激光扫描和摄影测量在坡面侵蚀演变过程的适用性

罗 斌，张 勇，张志伟，倪世民，张 歆，王军光

激光扫描和摄影测量在坡面侵蚀演变过程的适用性

罗 斌1，张 勇2，张志伟1，倪世民1，张 歆2，王军光1※

（1. 华中农业大学水土保持研究中心，武汉 430070；2. 长江水利委员会长江流域水土保持监测中心站，武汉 430010）

为研究激光扫描和摄影测量技术在监测坡面侵蚀演变过程中的精度及适用性，该研究利用近景摄影测量技术和三维激光扫描技术对长历时条件下坡面侵蚀演变过程进行监测，获取不同时段的坡面微地形数据，基于坡面高精度数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）对坡面侵蚀演变过程进行分析，探究2种非接触式测量方法在坡面侵蚀监测中的适用性和精确度。结果表明：1）按主导侵蚀方式的不同，坡面侵蚀过程可分为片蚀阶段、细沟发育阶段和细沟成熟阶段；2）2种非接触式测量方法均能够精确地对坡面侵蚀产沙过程进行监测，最大相对误差为−16.82 %，2种方法在坡面侵蚀量测量方面有很好的适用性。3）近景摄影测量技术在坡面侵蚀产沙监测、细沟深度测量和坡面微地形模拟方面要优于三维激光扫描技术。该研究可土壤坡面侵蚀监测方法的选择提供参考。

坡面；侵蚀；土壤；近景摄影测量技术；三维激光扫描技术；对比

0 引 言

土壤侵蚀会造成耕地破坏、农田肥力降低，进一步加剧现已十分紧张的人口、粮食和环境矛盾，严重影响人类的生存和发展[1]。坡面作为土壤侵蚀发生的基本单元，研究其侵蚀演变过程对深入土壤侵蚀机理研究具有重要意义[2-3]。

长期以来，众多学者就坡面侵蚀开展了大量调查和研究。在早期，相关土壤侵蚀研究多基于野外天然降雨条件下展开。然而，天然降雨具有很强的不确定性，对于进一步深入土壤侵蚀机理研究具有较大限制。因此，目前多采用室内人工模拟降雨进行土壤侵蚀机理研究，在此条件下，有关学者对土壤坡面侵蚀的发生以及演化过程开展了一系列研究，剖析了坡面侵蚀的关键过程和影响因子[4-5]。尽管土壤侵蚀过程和侵蚀机理等相关研究在不断深入，然而研究中常用的传统填土法[6]、直尺测量法[7]和测针板法[8]等方法，因效率低、对坡面扰动大、易受人工读数误差影响等原因展现了较大的局限性。

近年来，随着高新技术的发展，诸如近景摄影测量技术、三维激光扫描技术[9-10]等非接触式测量方法因测量效率高、误差小等特点被广泛应用于土壤侵蚀监测和测量中。Gao等[11]基于三维激光扫描，提出基于点云数据和地形变化信息的侵蚀量计算方法；Jiang等[12]在室内模拟降雨条件下，借助数字近景摄影测量技术监测连续降雨期间坡面细沟侵蚀的动态过程，对细沟侵蚀过程进行研究；明旭辉等[13]利用近景摄影测量计算冻融坡面侵蚀产沙过程的产沙量，与实测值间的误差平均精度为90.67%。李俊利等[14]利用摄影测量技术和三维激光扫描对坡面侵蚀沟进行三维重建，通过对比2种技术估算的侵蚀量发现，二者相对误差仅为8.05%。

综上，已有研究证实了三维激光扫描和摄影测量技术在坡面侵蚀试验中的可行性，但对于二者在坡面侵蚀过程中精度对比及其适用性尚不明确，尤其是在细沟形态特征方面的对比研究仍有不足。

