信息化技术在崩岗研究中的应用进展

刘 星 ，王石英，袁再健，郑明国，廖义善，黄 斌，谢真越

(1.四川师范大学 地理与资源科学学院，四川 成都 610066；2.广东省科学院 生态环境与土壤研究所/华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心/广东省农业环境综合治理重点实验室/广东省面源污染防治工程技术研究中心，广东 广州 510650；3.梅州市国际水土保持研究院，广东 梅州 514000)

随着科技的快速发展，信息化技术被应用到水土保持监测、监督管理及治理等方面。崩岗是我国南方低山丘陵区特殊的水土流失地貌，崩岗侵蚀对区域居民居住、粮食生产、生态安全等构成严重的威胁。国外学者利用信息化技术对一些与崩岗类似的侵蚀地貌开展了研究。20世纪90年代以来，随着遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)的快速发展，“3S”技术开始应用于崩岗的相关研究。如，李昊洁、林敬兰、谢颂华等[1-3]运用“3S”技术基于不同空间分辨率遥感影像进行了崩岗提取，分析了崩岗与地质间的关系及崩岗的空间分布特征等。但由于崩岗侵蚀的复杂性，使用遥感技术进行崩岗提取时，遥感数据的类型、分辨率、分类方法等对崩岗提取精度的影响还有待进一步研究。近年来，无人机(UAV)也被应用于崩岗研究中。如，梁钊雄、沈盛彧[4-5]等使用无人机技术开展了崩岗空间分布特征、崩岗调查方法等相关研究。另外，刘希林等[6]利用三维激光扫描技术对崩岗侵蚀进行了定量研究。鉴于各种信息技术的特殊性与适用范围，有必要对以上信息化技术在崩岗研究中的应用现状进行系统梳理，并提出今后信息化技术在崩岗研究中的优先方向，以期为未来崩岗研究提供技术支持。

1 崩岗研究信息化技术

学者们对崩岗的土体特性、裂隙发育、节理构造、外部降雨、干湿循环条件及治理措施等进行了广泛的研究[7-8]。初期对崩岗形态及侵蚀量的测量，大多采用传统的测量方法，即采用全站仪或经纬仪对图根控制点和碎部点进行测量，费时费力。崩岗区地势起伏大，地形复杂，常规测量中难以设置经纬仪或全站仪进行水准测量，且有些崩岗植被太过茂盛不能通视，测量效果不好。近年来，随着信息化技术飞速发展，相关学者逐渐将信息化技术应用于崩岗研究中。RS技术在获取宏观信息方面具有独特优势，通过遥感进行地学分析、解译调查和制图可以准确快速查明区域崩岗侵蚀现状。采用无人机低空飞行可得到高精度的崩岗研究区影像数据，与倾斜摄影技术结合后可以构建崩岗三维模型，监测崩岗地形的局部变化特征。GPS可由基准站发送数据，用户接收并对其测量结果进行改正，获得精确的崩岗定位。基于三维激光扫描技术获取的点云数据，也可构建崩岗三维模型，分析地形地貌变化。此外，在崩岗研究中，GIS可用于地理数据的采集、处理、显示和空间分析等，具有显著优势。相比于传统的研究手段，信息化技术在时空信息快速获取、有效管理、实时分析等方面具有独特的优势。崩岗作为自然环境及人类活动共同作用下的复杂侵蚀地貌，其本身就具有明显的空间不确定性和地理复杂性特点，这为信息化技术应用于崩岗研究提供了广阔空间。

2 信息化技术在崩岗研究中的应用进展

2.1 RS技术在崩岗研究中的应用现状

目前，RS技术应用于崩岗研究还相对单一。常用遥感影像数据来提取崩岗点位、面积等基础数据，主要数据源是Word View-3高分辨率遥感影像[9-10]。李昊洁等[1]分别使用0.6 m的QuickBird、2.5 m的ALOS、10.0 m的ALOS三种分辨率的遥感影像数据进行崩岗信息解译，研究表明：0.6 m空间分辨率影像用于提取崩岗数据很容易，且重现性较好；2.5 m分辨率影像可以提取崩岗数据，但重现性不强；10.0 m分辨率影像则无法提取崩岗数据。可见，遥感数据的空间分辨率决定着能否准确地提取崩岗信息数据。相关学者将RS和GIS技术相结合对崩岗开展研究，利用RS技术建立崩岗遥感信息图谱，通过人机交互目视解译获取崩岗信息，构建崩岗编目数据库，提取研究区的植被指数、坡度等指标来评价崩岗的危险性，分析影响崩岗侵蚀发育的关键因子，使用RS技术和GIS平台选取高程因子、坡度因子、坡向因子、土壤因子、地质因子等构建崩岗敏感性评价空间信息管理系统[9-12]。总而言之，RS技术应用于崩岗研究时，主要是用来获取大范围的崩岗区植被、土壤等因子或建立崩岗解译标志，从而进行人机交互目视解译，提取崩岗信息。

