侵蝕方式（如細(xì)溝、淺溝）下的侵蝕發(fā)育過程[4-5]、坡溝徑流泥沙輸移[6]、坡溝系統(tǒng)侵蝕產(chǎn)沙模型研究[7-8]。尤其作為嚴(yán)重溝頭溯源侵蝕和水流匯集發(fā)源地的“梁峁坡面”，對其侵蝕演變的時(shí)空過程描述還未曾有過詳細(xì)報(bào)道。實(shí)質(zhì)上，這一特殊斷面—梁峁坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙對溝緣線以下的坡面侵蝕和溝道侵蝕有著重大影響，陳浩等[9]結(jié)合觀測資料和模擬試驗(yàn)證明上方來水來沙顯著強(qiáng)化整個(gè)坡溝系統(tǒng)產(chǎn)流產(chǎn)沙。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些較為先進(jìn)、可靠的侵蝕監(jiān)測方法逐步出現(xiàn)，如 REE示蹤法[10]、KINEROS2模型法[11]、機(jī)載和地面激光雷達(dá)、GPS測量和三維激光掃描技術(shù)等，使得細(xì)溝侵蝕過程研究從傳統(tǒng)測量邁入精準(zhǔn)測量階段[12-13]。張鵬等[14]利用高精度GPS、三維激光掃描儀和測針板3種測量方法動(dòng)態(tài)監(jiān)測坡面細(xì)溝侵蝕形態(tài)演變過程，以此分析3種方法動(dòng)態(tài)監(jiān)測溝蝕演變過程的可行性；霍云云等[15]利用三維激光掃描儀和基于元胞自動(dòng)機(jī)CA-Rill模型對黃土坡面細(xì)溝侵蝕動(dòng)態(tài)發(fā)育過程進(jìn)行了圖形化描述和計(jì)算機(jī)可視化模擬；和繼軍等[16]進(jìn)行室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，其借助三維激光掃描儀對坡面微地形進(jìn)行掃描，對塿土和黃綿土的坡面細(xì)溝發(fā)育過程和水沙關(guān)系進(jìn)行了研究總結(jié)。三維激光掃描技術(shù)精度較高，但原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，設(shè)備儀器價(jià)格昂貴，獲得的數(shù)據(jù)缺乏表面顏色分布。隨著計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，基于照片的三維重建技術(shù)逐漸受到大眾的關(guān)注[17]，它基于數(shù)碼相機(jī)及無人機(jī)等設(shè)備拍攝的照片完成三維模型和場景的重建，成本低廉，不受地點(diǎn)、空間限制，具有一定的優(yōu)越性[18-19]，可結(jié)合環(huán)境條件靈活運(yùn)用，對土壤侵蝕過程研究具有廣泛的應(yīng)用前景。

本研究通過選取黃土高原丘陵溝壑區(qū)紙坊溝流域典型梁峁坡面作為研究對象，構(gòu)建實(shí)體模型，進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，利用基于三維重建技術(shù)的PhotoScan軟件研究坡面侵蝕演變過程及形態(tài)特征，同時(shí)驗(yàn)證三維重建技術(shù)在土壤侵蝕研究領(lǐng)域的適用性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

本試驗(yàn)所用土壤取自陜北坡耕地耕作層（0～20 cm），土壤類型為黃綿土，將供試土樣風(fēng)干，用激光粒度分析儀測其機(jī)械組成，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為102.1 g/kg，粉砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 545.4 g/kg，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為352.5 g/kg，按照國際制土壤質(zhì)地劃分標(biāo)準(zhǔn)判定土壤為粉砂質(zhì)土壤。表1為供試土壤機(jī)械組成。

表1 供試土壤機(jī)械組成Table 1 Particle distribution of experimental soil

降雨模擬試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院進(jìn)行，試驗(yàn)采用側(cè)噴式人工降雨設(shè)備，共3組，噴頭組合形式為對噴，試驗(yàn)前進(jìn)行降雨率定，保證率定雨強(qiáng)偏差在設(shè)計(jì)雨強(qiáng)5%范圍以內(nèi)，降雨均勻度在80%以上。收集研究區(qū)域降雨資料及侵蝕產(chǎn)沙資料，根據(jù)研究區(qū)多年自然降雨數(shù)據(jù)，取暴雨事件中常見的最大 30 min降雨強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)雨強(qiáng)[20]，約為90 mm/h。試驗(yàn)土槽為變坡土槽，規(guī)格：長12 m、寬3 m、高5.3 m。土槽下端設(shè)集流裝置，用于收集徑流、采集泥沙樣品。