因此，本文基于室内人工模拟降雨试验利用2种非接触式测量方法对土壤坡面侵蚀过程进行监测，研究坡面侵蚀的动态变化过程，分析坡面细沟形态特征的演变，同时对2种非接触式测量方法的测量精度进行对比，并对2种方法侵蚀监测试验中的适用性进行评价，以期为土壤坡面侵蚀监测方法的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验土壤为花岗岩母质发育红壤，采自福建长汀县的典型侵蚀区，根据林分调查（植被群落）、裸露程度和田间土壤剖面的诊断，在崩岗侵蚀区附近分别选择了位于坡中位置的4个采样点，采样点的剖面构型为A-B-BC-C型，由淋溶层（A，0～0.3 m）、淀积层（B，0.3～6 m）、过渡层（BC）和母质层（C）组成。采样点按发生层次自下而上分别采集母质层、淀积层和淋溶层的土壤作为试验材料。采样过程中尽可能选择剖面结构完整、地形、土地利用方式一致的样地进行采样。淋溶层土壤采集时在采样点15 m半径范围内按照“S”形选择了10个样点，采集土壤后将其混合作为试验材料；下层土壤则在挖取的典型剖面上采集。上述土样被带回实验室后，将其进行自然风干，并通过10 mm筛网对土样进行筛分，去除根系等杂质后备用，试验还采集了散土样和3个重复的标准环刀样（100 cm3）用于测量土样基本理化性质。试验土壤的理化性质采用常规方法[15-16]测定，其基本的理化性质如表1所示。

表1 试验土样的基本理化性质

1.2 室内试验设计

模拟降雨试验采用华中农业大学资源与环境学院水土保持研究中心降雨大厅下喷式模拟降雨器（西安清远，QYJY-503T）[17-18]。该降雨器的喷头组有小、中、大3种规格的喷头组成，3个喷头在空间上重合叠加，形成一个雨强分布均匀的降雨区，降雨均匀度大于90%。降雨高度为10 m，降雨雨滴通过喷头下喷后在地面可以达到雨滴终速。降雨器通过控制系统调节喷头组合和上水压力可以实现15～220 mm/h的降雨强度范围。

本研究在模拟降雨过程中根据试验目的使用的土槽规格为4.0 m（长）×2.0 m（宽）×0.60 m（高），可填土深度为0.50 m，坡度可在0°～45°之间调节。槽下端安装V型钢槽用于收集径流和泥沙，土槽底板均匀分布有排水孔。土槽边框贴有钢尺，便于快捷获取坡面位置。土槽分为左右平行两区，土槽两侧设置9个非对称标靶，用直尺量测标靶位置，作为摄影测量建模控制点（图1）。试验土槽内从下至上依次按环刀测得的容重填装厚度为15 cm的母质层、20 cm的淀积层及15 cm的淋溶层土壤。在试验开始前，对土槽内土壤进行多次干湿循环和长达2个月的静置沉降，以使土壤层次和颗粒尽可能接近自然条件。土槽采用分层填装的方法，边填土边压实，以每层5 cm的增量进行填装，将土壤压实后，使用水平仪将土壤表面调整平整。在正式试验开始前，在2种土槽的土壤表面覆盖一层纱网（孔径2 mm），使用20 mm/h雨强对其进行预湿润处理，直至坡面开始产流为止。纱网距离坡面表面高度为10 cm，以降低雨滴打击对表土结构的影响。预湿润降雨的目的有3个：1）保持下垫面土壤初始含水量一致；2）通过降雨湿润作用固结表面分散孤立的土壤颗粒；3）减少下垫面表面条件的空间变异性。在预湿润后，用塑料布将试验土槽遮盖，将其静置24 h自由排掉重力水。当使用时域反射仪（Time Domain Reflectometry，TDR）测定的坡面土壤含水率降至30%±0.5%时，开始进行试验。

