近景攝影測量結(jié)合 GIS 在邊坡水力侵蝕研究中的應(yīng)用

作者簡介：

楊盛清（1995—），碩士，工程師，主要從事環(huán)境巖土工程方向的研究工作。

摘要：文章基于近景攝影測量技術(shù)原理，利用數(shù)碼相機獲取邊坡影像信息，重建邊坡坡面三維模型，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)，提取坡面形貌信息，研究黏性土邊坡水力侵蝕的演化過程。結(jié)果表明：（1）重建的邊坡三維模型影像信息豐富，精度達(dá)到毫米級別，可精確獲取坡面形貌的微小變化；（2）GIS提取的形貌信息表明，坡面侵蝕剛開始以面蝕為主，隨后坡面出現(xiàn)細(xì)溝，當(dāng)細(xì)溝發(fā)育到一定程度后，坡面逐漸出現(xiàn)淺層坍塌破壞；（3）近景攝影測量技術(shù)應(yīng)用于坡面侵蝕測量中具有速度快、精度高及可視化強的優(yōu)點，在邊坡坡面侵蝕研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：近景攝影測量技術(shù)；GIS技術(shù)；水力侵蝕；水土流失；三維建模

中圖分類號：U416.1+4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 15 044 3

0 引言

水土流失是我國最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一。公路水土流失作為水土流失的一種特殊形式，具有獨特的侵蝕機理和產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，是區(qū)域性水土流失的重要來源之一［1］。為滿足生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念，國內(nèi)對公路建設(shè)的水土保持工作提出了更高的要求。路基邊坡作為公路的重要組成部分，其坡面在水力的作用下會逐漸發(fā)生侵蝕，進(jìn)而影響路基安全及改變周圍的生態(tài)環(huán)境［2］。隨著公路建設(shè)的高速發(fā)展和公路網(wǎng)的不斷完善，公路建設(shè)方面的水土保持問題日益受到重視，路基邊坡坡面侵蝕已然成為公路水土保持的研究熱點。

公路邊坡侵蝕研究主要集中在侵蝕影響因素、侵蝕機理、產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律、侵蝕發(fā)育過程及土壤侵蝕模型等方面［3］，而坡面侵蝕的精確測量則是深入分析這些內(nèi)容的基礎(chǔ)。目前，坡面侵蝕的測量方法可分為接觸式的和非接觸式兩種。傳統(tǒng)的測針板法、卷尺法、直尺法等接觸式監(jiān)測方法在測量邊坡的侵蝕形貌、侵蝕幾何特征及侵蝕速率等方面存在效率低、精度差等缺點，且可視化、動態(tài)化不強［4］。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，三維激光掃描、雷達(dá)監(jiān)測及近景攝影測量技術(shù)等非接觸式的測量方法得到廣泛應(yīng)用，在土壤侵蝕研究方面具有廣闊的應(yīng)用前景［5］。

本文利用近景攝影測量技術(shù)構(gòu)建邊坡侵蝕三維模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)提取高精度的DEM數(shù)據(jù)，研究了黏性土邊坡水力侵蝕的演化過程，為公路邊坡坡面侵蝕測量提供了一種新的研究思路。

1 近景攝影測量技術(shù)

近景攝影測量技術(shù)屬于攝影測量技術(shù)的分支，其主要流程是利用攝像機獲取影像信息，然后根據(jù)立體相對的前方交會原理，解算出目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)信息，進(jìn)而確定目標(biāo)物體的形狀、大小、位置及相互關(guān)系［6］。近景攝影測量技術(shù)具有不損傷物體、獲取信息量豐富、測量精度高、成本低、速度快等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、生物、醫(yī)學(xué)、考古等領(lǐng)域。近景攝影測量技術(shù)對小區(qū)域的地形地貌測量具有廣闊的應(yīng)用前景，其模型的精細(xì)程度主要取決于所拍攝圖像的空間分辨率。在測量時，研究者可根據(jù)所需要的研究尺度調(diào)整拍攝的距離及分辨率，從而獲得高精度的邊坡侵蝕模型。如圖1所示，使用近景攝影測量技術(shù)研究邊坡侵蝕的流程主要包括像控點布置、影像數(shù)據(jù)獲取、空中三角計算、密集點云生成、三維模型重建和獲取DEM數(shù)據(jù)等部分。

2 試驗案例

2.1 試驗材料

試驗土樣取自于某便道開挖邊坡（22°51′16.18″N，108°12′38.73″E），坡體主要為白堊系泥巖風(fēng)化后形成的殘坡積土，按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430-2020）［7］，該殘坡積土定名為低液限黏土，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。試驗之前，將土樣烘干、破碎，并通過2 mm篩，最后將土樣的含水率控制在15%左右，用于夯筑邊坡模型。