1.2 試驗(yàn)布設(shè)

由于黃土高原地區(qū)細(xì)溝侵蝕大多集中于 10°～30°的裸露坡耕地上[21]，同時(shí)參考黃土丘陵溝壑區(qū)坡面坡度分級數(shù)據(jù)，將梁峁坡面從坡頂?shù)狡碌追殖?5°、10°、15°、20°、25°、35°。為保證降雨試驗(yàn)過程中土壤水分充分下滲，在試驗(yàn)土槽底部裝填15 cm厚的石子和砂礫，在其上方裝填陜北坡耕地黃綿土。裝填時(shí)為保持土的自然結(jié)構(gòu)狀態(tài)不過篩不研磨，稱取一定質(zhì)量土樣分層裝填，每層裝土10 cm，邊填邊夯實(shí)，使容重控制在1.25 g/cm3左右，以確保降雨試驗(yàn)過程下墊面的均勻性。將構(gòu)建好的實(shí)體模型久置室外以更接近于野外實(shí)地條件。實(shí)體模型見圖1所示。

圖1 梁峁坡面模型Fig.1 Liang-mao slope

本研究共進(jìn)行 6次人工模擬降雨試驗(yàn)，每次試驗(yàn)前均對雨強(qiáng)進(jìn)行率定，以確保降雨均勻度和降雨強(qiáng)度達(dá)到試驗(yàn)要求。為保證試驗(yàn)下墊面地表狀況均一，試驗(yàn)前一天用30 mm/h降雨強(qiáng)度進(jìn)行前期降雨，直至坡面出現(xiàn)產(chǎn)流為止停止降雨。次降雨歷時(shí)依據(jù)細(xì)溝發(fā)育過程中的演變特征確定，即當(dāng)坡面出現(xiàn)明顯微地形變化時(shí)停止降雨。

1.3 研究方法

控制點(diǎn)布設(shè)影響重建坡面三維模型的精度，照片的采集關(guān)系到模型能否建成。控制點(diǎn)用于優(yōu)化相機(jī)位置和方位數(shù)據(jù)，得到更好的重建效果。采集照片前，在坡面兩側(cè)邊界處沿坡長方向每隔1 m布設(shè)標(biāo)靶作為控制點(diǎn)，共布設(shè)24個(gè)控制點(diǎn)，并用全站儀精確測量每個(gè)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行照片采集，拍攝時(shí)盡量與坡面保持垂直，鏡頭與坡面距離約1.5 m左右，保持一個(gè)較小的俯仰角，減少建模誤差。設(shè)置相機(jī)獲取圖像格式為TIFF無壓縮照片，照片分辨率為6 000×4 000，采集照片所用鏡頭為定焦50 mm f/1.8式標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，定焦鏡頭因?yàn)橹恍鑼σ粋€(gè)焦段的成像進(jìn)行糾正與優(yōu)化，所以往往很少會(huì)出現(xiàn)畸變現(xiàn)象。

該研究使用Agisoft公司開發(fā)的PhotoScan軟件實(shí)現(xiàn)坡面侵蝕過程的三維重建。該軟件中集成運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)原理、多視圖立體視覺原理以及生成不規(guī)則三角網(wǎng)DEM（digital elevation model）計(jì)算模型等，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)碼照片建立稀疏點(diǎn)云模型、密集點(diǎn)云模型以及生成DEM等過程。由于建模是依靠跟蹤照片中拍攝主體上的定位點(diǎn)來確定最終三維模型的點(diǎn)集，因此要求拍攝相鄰兩張照片的角度相差不能過大，照片重疊率在50%～60%以上，以防跟蹤點(diǎn)丟失。照片拍攝位置的選取及軌跡、角度的選定根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境和條件合理規(guī)劃，如圖2所示。