图1 土槽和标靶布设位置

在试验开始前，降雨强度设定为（90±5）mm/h，在降雨器或供水流量稳定后率定降雨强度和上方汇水流量，当降雨强度或流量实测值和目标值的差值小于5%时正式试验，雨强通过放置在土槽周围的6个雨量筒进行监测，汇水流量通过称质量法进行测定。基于对采样点集水区坡度的原位调查，降雨试验均在15°坡度上进行，这个坡度也是中国低山丘陵区坡耕地的常见坡度[19-20]。试验开始后，观察并记录坡面的初始产流时间、细沟出现的时间和位置等，量测细沟的沟头位置和深度。坡面产流后，0～60 min内每隔1 min，>60～180 min内每隔3 min，>180～600 min内每隔6 min，>600～3 000 min内每隔12 min，>3 000～6 000 min内每隔20 min，接取一次径流泥沙样，接样时间为1 min，每组接样装置包括2个250 mL铝盒和一个12 L接样桶，其中铝盒用于计算径流含沙量。同时，试验过程通过安装在土槽上方降雨器上的高清相机（Sony6300）每隔10 s进行全程拍照，记录细沟发育过程和表面形态的动态数据。单场模拟降雨或径流试验的持续时间为坡面产流后1 h，每2场间歇性降雨时间之间间隔24 h，降雨总计100 h。降雨后，观测坡面表面形态，使用三维激光扫描技术和近景摄影测量技术分别记录坡面表面微地形形态，获取表面数字点云信息。同时，使用直尺法每隔10 cm测量坡面各条细沟的长度、宽度和深度。

1.3 数据采集

1.3.1 数字近景摄影测量

每场降雨后，将土槽放平，利用数码相机（Sony6300）从不同角度和高度对坡面进行拍摄，采集坡面微地形信息。照片位置重复率控制在70%以上。坡面影像采集完毕后，导入到Agisoft Metashape Professional软件中。通过软件中的相机标定工具利用试验相机的标定参数完成拍摄照片的畸变标定，借助对齐照片工具和建立密集点云工具完成点云匹配并建立试验所需要的高密度点云。

1.3.2 三维激光扫描技术

在每场降雨后，将土槽放平，以减少扫描死角。由于试验场地限制，三维激光扫描仪的架设位置在距土槽左右两侧最远2 m以内。因为试验土槽面积较大、高度较高等原因，对于坡面的扫描测量无法在一个测站的条件下完成。为了完整地将坡面的微地形数据记录下来，采用分测站扫描的方法，设置5个不同位置的测站（图2），从不同的角度对坡面进行扫描，以获得更加全面的坡面三维点云数据。为了将5个测站的数据较好地拼接到同一个坐标系中，在每次试验前在土槽上放置3个标靶，标靶位置按照仪器标靶放置规则固定于土槽的不同位置。根据试验目的和精度要求，点云分辨率设置为1 mm×1 mm。在Faro Scene V4.7.3软件中，对5站数据进行配置，生成高精度点云数据。

图2 三维激光扫描仪测站位置分布

1.3.3 点云数据处理

将得到的摄影测量和三维激光扫描点云数据输入到Cloud Compare V2.11.3软件中。利用软件的降噪功能对点云数据进行降噪；借助裁剪工具对坡面数据进行裁剪，提取研究区。然后将点云数据输入到ArcGIS10.2中，利用ArcGIS 10.2中的数据转换工具将点云数据转换为栅格数据。最后用地理工具对栅格数据进行空间校准，得到降雨前原始坡面和不同降雨历时下坡面的高精度DEM数据（精度为5 mm×5 mm）。

1.4 数据处理与分析

1.4.1 土壤侵蚀计算

1）径流和泥沙收集方法

收集径流泥沙是土壤流失试验中最可靠的方法[21]。将试验过程中收集的铝盒样品进行称量，然后，将其静置24 h，倒掉上层清水，放置在105 ℃烘箱烘至恒质量，以计算产沙量收集了降雨试验的径流泥沙样。随后，将计算得到的产沙量作为实测值计算土壤流失量，并将径流和泥沙收集的结果与数字摄影测量摄影测量和三位激光扫描观测结果进行比较。

2）基于数字图像的计算

土壤侵蚀体积的计算原理是基于DEM的体积差。在计算中，降雨前坡面的原始DEM减去侵蚀发生后不同时间段坡面的DEM，将每个栅格作为体积计算的微分单元，用该单元的面积乘以该格网点到参考面的距离来计算土壤侵蚀量，将计算的土壤侵蚀体积与容重进行换算得到土壤流失量[22]。其数学表达式为

