3種地表隨機糙率測量方法比較

王洪曉, 張光輝,2, 朱平宗, 張寶軍

(1.北京師范大學 地理科學學部, 北京 100875; 2.北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室, 北京 100875; 3.中國科學院 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境問題，而中國是土壤侵蝕最嚴重的國家之一[1]。無論是風力侵蝕，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、團聚體、礫石、植被覆蓋、土地管理、地貌單元等引起的地表不規則形態[2]，可以分為4類：(1) 微地形變化，主要由土壤顆粒決定；(2) 隨機糙率，與土壤團聚體有關；(3) 定向糙率，由耕作等引起的地表有規則的起伏變化；(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。相關研究表明，地表隨機糙率的增大可有效減緩坡面流流速，延長坡面流入滲時間，增大降水入滲總量，從而有效降低徑流侵蝕動力[4]。因此，快速、準確測定地表隨機糙率具有重要的理論和實踐意義。

朱良君[5]、江沖亞[6]等綜合分析了地表隨機糙率的測量方法，將其概括為非接觸式和接觸式兩大類，并比較了地表隨機糙率的定量化方法，可分為統計學指標和地統計學指標。在眾多測量方法中，激光掃描法因其高精度、高效率、無擾動等優點[7-8]，近年來推廣應用非常迅速。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糙率的季節變化，比較了不同地形條件下隨機糙率的差異及其形成機制；岳鵬等[10]使用3D激光地貌分析儀測量了地表隨機糙率，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剖面激光微地貌掃描儀也進行了類似研究；蔡祥[12]、李曉潔[13]等基于激光三角測距原理，自行設計了地表隨機糙率測量設備，實時測定了地表隨機糙率。但激光掃描儀價格昂貴，導致其推廣應用受到一定的限制。相比之下，照相法(又稱近景攝影測量法)因其耗時短、便攜、精度較高等優點[5]，也廣泛應用于地表隨機糙率測量。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糙率的傳統方法，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溝形態的變化特征，進一步比較了測針法與激光掃描法的差異。

雖然針對地表隨機糙率測量方法的研究很多，有些學者[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比較鮮有報道，不同方法的適用條件尚需進一步明確。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糙率，利用多個統計學參數系統比較測量結果的異同，同時從測量耗時、人力需求等不同角度對上述方法進行綜合評價，為地表隨機糙率測定方法的合理選擇提供理論依據。

1 試驗與方法

1.1 試驗設計

試驗于2018年7月在陜西省延安市中國科學院安塞水土保持綜合試驗站進行，選取平坦的地面作為試驗樣地，用52 cm×52 cm鋁合金樣方框選定測定樣方(圖1)。基于野外實際情況，為綜合研究3種測量方法在不同地表的使用情況，試驗設置了3種具有代表性的下墊面條件：礫石覆蓋、枯落物覆蓋和農事活動，前兩種下墊面分別設計0%，10%，20%，30%，40%，50%共6個蓋度等級，而農事活動則依據我國傳統農耕措施，設置裸地、松土、耙平、翻耕、灌溉及壟耕6個典型處理。分別用手持式三維激光掃描儀、照相機和測針板測量地表隨機糙率，每種下墊面條件下重復測量3次，共進行了162次測量。

圖1 10%礫石覆蓋下的測定樣方

試驗所用礫石為建筑粗骨料，實測200顆礫石的直徑范圍為17.4～28.2 mm，平均直徑為22.2 mm，試驗時礫石均隨機覆蓋于土壤表面。枯落物為松針，實測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，試驗時松針均隨機灑在地表，盡量使其不重疊，消除覆蓋厚度對隨機糙率的影響。農事活動采用當地的傳統方法，松土深度為3 cm；翻耕深度為10 cm；灌溉采用漫灌，灌溉次數為1次；壟耕規格為壟臺高15 cm，壟距20 cm。

隨機糙率最早由Burwell等[18]提出，即某一區域土壤表面隨機發生的糙率，是最常用、最簡單的地表糙率指數，等于測量區域內各點高程的標準差[19]，其數學表達式為：

(1)

1.2 測定過程與數據處理

本文使用的激光掃描儀為加拿大Creaform公司生產的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20 cm×2 cm×2 cm鐵制長方體作為標記，便于定義掃描圖的坐標系。測量時將激光掃描儀緩慢移動，從多個角度掃描樣方，同時在計算機上利用配套軟件VXelements查看掃描結果，樣方全部掃描完成后，在Geomagic軟件中經過校準、裁剪和填孔等處理生成點云數據，然后在ArcGIS中生成DEM，高程的標準差即為地表隨機糙率。

本文使用的照相機是Canon EOS 80D定焦相機。測量時首先標記控制點并測量各控制點間的距離，以此建立相對坐標系，本研究選擇樣方外圍四角點和內側四角點為控制點。手持照相機沿著樣方順時針拍攝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。然后在PhotoScan軟件中經過標記控制點、對齊等操作生成密集點云，導出后在ArcGIS中生成DEM，或者再通過生成網格和紋理等步驟直接在PhotoScan中生成DEM，獲得隨機糙率。