圖2 拍攝位置及角度Fig.2 Photographing position and angle

將采集的照片先通過運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)原理生成稀疏點(diǎn)云，在這個(gè)階段，PhotoScan會(huì)搜索照片上的公共點(diǎn)并將它們匹配，同時(shí)會(huì)找到每張照片的相機(jī)位置，并優(yōu)化相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)，結(jié)果形成一個(gè)稀疏點(diǎn)云模型和一組攝像機(jī)位置。再通過多視覺立體視圖原理由稀疏點(diǎn)云模型基于估計(jì)的相機(jī)位置和圖片本身構(gòu)建密集點(diǎn)云模型。數(shù)據(jù)處理過程中將不參與計(jì)算以及存在模糊處無效點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，以減少試驗(yàn)誤差，建模效果如圖 3所示。試驗(yàn)土槽面積大約36m2，生成稀疏點(diǎn)云的個(gè)數(shù)與密集點(diǎn)云的個(gè)數(shù)依據(jù)對坡面所拍攝照片的數(shù)目以及坡面的復(fù)雜程度有所差異，據(jù)統(tǒng)計(jì)，6次試驗(yàn)稀疏點(diǎn)云密度在 25 000～45 000 points/m2范圍內(nèi)，密集點(diǎn)云密度在25 000 000～35 000 000 points/m2范圍內(nèi)。PhotoScan生成密集點(diǎn)云模型后，可直接在軟件內(nèi)部計(jì)算獲得 DEM 數(shù)據(jù)及正射影像，該試驗(yàn)中所獲取DEM數(shù)據(jù)分辨率約為0.2 mm/pix，但為便于數(shù)據(jù)的處理，在 ArcGIS中將數(shù)據(jù)插值為0.01 m×0.01 m級分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 基于PhotoScan的三維重建Fig.3 3D reconstruction based on PhotoScan

坡面開始產(chǎn)流后每隔2 min接取徑流泥沙樣，之后將樣品靜置 24 h以上，倒掉上層清液，將剩余泥沙樣在105 ℃烘箱內(nèi)烘干并稱其質(zhì)量，以上所獲取數(shù)據(jù)用于計(jì)算降雨各階段徑流量和含沙量；利用PhotoScan軟件對每次試驗(yàn)坡面進(jìn)行建模并計(jì)算坡面 DEM（分辨率為 0.01 m×0.01 m），將試驗(yàn)前后2次數(shù)字高程模型DEM相減，獲取坡面高程變化量，將高程變化量導(dǎo)出到excel表格，繼而分別與對應(yīng)單元格面積相乘求出各單元格侵蝕體積，將所有單元格侵蝕體積求和即得總侵蝕體積，并結(jié)合土壤容重獲取該時(shí)間段的計(jì)算侵蝕量。

1.4 侵蝕形態(tài)參數(shù)

梁峁坡面細(xì)溝侵蝕演變過程數(shù)字化、圖形化及侵蝕形態(tài)參數(shù)的獲?。▓D4、圖5）。通過所獲取數(shù)碼照片在PhotoScan中三維建模獲得坡面三維模型，提取梁峁坡面侵蝕橫截面形態(tài)，以溝深≥1cm侵蝕深度作為確定侵蝕溝的標(biāo)準(zhǔn)，在三維模型以及實(shí)體模型中分別量取坡面細(xì)溝最大溝深（Hmax）、最大溝長（Lmax）以及平均溝寬（D）。通過此軟件還可獲取坡面 DEM，以此作為數(shù)據(jù)源，在ArcGIS中提取細(xì)溝溝網(wǎng)用于計(jì)算侵蝕形態(tài)參數(shù)。溝網(wǎng)的提取過程是基于水系特征提取的基本原理，ArcGIS中提取水系相關(guān)命令被集成在Hydrology分析模塊中，數(shù)據(jù)處理時(shí)可直接調(diào)用相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)細(xì)溝溝網(wǎng)的提取與分析。

在此基礎(chǔ)上計(jì)算細(xì)溝平面密度，計(jì)算方法如下：細(xì)溝平面密度（μ）：坡面所有細(xì)溝平面面積之和與坡面總面積的比值。

式中A0為坡面總面積，m2；Ai（i為自然數(shù)）為坡面每條細(xì)溝的平面面積，m2。

圖4 細(xì)溝溝網(wǎng)提取Fig.4 Rill net extraction

圖5 細(xì)溝平面提取Fig.5 Rill plane extraction

2 結(jié)果與討論

2.1 坡面細(xì)溝侵蝕演變過程

圖 6為利用 PhotoScan軟件獲得的 6場試驗(yàn)坡面DEM，其展現(xiàn)了連續(xù)6場間歇性降雨細(xì)溝形態(tài)的發(fā)育過程，其中不同高程用不同的顏色加以區(qū)分。隨著降雨歷時(shí)的推移，細(xì)溝侵蝕過程主要經(jīng)歷片蝕、細(xì)溝雛形、細(xì)溝溝網(wǎng)及小切溝4個(gè)階段。

