沟蚀监测研究现状及发展展望

刘 青，范建容

(1.中国科学院/水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都610041;2.中国科学院研究生院，北京100049)

沟蚀是地表径流集中冲刷土壤和母质并切入地内形成沟壑的一种侵蚀方式。由水流冲刷而形成的侵蚀沟具有一定的外观形状，它是一条长而深的沟，每条沟可分为沟顶、沟底、水道、冲积圆锥及侵蚀沟岸地带几个部分。沟蚀是一种重要的土壤侵蚀类型，Poesen等人收集整理的全球56个不同区域沟蚀的产沙资料表明，沟蚀产沙量占流域产沙总量的最小比例为10%，最大为94%［1］。沟蚀破坏坡面景观，提高坡面细沟连通性，对集中地表径流冲刷表层土壤具有推动作用。冲沟蚕食耕地，破坏了土地的完整性，造成土地劣化，对土地资源危害很大。目前，国内外许多学者利用各种沟蚀监测方法研究沟蚀，并在此基础上对冲沟侵蚀的影响因子、坡度和坡长等临界条件的确定、冲沟的发育过程和形态特征、冲沟的侵蚀预报以及防治等进行了大量的研究。实现对沟蚀的有效防治和生态恢复需要充分认识沟蚀的形成机制及发展状况，而对沟蚀进行监测则是了解沟蚀形成机制及发展状况的有效途径。因此，选择合适的监测方法监测侵蚀沟的发展过程，对于深入认识沟蚀过程及其发展规律，采取有效的沟蚀防治措施具有重要的意义。

1 沟蚀监测方法研究现状

近年来，国内外学者对沟蚀监测方法的研究成果颇丰，但由于不同监测方法的监测原理不同，因此其监测成果的精度也就有差异。针对特定的沟蚀监测区域和监测要求，选择适宜的监测方法，是搞好沟蚀监测的基础。

1.1 传统皮尺、侵蚀针监测法

传统皮尺、坡度计监测就是在不同时间，利用皮尺沿侵蚀沟每隔一定的距离，测量侵蚀沟的横截面参数(上下截面宽，左右坡度、坡长)以及沟长、沟岸的各种形状参数，以此计算侵蚀沟的体积，比较不同时间的体积变化情况，从而确定侵蚀沟的土壤侵蚀速率。Casalí等人采用皮尺等简易工具测量侵蚀沟的形状尺寸，发现横截面间距在5 m以内可保证测量误差＜10%［2］。该方法成本低但费时费力，测量精度受测量人员专业水平以及侵蚀沟的复杂程度影响，误差具有一定的不确定性。

传统侵蚀针监测是开发建设项目土壤流失监测的一种常用方法，目前根据工程监测需要已有一系列改良的侵蚀针监测方法。在需要监测土壤侵蚀的部位相隔一定的距离钉下一系列侵蚀针，作为侵蚀基准点，并在露出地面的地方做好标记，每隔一段时间记录侵蚀针出露的高度，并以此计算该区域土壤侵蚀量及侵蚀速率，或者利用全站仪准确测量侵蚀针雨季前后的出露高度的变化，以此计算侵蚀量和侵蚀速率［3］。采用侵蚀针进行土壤侵蚀监测，操作简单，易学易用，且监测精度相比皮尺测量更有保障，缺点是侵蚀针位置若固定在易发生崩塌或其他土体不稳的地方，有加剧土体失稳引起土壤侵蚀的可能且易丢失该侵蚀针的监测数据。

1.2 遥感监测法

遥感监测是近年来应用较多的一种监测方法。该方法通过解译不同时期的遥感影像，获得侵蚀沟的不同体积，两者相减即可得到某时段侵蚀沟的侵蚀量以及侵蚀速率。遥感监测种类很多，按遥感平台可分为地面遥感、航空遥感以及航天遥感，按传感器类型可分为光学摄影、激光雷达，其中航天遥感由于地面分辨率不能达到分辨出地面细小侵蚀沟的要求，因此在沟蚀监测中较少应用。随着遥感与计算机技术的迅速发展，遥感在沟蚀监测方面的应用也越来越广泛。遥感技术具有资料获取周期短、可长期监测以及测量精度可度量等优势，相比于其他形式的监测法，具有室内作业量大、技术要求高且必须配合相应的专业软件才能工作的特点。