式中为土壤侵蚀体积，kg；和为DEM数据的行列数；(,)为DEM格网上编号是(,)的点到参考面的距离；D为DEM单元格的面积。

1.4.2 细沟形态特征参数的计算

1）细沟宽深比

细沟宽深比是坡面某一坡位处细沟的宽度（m）和深度（m）的比值，能够反映细沟的断面形态在水平和竖直方向的大小变化，可以作为坡面侵蚀发育强度的重要参考指标[23]。

2）细沟总表面积

细沟总表面积（m2）也可以称为细沟实际破坏面积，是指研究区域内所有细沟的平面面积之和，在本试验中基于细沟矢量进行细沟面积计算[8]。

2 结果与分析

2.1 基于摄影测量和三维激光扫描的坡面侵蚀演变形态观测

在降雨试验中，坡面经历了片蚀阶段-细沟发育阶段-细沟成熟阶段3个侵蚀演化过程（图3），摄影测量技术和三维激光扫描技术观测的坡面侵蚀过程均出现相同的演变趋势。在1～5 h期间，坡表面主要以片蚀为主，这是由于坡面径流的能量较小，对坡面的冲刷能力较弱，只能带走土壤表面细小颗粒和一些较为松散的物质，而坡面中下部坡面汇水面积较大，坡面的径流量和流速相较坡顶明显增加，当坡面径流侵蚀力大于坡面抗侵蚀的能力后，坡面土壤开始被剥离，在此阶段坡中和坡下受侵蚀影响较大，坡面中部在水流冲刷作用下最先形成跌坎，然后由于坡面径流在跌坎内不断聚集，跌坎进一步发育形成断续细沟。吴淑芳等[22]研究了坡面细沟的侵蚀演变过程中，也同样发现在前期降雨试验后，侵蚀主要集中在坡面中下部，而顶部由于汇水面积较小，水流剪切力不足以剥离表层土壤，而随着跌坎的出现也为细沟出现创造条件。从图3中可以看出，在降雨历时1 h后，坡面100和160 cm附近开始出现跌坎。历时5 h后，坡面100 cm处演变为多条断续细沟。

在降雨历时5～10 h期间，断续细沟通过沟头的不断溯源连通为连续细沟，形成固定流路，细沟侵蚀开始出现，水力作用从雨滴溅蚀和片状侵蚀转化为集中径流侵蚀[24]，坡面通过不断汇水产生集中径流，同时细沟及细沟间的区域使得剥蚀的土壤得以快速输移[25]。

根据细沟发育主导侵蚀方式的不同，可将细沟发育过程分为：细沟发育前期和细沟发育后期2个部分[26]。一般情况下，细沟集中径流的剥蚀能力和输移能力远大于薄层径流[27]，本试验结果也与上述相一致，在细沟发育前期（5～50 h）径流相对集中，沟内水流流速快、流量大，对坡面的侵蚀能力和泥沙搬运能力明显增强，以沟头溯源侵蚀和沟底下切侵蚀为主。5～10 h期间，细沟长度由58.37 cm增长到112.11 cm，细沟最大深度由4.35 cm增长到5.45 cm，该时期是细沟发育最活跃的阶段，随后细沟前进速度逐渐变缓，细沟下切侵蚀作用逐渐增强。10～50 h期间，细沟长度由112.11 cm增长到216.43 cm，细沟下切最大深度由5.37 cm增加为27.32 cm，细沟大部分地方已经下切至淀积层。

图3 连续降雨条件下的坡面侵蚀演变过程

在细沟发育后期（50～70 h），由于细沟长度的不断增加，大量坡面径流开始从细沟两侧流入细沟中，细沟内径流量明显增加，沟壁扩张侵蚀开始出现。由于沟底已经下切至抗蚀能力较强的淀积层，所以沟底下切作用逐渐减弱。沟中径流能量被分散于溯源侵蚀和沟壁扩张侵蚀，沟头在坡面不断向前推进，沟壁不断向两侧扩展，细沟长度由216.43 cm增长到256.18 cm，最大沟深由27.32 cm增长到27.86 cm，细沟最大沟宽由19.65 cm增长到25.75 cm。