圖6 不同侵蝕試驗(yàn)階段坡面DEMFig.6 DEM of different erosion stages

降雨初期，雨滴的擊打以及超滲產(chǎn)流所產(chǎn)生的薄層水流、股流相互作用，把表土中的細(xì)小顆粒帶走，并在坡面留下鱗片狀凹地，坡面主要發(fā)生濺蝕、片蝕，由圖6a可看到在坡面3～9 m之間形成一系列串珠狀跌坑，跌坑寬度多為5～9 cm，平均約為7 cm，深度多為1～4 cm，平均約為2 cm；分析圖6b可知，第2次降雨后坡面片蝕的數(shù)量和面積不斷增加。隨著徑流的匯集，徑流侵蝕能力逐漸增強(qiáng)，在某一處徑流侵蝕能力大于土壤抗蝕能力時(shí)，促使該處跌水演變?yōu)橄虑袦项^，并有向上溯源侵蝕的趨勢，這標(biāo)志著細(xì)溝侵蝕的開始，梁峁坡面內(nèi)主要侵蝕方式由面狀侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)溝侵蝕，由面蝕所產(chǎn)生的微小跌坑在徑流作用下長、寬、深均不斷增大，最大分別達(dá)到266、7.6、13.8 cm；由圖6c、6d可知，初始形成的細(xì)溝在降雨與徑流的作用下溝尾下切及溝頭溯源侵蝕，使細(xì)溝沿坡向延伸并向兩側(cè)拓寬，降雨歷時(shí) 58 min（降雨量約90 mm左右），在原有細(xì)溝基礎(chǔ)上坡面新增諸多小細(xì)溝，坡面上的斷續(xù)細(xì)溝出現(xiàn)分叉、合并及互相連通現(xiàn)象，細(xì)溝網(wǎng)雛形基本顯現(xiàn)，細(xì)溝向長發(fā)展較向?qū)挵l(fā)展迅速，測得最大溝長增加至376 cm，最深處達(dá)16.2 cm；圖6e、6f為細(xì)溝溝網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)育，最大溝深達(dá)36 cm，小切溝形成并停止降雨試驗(yàn)。從圖6f中來看，梁峁坡面自坡底到坡頂上共發(fā)育出 4條明顯的主細(xì)溝，均伴隨著分叉、合并等現(xiàn)象。對于細(xì)溝侵蝕過程前人已經(jīng)做出過大量研究，無論是何種微地貌，大都經(jīng)歷濺蝕、片蝕、細(xì)溝及細(xì)溝網(wǎng)階段[22-24]，但是前人所做的研究僅僅是定性描述，本研究通過三維建模，圖像化、數(shù)字化侵蝕過程，更能直觀的展現(xiàn)土壤侵蝕過程，而且進(jìn)一步對建模數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，提取侵蝕參數(shù)、計(jì)算侵蝕量等。

前期降雨試驗(yàn)后，在坡面頂部鮮有細(xì)溝出現(xiàn)，細(xì)溝主要集中于梁峁坡面中下部，這主要是由于坡面頂部坡度及匯水面積均較小，水流剪切力不足以剝離表層土壤；坡面中下段，徑流量和流速均較頂部顯著增加，使得產(chǎn)生細(xì)溝機(jī)率增大；同時(shí)，在徑流的流程上如果不出現(xiàn)小跌水，細(xì)溝也很難形成，He等[25]研究了裸坡的細(xì)溝侵蝕發(fā)育過程，也認(rèn)為坡面首先在濺蝕的作用下出現(xiàn)下跌的小水坑，且水坑主要沿坡面中部及下部平行分布，逐漸各個(gè)跌坑順著坡面相互貫通，為細(xì)溝出現(xiàn)創(chuàng)造條件。