1.2.1 地面立体摄影监测

地面立体摄影监测需在沟道内建立永久性的控制网，建立固定的摄影站、摄影基线，每隔一定时间在基线的两端点进行同方向的摄影，取得一对像对，地面侵蚀沟的变化情况即可根据各摄影取得的立体像对转绘成的地形图获得。地面立体摄影测量技术在沟蚀监测中的应用较早，1978年徐国礼等人就探索地运用地面立体摄影测量法监测沟蚀和重力侵蚀。1988年徐国礼等在天水龙王沟监测试验区利用地面立体摄影测量技术较准确地测出沟道各部位的变化过程，且平面控制和高程控制测量达到1∶100比例尺的地形图图面精度［4］。地面立体摄影监测法的优势在于能控制测量的精度，获得细小侵蚀沟的变化过程，但沟道内的控制网设定以及摄影站、摄影基线的固定不易永久保存，容易受到外界自然或人为因素的干扰而影响测量的准确性。

1.2.2 航空摄影监测

航空摄影监测主要指在一定高度的遥感平台上利用光学摄影技术获取地面沟蚀区域立体像对影像，并根据立体像对获取高程信息生成DEM后纠正航空影像获得正射影像，最后从正射影像上获取侵蚀沟谷信息。

航空摄影监测是一种方便、快捷的沟蚀监测方法，其技术的关键是保证地面分辨率以及图像的几何精确性。近年来，研究者为了保证地面分辨率，以使沟蚀状况能被最大限度地呈现出来，使用各种方法搭建了各式各样的遥感平台:2003年Ries等人在西班牙埃布罗盆地中部应用热气球作为遥感平台，在不同的飞行高度(10～300 m)和镜头焦距(50、28 mm)组合下获得从1∶100比例尺到1∶1万比例尺的影像，精度能满足不同侵蚀沟的监测需求［5］;2006年范建容等人利用四川西昌大箐梁子1957、1979、2000年航空影像获取该区侵蚀沟沟长变化信息，并经过野外调查和验证符合实际情况［6］;Marzolff等人2009年在西班牙半干旱地区利用汽艇和风筝(飞行高度为40 m左右)作为摄影平台，采用LPS 8.7莱卡相机拍摄侵蚀沟形状特征，完成了对侵蚀沟的监测，获得5 cm×5 cm和7.5 cm×7.5 cm的高分辨率DEM，且保证了监测误差在0.5个栅格单元之内［7］;近年来，随着无人机遥感监测系统的成功研制，该技术在环境监测领域的应用也逐渐增多，崔红霞等人2005年利用中国测绘科学研究院研制的无人机遥感监测系统UAVRS2II，对试验区采用20 mm、视场角为42 b的镜头定高300 m飞行获得10 km2的地面影像，影像精度高(平面中误差0.111 mm，高程中误差0.117 mm)［8］，满足了摄影测量的精度要求，也能满足侵蚀沟变化信息的监测需求。

利用航空摄影监测侵蚀沟变化是一种较为普遍的监测方法，由于遥感平台的多样化、传感器技术的改进，近年来该方法获取的图像空间分辨率和精度都有很大的提高，能更准确地测量侵蚀沟变化情况。但上述各种遥感平台如风筝、热气球、无人机等在一定程度上受气候条件的影响，还有很大的改进空间。另外，无人机遥感监测技术还处于初期应用阶段，还没得到足够的重视，目前还未正式引入沟蚀监测领域。

1.2.3 雷达监测

雷达监测即通过向需要监测的沟蚀区域发射已知的微波或激光信号，同时接收这些信号与地面相互作用后的回波信号，通过测量激光从发射到返回之间的时间计算距离，可以快速获取物体表面每个采样点的空间位置坐标，比较前后两者的频率和极化位移等差异生成地表数字图像，从而获取地面侵蚀沟信息。雷达监测技术分为地面雷达和空中雷达，Perroy［9］等通过在加利福尼亚州圣克鲁兹市分别利用地面雷达和空中雷达图像生成的DEM与实际地面进行对比，获悉空中雷达和地面雷达获得的点云数据高程值都高于侵蚀沟底实际高程值，因此雷达技术在探测侵蚀沟体积时往往使得其值偏小。另外，Perroy等人还认为在雷达点云数据的精度问题上，空中雷达比地面雷达更具有优势，因为地面雷达探测技术使用侧视观测且覆盖范围小，使得雷达点云数据精度下降，若利用分米级的高分辨率空中雷达技术，再优化利用野外站点实测数据，可以使探测数据误差最小化。考虑到地面雷达监测技术相对费用较低，在时间等资源充足的条件下利用地面雷达观测技术对侵蚀沟各角落充分探测，同样可以提高监测精度，弥补由于侧视观测引起的点云误差。

