溝蝕監測研究現狀及發展展望

劉 青，范建容

(1.中國科學院/水利部成都山地災害與環境研究所，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并切入地內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個不同區域溝蝕的產沙資料表明，溝蝕產沙量占流域產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，國內外許多學者利用各種溝蝕監測方法研究溝蝕，并在此基礎上對沖溝侵蝕的影響因子、坡度和坡長等臨界條件的確定、沖溝的發育過程和形態特征、沖溝的侵蝕預報以及防治等進行了大量的研究。實現對溝蝕的有效防治和生態恢復需要充分認識溝蝕的形成機制及發展狀況，而對溝蝕進行監測則是了解溝蝕形成機制及發展狀況的有效途徑。因此，選擇合適的監測方法監測侵蝕溝的發展過程，對于深入認識溝蝕過程及其發展規律，采取有效的溝蝕防治措施具有重要的意義。

1 溝蝕監測方法研究現狀

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

1.1 傳統皮尺、侵蝕針監測法

傳統皮尺、坡度計監測就是在不同時間，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(上下截面寬，左右坡度、坡長)以及溝長、溝岸的各種形狀參數，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，發現橫截面間距在5 m以內可保證測量誤差＜10%［2］。該方法成本低但費時費力，測量精度受測量人員專業水平以及侵蝕溝的復雜程度影響，誤差具有一定的不確定性。

傳統侵蝕針監測是開發建設項目土壤流失監測的一種常用方法，目前根據工程監測需要已有一系列改良的侵蝕針監測方法。在需要監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測，操作簡單，易學易用，且監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生崩塌或其他土體不穩的地方，有加劇土體失穩引起土壤侵蝕的可能且易丟失該侵蝕針的監測數據。

1.2 遙感監測法

遙感監測是近年來應用較多的一種監測方法。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，因此在溝蝕監測中較少應用。隨著遙感與計算機技術的迅速發展，遙感在溝蝕監測方面的應用也越來越廣泛。遙感技術具有資料獲取周期短、可長期監測以及測量精度可度量等優勢，相比于其他形式的監測法，具有室內作業量大、技術要求高且必須配合相應的專業軟件才能工作的特點。

1.2.1 地面立體攝影監測

地面立體攝影監測需在溝道內建立永久性的控制網，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各攝影取得的立體像對轉繪成的地形圖獲得。地面立體攝影測量技術在溝蝕監測中的應用較早，1978年徐國禮等人就探索地運用地面立體攝影測量法監測溝蝕和重力侵蝕。1988年徐國禮等在天水龍王溝監測試驗區利用地面立體攝影測量技術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］。地面立體攝影監測法的優勢在于能控制測量的精度，獲得細小侵蝕溝的變化過程，但溝道內的控制網設定以及攝影站、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 航空攝影監測

航空攝影監測主要指在一定高度的遙感平臺上利用光學攝影技術獲取地面溝蝕區域立體像對影像，并根據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。

航空攝影監測是一種方便、快捷的溝蝕監測方法，其技術的關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侵蝕溝溝長變化信息，并經過野外調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，且保證了監測誤差在0.5個柵格單元之內［7］;近年來，隨著無人機遙感監測系統的成功研制，該技術在環境監測領域的應用也逐漸增多，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測系統UAVRS2II，對試驗區采用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測需求。

利用航空攝影監測侵蝕溝變化是一種較為普遍的監測方法，由于遙感平臺的多樣化、傳感器技術的改進，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，無人機遙感監測技術還處于初期應用階段，還沒得到足夠的重視，目前還未正式引入溝蝕監測領域。

1.2.3 雷達監測

雷達監測即通過向需要監測的溝蝕區域發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字圖像，從而獲取地面侵蝕溝信息。雷達監測技術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據高程值都高于侵蝕溝底實際高程值，因此雷達技術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據的精度問題上，空中雷達比地面雷達更具有優勢，因為地面雷達探測技術使用側視觀測且覆蓋范圍小，使得雷達點云數據精度下降，若利用分米級的高分辨率空中雷達技術，再優化利用野外站點實測數據，可以使探測數據誤差最小化。考慮到地面雷達監測技術相對費用較低，在時間等資源充足的條件下利用地面雷達觀測技術對侵蝕溝各角落充分探測，同樣可以提高監測精度，彌補由于側視觀測引起的點云誤差。

