3種地表隨機(jī)糙率測量方法比較

王洪曉, 張光輝,2, 朱平宗, 張寶軍

(1.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875; 2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

土壤侵蝕是全世界面臨的重大環(huán)境問題，而中國是土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一[1]。無論是風(fēng)力侵蝕，還是水力侵蝕均受地表糙率的顯著影響。地表糙率是由土壤顆粒、團(tuán)聚體、礫石、植被覆蓋、土地管理、地貌單元等引起的地表不規(guī)則形態(tài)[2]，可以分為4類：(1) 微地形變化，主要由土壤顆粒決定；(2) 隨機(jī)糙率，與土壤團(tuán)聚體有關(guān)；(3) 定向糙率，由耕作等引起的地表有規(guī)則的起伏變化；(4) 大尺度糙率，由大尺度地貌變化引起[3]。本文研究的地表隨機(jī)糙率，其變化幅度在mm級或cm級，與坡面水文和侵蝕過程密切相關(guān)。相關(guān)研究表明，地表隨機(jī)糙率的增大可有效減緩坡面流流速，延長坡面流入滲時(shí)間，增大降水入滲總量，從而有效降低徑流侵蝕動(dòng)力[4]。因此，快速、準(zhǔn)確測定地表隨機(jī)糙率具有重要的理論和實(shí)踐意義。

朱良君[5]、江沖亞[6]等綜合分析了地表隨機(jī)糙率的測量方法，將其概括為非接觸式和接觸式兩大類，并比較了地表隨機(jī)糙率的定量化方法，可分為統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)。在眾多測量方法中，激光掃描法因其高精度、高效率、無擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，近年來推廣應(yīng)用非常迅速。Zhang等[9]使用手持式三維激光掃描儀在不同地形條件下測定了地表隨機(jī)糙率的季節(jié)變化，比較了不同地形條件下隨機(jī)糙率的差異及其形成機(jī)制；岳鵬等[10]使用3D激光地貌分析儀測量了地表隨機(jī)糙率，估算了土壤侵蝕狀況，張利超等[11]使用基于三角測量原理的瞬時(shí)剖面激光微地貌掃描儀也進(jìn)行了類似研究；蔡祥[12]、李曉潔[13]等基于激光三角測距原理，自行設(shè)計(jì)了地表隨機(jī)糙率測量設(shè)備，實(shí)時(shí)測定了地表隨機(jī)糙率。但激光掃描儀價(jià)格昂貴，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用受到一定的限制。相比之下，照相法(又稱近景攝影測量法)因其耗時(shí)短、便攜、精度較高等優(yōu)點(diǎn)[5]，也廣泛應(yīng)用于地表隨機(jī)糙率測量。Abd Elbasit[14]、Rieke-Zapp[15]等利用照相法測定了微地形變化，進(jìn)而估算了次降雨土壤侵蝕量；在我國照相法則常用于植被蓋度或郁閉度的快速測定。測針法是測量地表隨機(jī)糙率的傳統(tǒng)方法，因其原理簡單、易于操作，至今仍被廣泛使用[5]。丁文峰[16]、張鵬[17]等利用測針法測定了坡面細(xì)溝形態(tài)的變化特征，進(jìn)一步比較了測針法與激光掃描法的差異。

雖然針對地表隨機(jī)糙率測量方法的研究很多，有些學(xué)者[5-6]也定性比較了不同測量方法間的差異，但不同測定方法間的系統(tǒng)比較鮮有報(bào)道，不同方法的適用條件尚需進(jìn)一步明確。因此，本文利用激光掃描法、照相法和測針法在不同下墊面條件下測定地表隨機(jī)糙率，利用多個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)系統(tǒng)比較測量結(jié)果的異同，同時(shí)從測量耗時(shí)、人力需求等不同角度對上述方法進(jìn)行綜合評價(jià)，為地表隨機(jī)糙率測定方法的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年7月在陜西省延安市中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站進(jìn)行，選取平坦的地面作為試驗(yàn)樣地，用52 cm×52 cm鋁合金樣方框選定測定樣方(圖1)?；谝巴鈱?shí)際情況，為綜合研究3種測量方法在不同地表的使用情況，試驗(yàn)設(shè)置了3種具有代表性的下墊面條件：礫石覆蓋、枯落物覆蓋和農(nóng)事活動(dòng)，前兩種下墊面分別設(shè)計(jì)0%，10%，20%，30%，40%，50%共6個(gè)蓋度等級，而農(nóng)事活動(dòng)則依據(jù)我國傳統(tǒng)農(nóng)耕措施，設(shè)置裸地、松土、耙平、翻耕、灌溉及壟耕6個(gè)典型處理。分別用手持式三維激光掃描儀、照相機(jī)和測針板測量地表隨機(jī)糙率，每種下墊面條件下重復(fù)測量3次，共進(jìn)行了162次測量。