近年来发展起来的三维激光扫描技术是一项新兴的地面雷达技术。马立广利用I－Site 4400型地面三维激光扫描系统对武汉大学友谊广场周边建筑物实体进行了一次水平360°的扫描测量，测量结果与索佳SET1010全站仪测量结果相比，误差均值为5 cm，测量精度高［10］。如果将三维激光扫描技术应用于沟蚀监测方面，可以快速、准确地重塑侵蚀沟三维实体，连续扫描测量可以获得侵蚀沟的侵蚀速率。

目前，三维激光扫描技术在沟蚀监测方面已有了一些尝试。张鹏等通过对坡面沟蚀发育过程的模拟，再现了坡面片蚀—细沟侵蚀—切沟侵蚀的演变过程;对比分析高精度GPS(Trimble 5700)、三维激光扫描仪(Leica HDS 3000)和侵蚀针3种测量方法在沟蚀过程监测和侵蚀量估算方面优缺点［11］的结果表明:激光扫描仪能很好地监测沟蚀演变过程，且对侵蚀量估算精度较高，误差仅为4.5%，相比于高精度GPS的7.38%与侵蚀针法的－12.78%，具有更高的监测精度。马玉凤等对威连滩冲沟沟头的南支沟侵蚀边界的监测研究也表明三维激光扫描仪(Trimble GX 3D)是一种高精度的非接触式测量，扫描的标准差为2.5 mm，在100 m范围内测量，位置精度为12 mm，距离精度为7mm，可以真实地反映地表形态［12］。该方法精度高、成本也较高，且要求扫描仪的放置位置具有一定的岩土稳定性和地形可视性，以保证控制点的固定不变和能最大程度地实现对侵蚀沟的扫描，这就对侵蚀沟环境特征以及操作者的技术有一定的要求，因此也影响了该技术在沟蚀监测中的广泛应用。

1.3 GPS监测法

GPS技术是一种快速高效研究沟蚀发生演变的手段，通过GPS可以快速准确地为沟蚀区域的监测点定位，确定各点地貌参数，提取监测区域DEM信息，从而获取侵蚀沟容积以及相关参数，计算得出侵蚀沟的侵蚀量及侵蚀速率。GPS监测能获得高空间分辨率的DEM，在监测冲沟形态特征变化、确定沟蚀速率等方面具有重要的作用。GPS监测获取的DEM精度与GPS测量点间距有直接关系:伍永秋等在定边县使用高精度GPS——Trimble 4700RTK，获得点间距≤0.2 m 的侵蚀沟表面点数据，监测流域形态变化，提取出空间分辨率为2 m的DEM，并得出该区侵蚀沟溯源侵蚀速率为 0.16～2.12 m/a［13］;何福红等在长江上游西昌地区马家松坡小流域的研究表明，随着测量间距的增加，从DEM上提取的地面平均坡度、平均剖面曲率和沟壑密度的精度均呈显著线性递减趋势，监测成本也相应减少［14］。因此，选择GPS技术监测侵蚀沟变化信息时，应根据监测精度需求确定GPS测量点间距。

1.4 树木断代法

树木断代法监测沟蚀主要用于确定中后期侵蚀沟的侵蚀年代以及侵蚀速率。该法是根据侵蚀沟中裸露的年龄较大(一般大于开始侵蚀的年代)的树根与树干的生理结构特征以及其他与土壤侵蚀有关的形态特征(如由于表层土壤被冲刷流失而裸露在外的树木根茎部分导管生长将会减缓，出现与之前不同的生理结构;在土壤侵蚀过程中倒下的树木以及沟蚀速率变缓后树木重新固定沟床等特征)追溯该区域侵蚀沟的侵蚀年代与侵蚀速率。Vandekerckhove曾利用树木断代法监测技术在西班牙进行侵蚀沟监测，监测结果与短期溯源侵蚀监测结果相比，证明树木断代法在沟蚀监测的应用中是可靠的［15］。从树木断代法的监测原理可以看出该方法是一种比较粗糙的确定沟蚀年代以及侵蚀速率的方法，适合在林木生长区无其他监测数据或不需要精确测量时应用。