2.2 侵蝕形態(tài)參數(shù)的變化特征

引入細(xì)溝侵蝕形態(tài)參數(shù)細(xì)溝溝深、溝長、溝寬、細(xì)溝密度等，量化坡面細(xì)溝網(wǎng)發(fā)育特征，反映細(xì)溝侵蝕沿垂向以及水平方向上的發(fā)育強(qiáng)度。對整個(gè)坡面細(xì)溝侵蝕過程中不同時(shí)期的侵蝕形態(tài)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2。在前10 min的降雨，坡面主要發(fā)生濺蝕、片蝕，并未出現(xiàn)細(xì)溝，跌坎兒深約為 0.04 m，該階段由以濺蝕為主迅速過渡到濺蝕、片蝕共存；10 min后即第2次降雨試驗(yàn)細(xì)溝雛形形成，表現(xiàn)為徑流引起的部分片蝕區(qū)域貫通，最大溝深增加至0.05m，細(xì)溝溝長、溝寬、溝密度分別為1.51 m、0.058 6 m、1.100 m/m2；降雨歷時(shí)20～40 min過程中，坡面出現(xiàn)多條斷續(xù)細(xì)溝，最大溝深和最長溝長分別增加至0.138 3 m和2.66 m；第4場降雨試驗(yàn)后，降雨量達(dá)80 mm以上，細(xì)溝溝網(wǎng)階段基本形成，溝網(wǎng)密度增大至1.999 m/m2，最大溝深為0.162 m；在之后的降雨試驗(yàn)中，最長溝長、最大溝深及溝網(wǎng)密度仍有不同程度增加，坡面愈加破碎，小切溝形成，最大溝長及最大溝深較細(xì)溝形成時(shí)增大 3倍以上。細(xì)溝寬度、溝深均隨降雨歷時(shí)的增加而增加，且細(xì)溝深度的增加速率大于細(xì)溝寬度的增加速率，細(xì)溝的寬深比均隨降雨歷時(shí)的增加而減小。覃超[26]做了基于立體攝影技術(shù)的黃土坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)育過程量化研究，也得出相似結(jié)論，其將細(xì)溝分成主次級，得出細(xì)溝長度隨降雨的變化同時(shí)受寬度和深度制約，主細(xì)溝和次級細(xì)溝除長度外深度和寬度變化相同。Zhang等[27]研究細(xì)溝侵蝕過程也表明細(xì)溝密度隨降雨歷時(shí)逐漸增加，其還研究了不同雨強(qiáng)作用下細(xì)溝密度的變化情況，表明在90 mm/h雨強(qiáng)作用下細(xì)溝密度增加幅度最為劇烈。

表2 細(xì)溝侵蝕形態(tài)參數(shù)Table 2 Rill erosion form parameter

2.3 基于三維重建技術(shù)-PhotoScan軟件精度評價(jià)

利用PhotoScan軟件間接計(jì)算侵蝕體積，并結(jié)合土壤容重獲取該時(shí)間段的計(jì)算侵蝕量。表3展示了6次降雨試驗(yàn)期間坡面次降雨侵蝕量，將計(jì)算侵蝕量與實(shí)測侵蝕量進(jìn)行對比，用以評價(jià)PhotoScan三維重建技術(shù)獲取侵蝕量的精度。

表3 模擬值與實(shí)測值相對誤差表Table 3 Relative error table between simulated and experimental values

將每場試驗(yàn)實(shí)測總侵蝕量與通過 PhotoScan建模間接計(jì)算的總侵蝕量對比，實(shí)測值與計(jì)算值之間的相對偏差見表3。試驗(yàn)值和模擬值的相對偏差在5.20%～20.82%范圍內(nèi)。第 1場降雨試驗(yàn)，坡面主要發(fā)生濺蝕與面蝕，地表松散、細(xì)小顆粒較多，隨著徑流發(fā)生，泥沙樣中含沙量較高。然而此階段基于三維重建技術(shù)-PhotoScan軟件計(jì)算的侵蝕量是基于地形變化而得，坡面形態(tài)變化微小，故試驗(yàn)偏差較大導(dǎo)致誤差較大（20.82%）。隨著侵蝕過程的加劇，各次試驗(yàn)總侵蝕量迅速增加，侵蝕量計(jì)算值與實(shí)測值絕對偏差逐漸縮小，故其他 5次試驗(yàn)的相對偏差減小，均小于等于 10%。與肖海等[28]使用三維激光掃描儀對坡面侵蝕研究所得結(jié)果相比，PhotoScan軟件三維重建模型精度總體要略低于三維激光掃描技術(shù)，李俊利等[17]利用照片重建技術(shù)生成坡面侵蝕溝三維模型得出通過重建模型間接計(jì)算所得侵蝕量與三維激光掃描儀相差8%左右，但其研究對象對特定的侵蝕溝，小區(qū)面積較小，因而外部環(huán)境因素所帶來的影響也相對較小，基于照片重建和三維激光掃描方法計(jì)算的侵蝕量相對誤差更為接近。