2.2 放水沖刷試驗設(shè)計

本文設(shè)計室內(nèi)黏土邊坡放水沖刷試驗，模擬坡面的水力侵蝕過程。室內(nèi)試驗邊坡模型以便道開挖邊坡為原型，按照1∶50等比例縮小。如圖2所示，設(shè)計沖刷坡面長約60 cm，高約30 cm，坡度約為60°。夯筑邊坡模型時，按每層5 cm厚的高度逐層填土夯實，兩層交界處的土面進(jìn)行刨毛處理，最終使壓實度控制在85%左右。夯筑完成后，用刮土刀整平坡面。

放水裝置如圖2所示。在坡頂上方放置一個溢流槽，傾斜角度約為5°。采用水龍頭供水，水龍頭一端連接水源，另一端通過水管連接流量控制器，使坡面的沖刷流量穩(wěn)定在2 L/min。在水流沖刷0 h，0.5 h，1.0 h和3.0 h后，記錄坡面的形態(tài)特征，以供后續(xù)的坡面侵蝕形貌信息研究。

2.3 試驗流程

2.3.1 控制點的設(shè)置

室內(nèi)模型試驗宜采用局部坐標(biāo)系。為了使每次試驗都處于同一坐標(biāo)系中，需要設(shè)置統(tǒng)一的監(jiān)測控制網(wǎng)。如圖3所示，共設(shè)置6個控制點，并規(guī)定6個控制點的坐標(biāo)（X，Y，Z）分別為：1（0，0，0），2（0.151，0，0），3（-0.151，0.085，0），4（0，0.085，0），5（0.151，0.085，0），6（0.302，0.085，0）。

2.3.2 圖像獲取

本次試驗采用Apple/iPad Pro 11數(shù)碼相機獲取坡面圖像，鏡頭焦距為29 mm（35 mm等效焦距），有效像素為1 219萬。獲取圖像時，從不同方向沿待測坡面依次拍照，照片之間的重疊率宜gt;80%，以保證圖像信息覆蓋整個待測坡面。

2.3.3 空中三角測量

獲取圖像后，通過攝影測量解析方法確定區(qū)域內(nèi)的待求點坐標(biāo)與形態(tài)參數(shù)。本次試驗導(dǎo)入設(shè)定的6個控制點，采用Context Capture軟件進(jìn)行空中三角計算。

2.3.4 三維模型構(gòu)建

空中三角測量計算完成后，利用Context Capture軟件對研究對象進(jìn)行三維模型重建，實現(xiàn)整個邊坡模型的數(shù)據(jù)可視化。本次試驗構(gòu)建了水流沖刷0 h、0.5 h、1.0 h和3.0 h后的邊坡三維模型，用于研究坡面的溝道演化、侵蝕范圍、侵蝕特征等形態(tài)學(xué)信息。

2.3.5 獲取高精度DEM

為了進(jìn)一步分析邊坡的形貌信息，獲取水流沖刷0 h、0.5 h、1.0 h和3.0 h后的邊坡模型的正射影像，并生成數(shù)字高程模型（DEM）。

2.3.6 形貌信息提取

利用ArcGIS軟件提取DEM模型中的相對高程信息。如圖3所示，本次試驗沿X軸方向分別提取了Y坐標(biāo)為0.1 m、0.15 m、0.2 m、0.25 m和0.3 m等5條觀測斷面的高程值（相對應(yīng)編號為A，B，C，D，E），以用來定量分析坡面侵蝕的時空演化規(guī)律。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 可視化三維立體模型

坡面微地形作為影響水力侵蝕的重要因素之一，會直接影響徑流分布、流態(tài)變化及能量消耗等水動力學(xué)特性，進(jìn)而影響坡面的侵蝕過程［8］。因此，獲取坡面的形貌信息對研究坡面水力侵蝕的發(fā)育特征和變化規(guī)律具有重要意義。三維建?？梢垣@取真實的立體場景，能夠有效記錄坡面的形狀、尺寸及其他三維要素的空間關(guān)系，從而有利于展示坡面的侵蝕演化過程。如圖4所示為水流沖刷0 h、0.5 h、1.0 h和3.0 h后的坡面三維立體模型。由圖4可知，利用圖像信息重建的三維模型結(jié)構(gòu)完整，紋理清晰，直觀地表達(dá)了坡面的形貌變化信息。