遥感技术发展至今，遥感自动化、半自动化数据提取技术有了长足发展，如何将其用来高效提取崩岗基础数据是急需重视的研究方向。随着我国卫星技术的发展，高分系列卫星提供的高分辨率影像数据逐渐被应用于崩岗研究[12]，这为今后崩岗数据提取提供了优质的影像。崩岗主要发生在我国南方，南方多雨多云等特点影响卫星的对地观测，而合成孔径雷达(SAR)遥感自身具有的全天候、全天时、高分辨率、多极化、大幅度和有一定的地表穿透能力等特点，可以应用于崩岗研究。遥感图像的崩岗数据提取方法，除常用的人工目视解译方法和基于光谱特性分类方法外，采用综合阈值法、专家系统法、神经网络分类法等可以有效地减少误分、漏分，从而提高分类精度。

2.2 GPS技术在崩岗研究中的应用现状

采用GPS定位技术，可以获得高精度的定位。差分GPS法是目前崩岗研究中比较常用的一种方法。差分GPS的配置一般有基准站、移动站、基准站电台、手簿和两台GPS接收机。谢颂华等[3]采用GPS RTD技术对江西省的崩岗侵蚀进行了调查。RTD(Real-Time Differential)是指实时动态码相位差分技术，精度在1～5 m，其弥补了单纯使用手持机定位崩岗边界精度不足15 m的问题。相关学者利用GPS RTK技术对崩岗进行了调查研究[13-16]。RTK(Real-Time Kinematic)指载波相位差分技术，是一种处理两个测点载波相位观测量的实时差分方法，实时提供测站点在指定坐标系下厘米级精度的三维定位结果。学者们利用GPS RTK定位技术获取崩岗点位坐标、数量及面积数据，研究崩岗空间分布、崩岗侵蚀特征等，以及洪积扇的基本理化性质和洪积扇不同位点的养分分布情况，同时结合GIS技术对监测调查数据进行空间分析，创建数据库对崩岗数据进行管理和统计。研究表明，GPS RTK技术保证了崩岗数据的传输效率、范围及定位的精准性。谢金波等[17]在五华县乌陂河小流域内选取3条典型崩岗，利用GPS工具及人工插扦打桩观测法进行了侵蚀速率监测，分别对沟头后退、沟岸扩张、沟床下切、崩积锥再侵蚀及洪积扇的扩增等进行了观测试验；林敬兰等[18]在手持GPS接收机的支持下，采用普查和典型调查相结合的方法进行了崩岗侵蚀调查；李双喜等[19]采用GPS和GIS技术手段，通过岩性、土壤、地形、降雨、气温等自然因子对崩岗分布数量的影响进行了分析。从以上可以看出，崩岗研究中GPS技术主要是用于崩岗的定位和面积、高程及边界的获取，同时随着研究的推进，GPS技术和多种方法结合使用的情况更多。

GPS与RTK、RTD等技术整合虽然可以更准确地获取崩岗地形变化和各侵蚀量信息，拥有全天候工作、定位精度高等优势，但是不适合高危地形。伴随全球导航定位技术(GNSS)的逐步成熟，其在地质灾害研究方面得到了广泛应用。相对于传统GPS定位系统而言，GNSS主要利用全球卫星导航系统和区域增强系统为地质灾害研究提供动态数据基础[20]，提供全天候、高精度的位置、速度和时间信息。今后GNSS的使用可进一步推进崩岗研究。

2.3 GIS技术在崩岗研究中的应用现状

崩岗数据与信息分析涉及空间分析和信息管理系统建立，大多基于GIS平台。刘瑞华[21]提出应用GIS技术建立崩岗信息系统，对崩岗进行科学的监测和管理。更多的学者[2,15,22-24]利用GIS技术对崩岗进行定位、边界确定和对地质等因子与崩岗侵蚀的关系及空间分布进行分析等。通过GIS技术勾画崩岗边界，可以将崩岗侵蚀从形态上归类于学者们划分的条形、瓢形、混合型等类型；还可将地质图和数字高程模型与崩岗分布图进行叠加分析，探讨崩岗侵蚀的地质地貌背景对崩岗发育的影响。利用GIS技术进行了降雨、岩性对崩岗侵蚀影响的研究，并开展了空间关系分析，得出崩岗密度随年平均降雨量、海拔和面积高程积分值的增加呈先增加后减小等结论。以上主要应用了GIS技术的数据编辑功能、叠加分析技术对崩岗进行相关研究。温美丽等[25]利用GIS技术与人工两种方法对比验证崩岗分布及坡向选择性问题，结果表明各坡向崩岗数量和面积采用GIS和人工两种方法计算存在误差，且崩岗分布均是阳坡多于阴坡，南坡多于北坡。杜贇、张铁洋等[26-27]采用CORS-RTK动态测量结合GIS空间分析的方法，对崩岗的形态、坡度、后退量等参数进行了定量测量，并通过比较不同时相的崩岗数据结果监测崩岗侵蚀变化。综上，GIS技术在崩岗研究中的应用主要还是集中在数据的空间分析上，常使用叠加分析方法。