近年來發展起來的三維激光掃描技術是一項新興的地面雷達技術。馬立廣利用I－Site 4400型地面三維激光掃描系統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，測量結果與索佳SET1010全站儀測量結果相比，誤差均值為5 cm，測量精度高［10］。如果將三維激光掃描技術應用于溝蝕監測方面，可以快速、準確地重塑侵蝕溝三維實體，連續掃描測量可以獲得侵蝕溝的侵蝕速率。

目前，三維激光掃描技術在溝蝕監測方面已有了一些嘗試。張鵬等通過對坡面溝蝕發育過程的模擬，再現了坡面片蝕—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測和侵蝕量估算方面優缺點［11］的結果表明:激光掃描儀能很好地監測溝蝕演變過程，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［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對侵蝕溝的掃描，這就對侵蝕溝環境特征以及操作者的技術有一定的要求，因此也影響了該技術在溝蝕監測中的廣泛應用。

1.3 GPS監測法

GPS技術是一種快速高效研究溝蝕發生演變的手段，通過GPS可以快速準確地為溝蝕區域的監測點定位，確定各點地貌參數，提取監測區域DEM信息，從而獲取侵蝕溝容積以及相關參數，計算得出侵蝕溝的侵蝕量及侵蝕速率。GPS監測能獲得高空間分辨率的DEM，在監測沖溝形態特征變化、確定溝蝕速率等方面具有重要的作用。GPS監測獲取的DEM精度與GPS測量點間距有直接關系:伍永秋等在定邊縣使用高精度GPS——Trimble 4700RTK，獲得點間距≤0.2 m 的侵蝕溝表面點數據，監測流域形態變化，提取出空間分辨率為2 m的DEM，并得出該區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，監測成本也相應減少［14］。因此，選擇GPS技術監測侵蝕溝變化信息時，應根據監測精度需求確定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構特征以及其他與土壤侵蝕有關的形態特征(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管生長將會減緩，出現與之前不同的生理結構;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)追溯該區域侵蝕溝的侵蝕年代與侵蝕速率。Vandekerckhove曾利用樹木斷代法監測技術在西班牙進行侵蝕溝監測，監測結果與短期溯源侵蝕監測結果相比，證明樹木斷代法在溝蝕監測的應用中是可靠的［15］。從樹木斷代法的監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，適合在林木生長區無其他監測數據或不需要精確測量時應用。

1.5 塘庫、淤地壩回溯法

塘庫、淤地壩攔截降雨產生的泥沙，單次洪水經過沉淀后形成一個沉積旋回，隨著時間的推移，由多次降雨產生多次洪水后形成對應的泥沙沉積旋回，單個旋回層次表現出泥沙表層細、底層粗的沉積特征，由多個沉積旋回構成的沉積剖面則出現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。根據塘庫、淤地壩內泥沙沉積特征，利用控制一定匯水面積的塘庫或淤地壩回溯該區域歷史時期土壤侵蝕量，是一種適用范圍窄但具有較好監測效果的方法。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平均小流域淤沙模數，并以此計算該流域土壤侵蝕模數［16］。之后齊永青等人選擇川中丘陵區和三峽地區的四川鹽亭、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和侵蝕模數［17］。該方法是針對整個控制區域的土壤侵蝕進行監測研究的，在溝蝕區域，對于沖溝形態復雜、周圍環境惡劣、沒有歷史監測資料且具有單獨控制研究區全部徑流的塘庫或淤地壩的區域，應用該方法是好的選擇。

2 溝蝕監測研究發展展望

從上述可以看到，目前的各種溝蝕監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、系統的溝蝕研究和防治。一種好的溝蝕監測方法一般都具有能達到監測所要求的精度，監測工作可持續，便于完成長期的監測任務，且監測成本合理的特點。基于上述監測方法的優缺點，筆者認為溝蝕監測方法的發展應從以下幾方面努力。

(1)提高監測精度。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。三維激光掃描技術是一種高精度的測量技術，目前主要在變形監測、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域應用，具有不需要合作目標、高精度、高密度、高效率、全數字特征等優點。目前已有部分研究者為如何將該技術更好地應用于溝蝕監測方面進行了各種嘗試，并取得了滿意的結果。無人機遙感監測技術具有高時效、能獲取高空間分辨率圖像，且低成本、低損耗、可重復使用、風險小等諸多優勢，其應用領域從最初的偵察、早期預警等軍事領域擴大到資源勘測、氣象觀測及處理突發事件等非軍事領域。如何將三維激光掃描技術以及無人機遙感監測技術更好地應用于溝蝕監測領域，建立一套精確、快捷、成本合理的溝蝕監測系統將成為今后一段時期內的研究熱點。

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

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

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