圖1 10%礫石覆蓋下的測定樣方

試驗(yàn)所用礫石為建筑粗骨料，實(shí)測200顆礫石的直徑范圍為17.4～28.2 mm，平均直徑為22.2 mm，試驗(yàn)時(shí)礫石均隨機(jī)覆蓋于土壤表面?？萋湮餅樗舍?，實(shí)測200根松針的長度范圍為66.9～151.0 mm，平均長度為105.1 mm，寬度范圍為0.6～1.4 mm，平均寬度為1.1 mm，試驗(yàn)時(shí)松針均隨機(jī)灑在地表，盡量使其不重疊，消除覆蓋厚度對隨機(jī)糙率的影響。農(nóng)事活動(dòng)采用當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)方法，松土深度為3 cm；翻耕深度為10 cm；灌溉采用漫灌，灌溉次數(shù)為1次；壟耕規(guī)格為壟臺(tái)高15 cm，壟距20 cm。

隨機(jī)糙率最早由Burwell等[18]提出，即某一區(qū)域土壤表面隨機(jī)發(fā)生的糙率，是最常用、最簡單的地表糙率指數(shù)，等于測量區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)高程的標(biāo)準(zhǔn)差[19]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

1.2 測定過程與數(shù)據(jù)處理

本文使用的激光掃描儀為加拿大Creaform公司生產(chǎn)的Go!SCAN 50手持式三維激光掃描儀。在樣方旁邊垂直于地面插入一個(gè)20 cm×2 cm×2 cm鐵制長方體作為標(biāo)記，便于定義掃描圖的坐標(biāo)系。測量時(shí)將激光掃描儀緩慢移動(dòng)，從多個(gè)角度掃描樣方，同時(shí)在計(jì)算機(jī)上利用配套軟件VXelements查看掃描結(jié)果，樣方全部掃描完成后，在Geomagic軟件中經(jīng)過校準(zhǔn)、裁剪和填孔等處理生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后在ArcGIS中生成DEM，高程的標(biāo)準(zhǔn)差即為地表隨機(jī)糙率。

本文使用的照相機(jī)是Canon EOS 80D定焦相機(jī)。測量時(shí)首先標(biāo)記控制點(diǎn)并測量各控制點(diǎn)間的距離，以此建立相對坐標(biāo)系，本研究選擇樣方外圍四角點(diǎn)和內(nèi)側(cè)四角點(diǎn)為控制點(diǎn)。手持照相機(jī)沿著樣方順時(shí)針拍攝20～30張照片，使其從不同角度覆蓋全部樣方，拍攝過程中需要避免陰影出現(xiàn)。然后在PhotoScan軟件中經(jīng)過標(biāo)記控制點(diǎn)、對齊等操作生成密集點(diǎn)云，導(dǎo)出后在ArcGIS中生成DEM，或者再通過生成網(wǎng)格和紋理等步驟直接在PhotoScan中生成DEM，獲得隨機(jī)糙率。

測針板由49根水平排列的間距為1 cm的等長測針組成。測量時(shí)緩慢地將測針板垂直架于樣方框之上，使每根測針均可自由落下，用相機(jī)垂直于測針板拍攝一張照片。以1 cm為間隔依次整體移動(dòng)測針板，共拍攝50張照片。在ArcGIS中對每張照片進(jìn)行配準(zhǔn)、數(shù)字化測針點(diǎn)高程并導(dǎo)出，最后整合出50張照片各測針點(diǎn)的高程值，進(jìn)一步生成DEM，得到隨機(jī)糙率。

1.3 綜合評價(jià)

3種方法測量結(jié)果的誤差分析采用Excel軟件，制圖利用Origin軟件。使用SPSS 22.0軟件對3種方法的測量結(jié)果進(jìn)行配對T檢驗(yàn)。

為定量比較3種測量方法的差異，選取絕對誤差(AE，mm)、相對誤差(RE，%)和均方根誤差(RMSE，mm)從不同角度表達(dá)誤差，表達(dá)式分別為：

AE=Pi-Oi

(2)

(3)

(4)

式中：Pi為第i個(gè)測量值；Oi為第i個(gè)基準(zhǔn)值；n為樣本數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 礫石覆蓋