綜合上述分析，實(shí)測值和計(jì)算值的數(shù)據(jù)比較接近，其偏差在合理范圍內(nèi)，PhotoScan軟件對所獲試驗(yàn)照片進(jìn)行三維重建具有一定的可信度。同三維激光掃描技術(shù)相比，其也可展現(xiàn)一定的優(yōu)越性。三維激光掃描技術(shù)能夠測量精度為毫米級的物體的三維信息，尤其對小區(qū)尺度細(xì)溝侵蝕的觀測更加試用。張姣等[29]應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對試驗(yàn)土槽中的細(xì)溝侵蝕量進(jìn)行了測量，在 15 m2試驗(yàn)小區(qū)上獲取了 130 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)云密度達(dá)8 667 points/m2，用時(shí)0.7 h?；跀?shù)碼照片重建技術(shù)較三維激光掃描技術(shù)能夠更加真實(shí)地反映實(shí)物的形狀、明暗以及紋理等細(xì)節(jié)。李俊利等[17]應(yīng)用照片重建技術(shù)對小區(qū)尺度上溝蝕演化過程三維建模并進(jìn)行分析，其在VisualSFM 軟件中完成特征點(diǎn)的檢測與匹配以及稀疏點(diǎn)云模型，又使用CMVS 及PMVS2 工具進(jìn)行稠密重建，最終在 Meshlab 中實(shí)現(xiàn)可視化，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度在4 800～6 200 points/m2范圍內(nèi)。本研究中，稀疏點(diǎn)云、密集點(diǎn)云以及DEM數(shù)據(jù)生成均在Agisoft PhotoScan中進(jìn)行，只需簡單設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，無需掌握過多的計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)理論就可以完成點(diǎn)云密度更加密集的三維模型。除小區(qū)尺度外，對通過無人機(jī)對某一區(qū)域進(jìn)行照片采集，三維重建技術(shù)還可以完成對某一區(qū)域的數(shù)字測量，在土壤侵蝕監(jiān)測和水土保持決策中應(yīng)用前景也更加廣泛。影響三維重建技術(shù)精度因素有多種，最根本的在于原始數(shù)據(jù)獲取，獲取優(yōu)質(zhì)量的數(shù)碼照片可提高建模精度，對于野外試驗(yàn)，拍照時(shí)易受到陽光直射、陰影等影響，陰天試驗(yàn)更為適宜；在試驗(yàn)過程中，收集到的照片重疊率、分辨率越高，所得到的模型效果也就越好，但是相應(yīng)的處理時(shí)間會(huì)更長，對計(jì)算機(jī)性能的要求也會(huì)提高，所以不建議使用分辨率過高的照片，照片的重疊率控制在50%～60%[30]即可。

3 結(jié) 論

本文以黃土高原丘陵溝壑區(qū)梁峁坡面為研究對象，利用人工模擬降雨試驗(yàn)，結(jié)合PhotoScan軟件（三維重建技術(shù)）和ArcGIS軟件，對試驗(yàn)坡面進(jìn)行三維建模并提取相應(yīng)的侵蝕形態(tài)參數(shù)，研究了坡面細(xì)溝侵蝕演變過程，同時(shí)將試驗(yàn)結(jié)果與同等條件下 ArcGIS軟件模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了PhotoScan軟件的精度。主要得到以下結(jié)論：

1）利用PhotoScan軟件對坡面侵蝕發(fā)育過程進(jìn)行三維重建。其細(xì)溝形態(tài)發(fā)育過程表現(xiàn)為：濺蝕、面蝕、細(xì)溝雛形、細(xì)溝網(wǎng)形成及小切溝出現(xiàn) 4個(gè)階段，每一階段都有較為明顯的特征。

2）分析降雨試驗(yàn)過程中各侵蝕形態(tài)參數(shù)的變化特征可知：細(xì)溝平面密度、最大溝深、最長溝長、平均溝寬分別由 1.1 m/m2、0.04 m、1.51 m、0.058 6 m 增長至2.991 m/m2、0.368 4 m、11.3 m、0.121 4 m，坡面細(xì)溝侵蝕不斷發(fā)展并不斷加強(qiáng)，定量地展現(xiàn)了坡面細(xì)溝侵蝕的演變過程。

3）利用人工模擬降雨試驗(yàn)所得實(shí)測總侵蝕量數(shù)據(jù)對PhotoScan軟件三維建模間接計(jì)算的總侵蝕量進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)值和模擬值的相對誤差在5.20%～20.82%內(nèi)，除第1次試驗(yàn)相對誤差較大（20.82%）外，其他 5次試驗(yàn)的相對誤差均小于等于10%。利用PhotoScan軟件對所獲試驗(yàn)照片進(jìn)行三維重建具有一定的可信度，可以作為土壤侵蝕研究的一種手段。