在今后的研究中可以使用GIS技术对崩岗进行二维和三维的研究，进一步拓展二三维一体化崩岗数据模型，融合倾斜摄影、激光点云等多源异构数据，推动三维GIS实现崩岗宏观微观一体化等。

2.4 无人机技术在崩岗研究的应用现状

无人机是未来网络环境下数据驱动的空中移动智能体，无人机遥感技术则是无人机应用最重要的引领性产业。梁钊雄、沈盛彧、江学顶等[4-5,28-29]利用无人机航拍影像作为崩岗调查区域的数据源，和GIS技术结合重建出三维崩岗地貌，生成数字正射影像图(DOM)、数字表面模型(DSM)和三维模型，利用虚拟三维模型量测和人机交互判读完成崩岗调查工作，并进一步对崩岗空间分布规律进行了分析。实验证明无人机航测数据的质量能够满足崩岗信息提取的基本要求，与传统调查方法相比时效性更高、更方便、成本更低。李绍鑫[30]对运动恢复结构-多视点匹配摄影测量技术进行改进后在野外原位崩岗研究区进行崩岗监测，相较于改进前的摄影测量技术，改进后可以更精准地得到崩岗细部数据。江学顶、周小荃等[28,31]利用无人机倾斜航空摄影技术对崩岗进行了多方位多角度监测，在ArcGIS中计算崩岗侵蚀量变化找到侵蚀严重部位，并进行持续性监测，研究崩岗在空间上的变化特征。综上，无人机摄影测量技术可利用空中视角对崩岗研究区进行全方位地形点云数据的收集，构建崩岗三维模型分析崩岗地形变化情况。

近几年，无人机技术在各行各业广泛应用。相较于航空遥感监测存在的周期长和精度较低等问题，无人机技术在小范围数据收集方面具有显著优势，所以其在小范围崩岗侵蚀地貌监测中具有广阔的应用前景和实际使用价值。

2.5 三维激光扫描技术在崩岗研究中的应用现状

三维激光扫描技术是继GPS之后出现的又一次革命性测绘技术，突破了传统的单点测量。三维激光扫描仪采用激光脉冲作为测量介质，可高效采集大量三维点，快速重构三维点云模型。刘希林和张大林[6,32-34]利用三维激光扫描技术开展了大量崩岗研究。他们利用Leica ScanStation 2三维激光扫描仪，对五华县一处崩岗进行了连续3年共6次激光扫描监测，分析崩岗侵蚀量、侵蚀强度、侵蚀地貌变化、沟道侵蚀发育、沟道走向对坡面和坡向的重塑作用等，得到崩岗中下部位侵蚀强度高于上部，沟道侵蚀是崩岗流域主要侵蚀方式之一，沟道走向对崩岗坡面的坡向发育具有控制作用，崩积锥土体松散，在片流和股流的作用下极易使崩岗出现侵蚀等成果。

使用三维激光扫描技术对崩岗进行连续监测不但可以得到定量的崩岗侵蚀量及地形变化信息，还可以探究侵蚀泥沙的来源及精细化的空间形态特征，是应用于崩岗监测比较理想的信息化技术。但其作为地面近景扫描很难固定扫描位置完成持续长期的扫描任务，同时仍存在有扫描死角、数据处理烦琐、结果校验困难、仪器价格高和不方便携带等问题。

3 总结与展望

崩岗侵蚀是南方侵蚀强度最大且侵蚀机理复杂的侵蚀类型，信息化技术是现今应用广泛、高效、节省财力物力的有效技术方法，相关学者使用信息化技术对崩岗侵蚀进行了大量的研究。无人机遥感影像和无人机倾斜摄影技术是当前小范围崩岗研究中基础数据的主要获取方式，GIS技术主要用于崩岗数据的空间分析和三维模型构建。就目前信息化技术在崩岗上的应用研究来说，尚处于初始阶段，还有很大的探索空间：

(1)如何运用遥感分类技术进行崩岗提取是当前崩岗研究的一个技术难点，也是目前学者们关注比较少的方向。针对崩岗发生的条件和发生后在影像上的表现情况，利用机器学习、深度学习等方法进行崩岗遥感提取是今后研究的一个重要方向。

(2)随着信息化技术的发展及相互融合，可构建“天地空一体化”崩岗监测信息系统，使用该系统可对崩岗进行全国全域监测研究，是崩岗研究需要深入探索的问题之一。

(3)当前信息化技术主要应用于研究崩岗发生后的地貌形态变化、空间分布等，虽然学者们对崩岗的诱因也进行了较多研究，但至今还未有明确的证据来证明各诱因的准确性，因此信息化技术可为崩岗诱因研究提供一种方便而强大的方式。