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，用相機垂直于測針板拍攝一張照片。以1 cm為間隔依次整體移動測針板，共拍攝50張照片。在ArcGIS中對每張照片進行配準、數字化測針點高程并導出，最后整合出50張照片各測針點的高程值，進一步生成DEM，得到隨機糙率。

1.3 綜合評價

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

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)從不同角度表達誤差，表達式分別為：

AE=Pi-Oi

(2)

(3)

(4)

式中：Pi為第i個測量值；Oi為第i個基準值；n為樣本數。

2 結果與分析

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種方法對地表隨機糙率的測量存在一定差異，但相對比較穩定。當礫石蓋度在0%～20%時，掃描法測量的隨機糙率呈顯著增大；當礫石蓋度大于20%時，糙率增大并不顯著。當礫石蓋度在0%～30%時，照相法測量的隨機糙率呈顯著增大；當礫石蓋度大于30%時，糙率增大不顯著。當礫石蓋度由0%增大至10%時，測針法測量的隨機糙率呈顯著增大；當礫石蓋度大于10%時，糙率增大不顯著。造成這種結果的可能原因是隨著蓋度增大，礫石平均間距減小，準確測量礫石分布的誤差增大，從而導致隨機糙率增大緩慢。在測針法測量過程中，會出現測針將礫石彈起或礫石將測針擠偏的現象，需要手動調整，可能會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糙率逐漸增大；且在6種蓋度條件下，掃描儀測量的結果均大于照相法。由于松針細長，隨著蓋度增大，隨機糙率增大均不顯著。因測針法為接觸式測量方法，測針下落時由于自身重力對地表產生一定壓力，而松針細軟，因此容易被壓實，從而導致測針法無法準確測量松針造成的高程變化，所以測針對松針蓋度增大導致的糙率增大不敏感，故測量結果與裸地無明顯差別。比較圖3與圖2可以發現，在同等蓋度條件下(如30%)，礫石覆蓋的隨機糙率(5.47 mm)明顯大于松針覆蓋的隨機糙率(3.17 mm)，這一差異主要因松針較為柔軟，會適當變形且可相互疊加有關。

圖3 隨機糙率隨松針蓋度的變化

2.3 農事活動

由圖4可知，在不同農事活動條件下，掃描法和照相法的測量結果基本一致，且掃描法的測定結果均大于照相法。松土后隨機糙率顯著增大(79.3%)，后經耙平，糙率減小(-17.3%)；翻耕導致隨機糙率顯著增大(124.5%)，灌溉后隨機糙率顯著減小(-36.4%)；采用壟耕時隨機糙率最大(118.0%)。測針法大體上可以反映農事活動變化對隨機糙率的影響，但由于在松土、翻耕等農事活動后，地表土壤非常疏松，測針易插入表土中，擾動地表，故部分測量結果不能準確反映隨機糙率，如松土后耙平，隨機糙率反而顯著增大。與掃描法和照相法的均值相比，在不同農事活動條件下，測針法測定結果偏大17.3%。測針法的這種缺點，已在很多研究中提及，誤差大小與測針的材質、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系[20-21]。

圖4 隨機糙率隨農事活動的變化

2.4 綜合評價

配對T檢驗發現，在3種不同處理條件下，照相法、測針法測定的隨機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，儀器穩定性較好[7]，因此以激光掃描儀測量結果為基準值，分別計算了照相法、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，對于不同的農事活動而言，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到了0.93，0.85 mm。

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

3 結 論

激光掃描法和照相法均可適用于礫石覆蓋地表的隨機糙率測量，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糙率存在一定的差異，表現為激光掃描法>照相法>測針法。當礫石蓋度較小時，地表隨機糙率隨著礫石蓋度的增大而顯著增大，但當礫石蓋度大于20%時，地表隨機糙率不再隨著礫石蓋度的增大而顯著增大，因此當地表礫石蓋度較大時，需采取一定措施提高地表隨機糙率的測量精度，如延長掃描儀的掃描時間、增加掃描儀掃描的角度或增加照相機拍攝照片的數量等。隨著松針蓋度增大，掃描法和照相法測量的隨機糙率呈不顯著增大趨勢，而測針法的測定結果無明顯變化，因此當地表被松針等細軟枯落物覆蓋時，為避免測量工具直接接觸而導致枯落物變形，應盡量使用掃描法或照相法等非接觸式方法測定地表隨機糙率。在不同農事活動條件下，掃描法和照相法測量結果基本一致，且能準確反映地表隨機糙率的實際情況，而測針法則由于擾動表土導致誤差較大，特別是當地表比較疏松時測量誤差更大，因此，當地表比較松軟時，建議使用掃描法或照相法測定隨機糙率。

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糙率綜合評價

以激光掃描法測量結果為基準值，分別計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，但儀器價格昂貴，用于野外時需要注意光照影響；照相法精度較高，測量快捷方便，但需手動測量各控制點間的相對距離，也需要避免光照影響；測針法易于操作、成本最低，但費時費力、精度不高。因此，需根據實際情況選擇合適的測量方法測定地表隨機糙率，但鑒于目前的技術和經濟水平，建議優先使用照相法。