在固定的監(jiān)測控制網(wǎng)下，三維模型可進(jìn)一步用來識別及測量坡面侵蝕病害的位置、范圍、大小等形態(tài)信息。重構(gòu)的三維模型精度在毫米級別，能清楚地展示坡面形態(tài)上的細(xì)小變化。如圖4（b）所示，在水流沖刷前期，坡面水流以層流為主，坡面的松散土粒被水流沖走，坡面逐漸出現(xiàn)侵蝕淺坑；在水流沖刷0.5 h后，坡面主要出現(xiàn)了2條細(xì)溝，寬度為1～2 cm，且坡面松散處局部發(fā)生坍塌破壞。隨著沖刷時間的延長，細(xì)溝數(shù)量增加，原細(xì)溝寬度、深度增加。如圖4（c）所示，在水流沖刷1.0 h后，坡面增加了數(shù)條細(xì)溝，且原先細(xì)溝變寬、變深。如圖4（d）所示，當(dāng)細(xì)溝發(fā)育到一定程度后，坡面被分割成破碎的區(qū)域，此時坡面極易發(fā)生淺層的大規(guī)模坍塌破壞。

3.2 坡面侵蝕形貌演化規(guī)律

為了進(jìn)一步獲取更為精確、豐富的形貌信息，在三維模型的基礎(chǔ)上，生成正射影像以及數(shù)字高程模型（DEM），進(jìn)而基于DEM對坡面形態(tài)進(jìn)行定量分析。如圖5所示為水流沖刷0 h、0.5 h、1.0 h和3.0 h后的坡面DEM影像圖。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，由三維模型生成的DEM精度較高，可精確地表示坡面的相對高程變化。

利用ArcGIS軟件，沿X軸方向分別提取Y坐標(biāo)為0.1 m、0.15 m、0.2 m、0.25 m和0.3 m等5條觀測斷面的高程值，提取結(jié)果如圖6所示。在固定的監(jiān)測控制網(wǎng)下，相對高程隨著坡面逐漸遭受侵蝕而降低。因此，相對高程的變化在一定程度上反映了坡面的侵蝕程度。對比不同沖刷時間下的斷面高程變化可知，在水流沖刷前期，相對高程輕微下降，同一斷面的高程起伏變大，這表明坡面的松散顆粒被沖走，坡面形成侵蝕淺坑和水流跌坎。隨后，細(xì)溝逐漸發(fā)育，且最先分布于坡面底部與頂部位置。隨著時間的延長，部分侵蝕淺坑和之前的淺短細(xì)溝相連接，使得細(xì)溝延長、加深。在水流沖刷3.0 h后，坡面細(xì)溝將坡面分割成數(shù)個破碎的區(qū)域，使土體受到的摩擦阻力削弱，坡面局部發(fā)生淺層坍塌破壞，相對高程大幅度降低。

4 結(jié)語

本文基于近景攝影測量技術(shù)原理，使用普通數(shù)碼相機獲取坡面高清影像，采用Context Capture軟件重建邊坡三維模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS技術(shù)，提取坡面形貌信息，研究了室內(nèi)黏土邊坡模型在水流沖刷下的侵蝕過程，得到以下結(jié)論：

（1）近景攝影測量技術(shù)應(yīng)用于坡面侵蝕測量中具有速度快、精度高以及不損壞被測對象的優(yōu)點，在邊坡侵蝕測量中具有廣泛的應(yīng)用前景。

（2）重建三維模型的精度主要取決于數(shù)碼相機所獲取圖像的分辨率。本文重建的邊坡三維模型影像信息豐富，精度達(dá)到毫米級別，可精確獲取坡面形貌的微小變化，實現(xiàn)了坡面侵蝕過程監(jiān)測的可視化、直觀化。

（3）利用GIS技術(shù)提取的坡面形貌信息表明，坡面侵蝕剛開始以面蝕為主，隨著沖刷時間的延長，坡面逐漸出現(xiàn)細(xì)溝，當(dāng)細(xì)溝發(fā)育到一定程度后，土體受到的摩擦阻力減小，坡面極易發(fā)生大規(guī)模的淺層坍塌破壞。

參考文獻(xiàn)

［1］Ziegler A D，Giambelluca T W.Importance of rural roads as source areas for runoff in mountainous areas of northern Thailand［J］.Journal of Hydrology，1997（196）：204-229.

［2］何延兵.高速公路建設(shè)過程中土壤侵蝕及預(yù)防研究［J］.西部交通科技，2015（10）：23-25，46.

［3］黃志凱.固溝保塬工程（淤地壩）水土保持效應(yīng)分析［D］.西安：長安大學(xué)，2021.

［4］史倩華.黃土塬區(qū)溯源侵蝕水動力過程與形態(tài)演化試驗研究［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2021.

［5］唐 強，鮑玉海，賀秀斌，等.土壤侵蝕監(jiān)測新方法和新技術(shù)［J］.中國水土保持科學(xué)，2011，9（2）：11-18，23.

［6］黃祚繼，錢海明，張 蕊，等.近景攝影測量影像匹配方法研究與應(yīng)用［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2017.

［7］JTG 3430-2020，公路土工試驗規(guī)程［S］.

［8］艾建衛(wèi)，高照良，婁永才，等.含沙量對高陡邊坡徑流水動力學(xué)特性的影響［J］.水土保持研究，2023，30（4）：75-82.

?