由圖2可知，隨著礫石蓋度的增大，地表隨機(jī)糙率逐漸增大；且在6種蓋度條件下，均是激光掃描法的測量結(jié)果最大，照相法次之，測針法最小，這說明3種方法對地表隨機(jī)糙率的測量存在一定差異，但相對比較穩(wěn)定。當(dāng)?shù)[石蓋度在0%～20%時(shí)，掃描法測量的隨機(jī)糙率呈顯著增大；當(dāng)?shù)[石蓋度大于20%時(shí)，糙率增大并不顯著。當(dāng)?shù)[石蓋度在0%～30%時(shí)，照相法測量的隨機(jī)糙率呈顯著增大；當(dāng)?shù)[石蓋度大于30%時(shí)，糙率增大不顯著。當(dāng)?shù)[石蓋度由0%增大至10%時(shí)，測針法測量的隨機(jī)糙率呈顯著增大；當(dāng)?shù)[石蓋度大于10%時(shí)，糙率增大不顯著。造成這種結(jié)果的可能原因是隨著蓋度增大，礫石平均間距減小，準(zhǔn)確測量礫石分布的誤差增大，從而導(dǎo)致隨機(jī)糙率增大緩慢。在測針法測量過程中，會(huì)出現(xiàn)測針將礫石彈起或礫石將測針擠偏的現(xiàn)象，需要手動(dòng)調(diào)整，可能會(huì)影響測量效率與精度。

注：同種方法不同小寫字母表示糙率在p<0.05水平下差異顯著，下圖同。

圖2 隨機(jī)糙率隨礫石蓋度的變化

2.2 枯落物覆蓋

由圖3可知，隨著松針蓋度的增大，掃描法和照相法測量的隨機(jī)糙率逐漸增大；且在6種蓋度條件下，掃描儀測量的結(jié)果均大于照相法。由于松針細(xì)長，隨著蓋度增大，隨機(jī)糙率增大均不顯著。因測針法為接觸式測量方法，測針下落時(shí)由于自身重力對地表產(chǎn)生一定壓力，而松針細(xì)軟，因此容易被壓實(shí)，從而導(dǎo)致測針法無法準(zhǔn)確測量松針造成的高程變化，所以測針對松針蓋度增大導(dǎo)致的糙率增大不敏感，故測量結(jié)果與裸地?zé)o明顯差別。比較圖3與圖2可以發(fā)現(xiàn)，在同等蓋度條件下(如30%)，礫石覆蓋的隨機(jī)糙率(5.47 mm)明顯大于松針覆蓋的隨機(jī)糙率(3.17 mm)，這一差異主要因松針較為柔軟，會(huì)適當(dāng)變形且可相互疊加有關(guān)。

圖3 隨機(jī)糙率隨松針蓋度的變化

2.3 農(nóng)事活動(dòng)

由圖4可知，在不同農(nóng)事活動(dòng)條件下，掃描法和照相法的測量結(jié)果基本一致，且掃描法的測定結(jié)果均大于照相法。松土后隨機(jī)糙率顯著增大(79.3%)，后經(jīng)耙平，糙率減小(-17.3%)；翻耕導(dǎo)致隨機(jī)糙率顯著增大(124.5%)，灌溉后隨機(jī)糙率顯著減小(-36.4%)；采用壟耕時(shí)隨機(jī)糙率最大(118.0%)。測針法大體上可以反映農(nóng)事活動(dòng)變化對隨機(jī)糙率的影響，但由于在松土、翻耕等農(nóng)事活動(dòng)后，地表土壤非常疏松，測針易插入表土中，擾動(dòng)地表，故部分測量結(jié)果不能準(zhǔn)確反映隨機(jī)糙率，如松土后耙平，隨機(jī)糙率反而顯著增大。與掃描法和照相法的均值相比，在不同農(nóng)事活動(dòng)條件下，測針法測定結(jié)果偏大17.3%。測針法的這種缺點(diǎn)，已在很多研究中提及，誤差大小與測針的材質(zhì)、土壤類型、礫石含量、土壤含水量及土地利用類型等多種因素密切聯(lián)系[20-21]。

圖4 隨機(jī)糙率隨農(nóng)事活動(dòng)的變化

2.4 綜合評價(jià)

配對T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在3種不同處理?xiàng)l件下，照相法、測針法測定的隨機(jī)糙率均與掃描法存在顯著差異。因手持式三維激光掃描儀精度很高，儀器穩(wěn)定性較好[7]，因此以激光掃描儀測量結(jié)果為基準(zhǔn)值，分別計(jì)算了照相法、測針法的絕對誤差、相對誤差和均方根誤差(表1)。照相法與掃描法間的誤差較小，平均絕對誤差為0.65 mm，平均相對誤差為14.0%，均方根誤差為0.23～0.93 mm。而測針法與掃描法間的誤差較大，平均絕對誤差為1.82 mm，平均相對誤差為34.1%，均方根誤差為1.41～2.22 mm。但不同方法間的測定誤差隨著下墊面條件的變化而變化，對于不同的農(nóng)事活動(dòng)而言，照相法的均方根誤差只有0.23 mm，而對于礫石和松針覆蓋而言，照相法的均方根誤差分別達(dá)到了0.93，0.85 mm。