1.5 塘库、淤地坝回溯法

塘库、淤地坝拦截降雨产生的泥沙，单次洪水经过沉淀后形成一个沉积旋回，随着时间的推移，由多次降雨产生多次洪水后形成对应的泥沙沉积旋回，单个旋回层次表现出泥沙表层细、底层粗的沉积特征，由多个沉积旋回构成的沉积剖面则出现泥沙由细到粗的周期性分布特征。淤地坝淤满之后，则该坝地的垂直剖面记录了从建坝到淤满期间由洪水形成的所有泥沙沉积层次。根据塘库、淤地坝内泥沙沉积特征，利用控制一定汇水面积的塘库或淤地坝回溯该区域历史时期土壤侵蚀量，是一种适用范围窄但具有较好监测效果的方法。2005年伏介雄等人利用塘库沉积泥沙量及其沉积特征确定南充流溪河流域内平均小流域淤沙模数，并以此计算该流域土壤侵蚀模数［16］。之后齐永青等人选择川中丘陵区和三峡地区的四川盐亭、南充和重庆开县的4条小流域，采集塘库沉积泥沙137Cs样品，确定了1963年以来塘库泥沙淤积量，并分析了流域输沙模数和侵蚀模数［17］。该方法是针对整个控制区域的土壤侵蚀进行监测研究的，在沟蚀区域，对于冲沟形态复杂、周围环境恶劣、没有历史监测资料且具有单独控制研究区全部径流的塘库或淤地坝的区域，应用该方法是好的选择。

2 沟蚀监测研究发展展望

从上述可以看到，目前的各种沟蚀监测方法都有着一定的局限性，这直接影响到研究者进行深入、系统的沟蚀研究和防治。一种好的沟蚀监测方法一般都具有能达到监测所要求的精度，监测工作可持续，便于完成长期的监测任务，且监测成本合理的特点。基于上述监测方法的优缺点，笔者认为沟蚀监测方法的发展应从以下几方面努力。

(1)提高监测精度。沟蚀所形成的侵蚀沟外观形状为一条长而深的沟，且沟蚀发展变化的速度慢，一般每年以厘米为单位向外扩展［3］，这就决定了沟蚀监测对精度的要求比简单的地物类型识别高。三维激光扫描技术是一种高精度的测量技术，目前主要在变形监测、工程测量、地形测量、古建筑物和文物保护、断面和体积测量等领域应用，具有不需要合作目标、高精度、高密度、高效率、全数字特征等优点。目前已有部分研究者为如何将该技术更好地应用于沟蚀监测方面进行了各种尝试，并取得了满意的结果。无人机遥感监测技术具有高时效、能获取高空间分辨率图像，且低成本、低损耗、可重复使用、风险小等诸多优势，其应用领域从最初的侦察、早期预警等军事领域扩大到资源勘测、气象观测及处理突发事件等非军事领域。如何将三维激光扫描技术以及无人机遥感监测技术更好地应用于沟蚀监测领域，建立一套精确、快捷、成本合理的沟蚀监测系统将成为今后一段时期内的研究热点。

(2)降低监测工作的难度。监测难度影响着监测工作的可持续性。遥感监测是目前最具可持续性的监测方法，但从目前的应用情况看，大部分遥感监测技术特别是空中遥感监测技术甄别侵蚀沟这类微地形的能力还有待提高。而具有很高监测精度的三维激光扫描技术对使用者的专业要求高，且对工作环境有一定的要求，加大了在环境恶劣的沟蚀区域进行侵蚀沟扫描的难度，使得该方法不能在所有沟蚀区域应用。因此，提高监测方法对环境的适应性，减小工作难度，可为实现沟蚀监测的持续进行提供保障。无人机遥感监测技术受监测区地面环境影响小，能获得研究者无法到达(或不能轻易到达)的沟蚀区域的侵蚀信息，大大降低了监测工作的难度，因此促进无人机遥感监测技术在沟蚀监测领域的应用将使得沟蚀监测工作更加便捷。

(3)选择适宜的监测方法，建立适用的监测技术体系。沟蚀监测是深入、系统地开展沟蚀研究的前提，选择一种适合的监测方法对准确地认识沟蚀发展情况具有重要意义。监测目的决定监测的精度要求，监测条件(经费、人员、技术)决定可供选择的监测技术，二者共同决定最佳的监测方法。因此，改善监测条件，建立一套适用面更广、适用程度更优的可供选择的监测技术体系，保证监测结果更好地满足科研、生产需要，是今后沟蚀科研、生产研究的方向之一。

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