在细沟成熟阶段，沟壁扩张侵蚀占据主导地位（图3），细沟下切侵蚀几乎停止，沟头溯源侵蚀发育缓慢，坡面侵蚀作用主要来自于沟壁扩张侵蚀，沟壁土块的崩塌成为坡面侵蚀产沙的主要来源，细沟发育较为稳定。沟脚被细沟中径流掏涮之后，当驱动力（土体自身重力）大于阻力（土壤颗粒间的粘结力和摩擦力等）时，沟壁内侧容易形成张力裂隙[28-29]。随着沟脚被集中水流进一步淘涮，悬空土体体积增大，沟壁开始随机性崩塌，沟宽增大[30-32]。在降雨历时70 h后，沟头溯源和下切基本停止。在随后的试验中，坡面侵蚀主要是沟壁扩张侵蚀引起的沟壁坍塌。在此阶段，细沟长度由256.18 cm演变为287.35 cm，细沟最大宽度由25.75 cm发展为35.4 cm，细沟最大沟深由27.86 cm增长到29.40 cm。

2.2 三维激光扫描和摄影测量的精度分析

2.2.1 坡面侵蚀量测量精度对比

在坡面土壤侵蚀量演变观测试验中，以径流泥沙采集法所得到的土壤侵蚀量结果作为标准，对近景摄影测量法和三维激光扫描法的测量精度进行评价。利用每次降雨间隙采集到的DEM数据进行解算，可得到相应时段内不同方法所测得的土壤侵蚀量。

表2为3种测量方法在不同降雨时间段内测量精度对比结果。由表可知，2种非接触式测量方法的测量值的相对误差多为负数，测量值多小于实际采集的泥沙质量。这说明在花岗岩红壤土壤侵蚀试验中，2种非接触式测量方法会低估真实的土壤侵蚀量。但总的来说2种非接触式测量方法的测量结果和实测值比相对误差较小，最大相对误差为−16.82%，2种方法在坡面侵蚀量测量方面有很好的适用性[33-34]。

从试验过程来看，2种方法的测量误差呈相同的变化趋势。在试验前期和末期2种测量方法的测量误差均较小，而在试验中期测量误差则较大。这是因为在试验中期，坡面细沟窄而深，并且坡面中部细沟横截面多为细颈瓶型即细沟底部较宽肩部较窄，所以会存在较多的数据采集盲区。在点云和DEM处理过程中，软件在填补盲区时会将盲区进行平滑化处理，所以会低估细沟的深度和细沟底部的宽度，从而影响到细沟体积的测量，造成测量误差。在试验前期近景摄影测量的测量误差要大于三维激光扫描，这是因为试验前期数据采集扫描盲区较小，三维激光扫描仪采集到的点云数据数量更多，构建的DEM分辨率也更高，所以测量误差较小。然而随着试验的进行，表现为近景摄影测量的测量误差小于三维激光扫描。这是因为在试验中后期细沟深且窄，三维激光扫描仪在使用中需要固定架设，所以会存在较多的数据采集盲区。而近景摄影测量所使用的数码相机在使用时无需固定架设，可根据细沟形态选择不同的拍摄角度，所以数据盲区相对会较小，因此测量误差较小。其中近景摄影测量技术的平均绝对误差为8.84%，三维激光扫描技术的平均绝对误差为8.97%，近景摄影测量技术的测量精度要更高。并且径流泥沙采集法、近景摄影测量法和三维激光扫描法所测得的累积土壤侵蚀量呈相同的变化趋势，但由于误差的存在，2种方法计算的泥沙量普遍小于径流泥沙法所测得的泥沙量，所以在试验中后期2种非接触式方法测得的累计径流泥沙量越来越小于实际测得的泥沙量。

表2 2种非接触式测量法的土壤侵蚀量测量误差

2.2.2 坡面形态特征测量精度对比

1）细沟长宽深测量结果对比

对于细沟长度的量测，在每次试验间隔借助土槽两侧的直尺读取沟头和沟脚的位置来测定，将该实测值作为评价2种非接触式测量方法的标准。在Cloud Compare V2.11.3软件中读取近景摄影测量点云数据和三维激光扫描点云数据中点云三维坐标（,,），并利用测量点云点的坐标计算细沟形态参数。