激光掃描法分辨率最高(表2)，測量結(jié)果精度最高，但在野外條件下太陽光會(huì)嚴(yán)重影響其測量效率，所以在野外條件下需要注意遮陽或選擇陰天或落日后進(jìn)行隨機(jī)糙率測量。照相法測量耗時(shí)最短，精度較高，且相機(jī)方便攜帶，但需手動(dòng)測量各控制點(diǎn)間的相對距離，野外條件下也需要注意遮陽，避免光影對測量結(jié)果的影響。測針法原理簡單、易于操作、成本最低，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力、后期數(shù)據(jù)處理耗時(shí)極長，不便應(yīng)用于大面積的隨機(jī)糙率測量。本研究結(jié)果與丁文峰[16]、張鵬[17]等的研究結(jié)論一致，激光掃描法的測量精度和工作效率均優(yōu)于測針法，也與陶浩然等[22]的結(jié)論一致，與測針法相比，照相法明顯提高了測量精度與效率。綜合考慮儀器設(shè)備的普及度、便攜性和測定精度，當(dāng)對隨機(jī)糙率精度要求不是非常嚴(yán)格時(shí)，建議優(yōu)先使用照相法測定地表隨機(jī)糙率。

3 結(jié) 論

激光掃描法和照相法均可適用于礫石覆蓋地表的隨機(jī)糙率測量，而測針法則由于測針與礫石間的相互擠壓、碰撞而影響測量精度。不同方法測定的地表隨機(jī)糙率存在一定的差異，表現(xiàn)為激光掃描法>照相法>測針法。當(dāng)?shù)[石蓋度較小時(shí)，地表隨機(jī)糙率隨著礫石蓋度的增大而顯著增大，但當(dāng)?shù)[石蓋度大于20%時(shí)，地表隨機(jī)糙率不再隨著礫石蓋度的增大而顯著增大，因此當(dāng)?shù)乇淼[石蓋度較大時(shí)，需采取一定措施提高地表隨機(jī)糙率的測量精度，如延長掃描儀的掃描時(shí)間、增加掃描儀掃描的角度或增加照相機(jī)拍攝照片的數(shù)量等。隨著松針蓋度增大，掃描法和照相法測量的隨機(jī)糙率呈不顯著增大趨勢，而測針法的測定結(jié)果無明顯變化，因此當(dāng)?shù)乇肀凰舍樀燃?xì)軟枯落物覆蓋時(shí)，為避免測量工具直接接觸而導(dǎo)致枯落物變形，應(yīng)盡量使用掃描法或照相法等非接觸式方法測定地表隨機(jī)糙率。在不同農(nóng)事活動(dòng)條件下，掃描法和照相法測量結(jié)果基本一致，且能準(zhǔn)確反映地表隨機(jī)糙率的實(shí)際情況，而測針法則由于擾動(dòng)表土導(dǎo)致誤差較大，特別是當(dāng)?shù)乇肀容^疏松時(shí)測量誤差更大，因此，當(dāng)?shù)乇肀容^松軟時(shí)，建議使用掃描法或照相法測定隨機(jī)糙率。

表1 照相法、測針法與掃描法測量精度比較

表2 掃描法、照相法和測針法測量隨機(jī)糙率綜合評價(jià)

以激光掃描法測量結(jié)果為基準(zhǔn)值，分別計(jì)算了照相法和測針法的絕對誤差、相對誤差和均方根誤差，結(jié)果表明，照相法的誤差較小，平均絕對誤差為0.65 mm，平均相對誤差為14.0%。而測針法的誤差較大，平均絕對誤差為1.82 mm，約為照相法的3倍，平均相對誤差達(dá)34.1%，約為照相法的2.5倍。三維激光掃描法測量精度最高，但儀器價(jià)格昂貴，用于野外時(shí)需要注意光照影響；照相法精度較高，測量快捷方便，但需手動(dòng)測量各控制點(diǎn)間的相對距離，也需要避免光照影響；測針法易于操作、成本最低，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力、精度不高。因此，需根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的測量方法測定地表隨機(jī)糙率，但鑒于目前的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平，建議優(yōu)先使用照相法。