在每次试验间隔利用直尺每隔10 cm对细沟宽度和细沟深度进行量测，将量测的细沟宽度和细沟深度值作为评价2种非接触式测量方法的标准。然后在Cloud Compare V2.11.3软件中获取最大沟宽处点云点的三维坐标对细沟最大宽度进行计算，由于2种非接触式测量方法在试验中期存在数据采集盲区，所以选用2种方法生成的DEM计算细沟深度。基于测得的最大细沟宽度进行分析，从图4a中可以看出，3种量测方法所测得的最大沟宽并无明显差异，但用直尺量测的最大沟宽总体上要略大于2种非接触式量测方法的测量值。这是因为在细沟量测过程中，试验土槽高度较高且细沟两侧坡面也受到不同程度的侵蚀，所以在量测过程中会出现直尺两端高低差异，进而出现测量数值偏大的结果。总的来看，2种非接触式测量方法在细沟宽度量测方面具有很好的适用性，并在测量效率方面要优于直尺量测。

对于细沟长度的量测，在每次试验间隔借助土槽两侧的直尺读取沟头和沟脚的位置来测定，并将该实测值作为评价两种非接触式测量方法的标准。读取近景摄影测量点云数据和三维激光扫描点云数据中细沟两端的点云三维坐标（,,），将测量点云点的坐标进行相减就可得到对应时间段细沟的长度。从图4b中可以看出，3种测量方法所得到的细沟长度演变特征一致，细沟长度差异较小，其中近景摄影测量和三维激光扫描的最大相对误差分别为2.7%和2.3%。2种非接触式测量方法在细沟长度测量方面均具有较好的准确度。

基于图4c中最大沟深进行分析发现，在试验前期和后期2种方法的深度测量值的最大相对误差为18.5%，而在试验中期测量值的最大相对误差为25.3%，证明在细沟深度测量方面，前后期测量结果要优于中期。同时对比细沟宽深比后发现在试验中期最大宽深平均值为0.84，而前期和后期最大宽深比平均值分别为1.42和1.24。在试验中期细沟宽度较窄并且深度较深，在数据采集时会存在数据采集盲区或点云数据质量较差的问题，所以在DEM拟合过程中会出现较明显的高程值计算误差。将2种测量方法的试验中期对沟深的测量结果进行对比分析发现，同时试验中期摄影测量计算的最大沟深平均相对误差为6.8%，小于摄影测量计算的平均相对误差（7.2%），说明近景摄影测量技术在“窄深型”细沟的深度量测方面要优于三维激光扫描技术。

2）细沟总表面积测量结果对比

从图5中可以看出，2种非接触式测量方法的测量值之间并无明显差异，2种量测方法所得到的细沟总表面积数据呈相同的变化规律。细沟总表面积的发展演变与细沟发展密切相关。在沟壁扩张侵蚀未出现之前，细沟面积仅受到溯源侵蚀的影响，细沟面积的增加主要来自于沟头的推进，而由于沟头宽度较窄，所以细沟面积增长较慢。沟壁扩张侵蚀的出现引起细沟自上而下的宽度增加，细沟总面积增速加快。当到细沟成熟阶段，由于沟壁扩张侵蚀占据主导地位，整条细沟的沟壁两侧都受到了更为强烈的侵蚀作用，所以细沟总表面积的增长速度进一步加快。

图4 近景摄影测量和三维激光扫描技术测量结果对比

图5 细沟总表面积变化

3）坡面微地形横截面模拟对比

坡面微地形是用于描述坡面起伏变化的特征参数[33-34]。一方面地表微地形会随着雨滴打击和径流冲击引起的土壤分离而不断发生变化，另一方面微地形的变化又会影响到土壤侵蚀产流产沙的变化。所以精确测量地表微地形对研究坡面侵蚀过程有重要意义。摄影测量和三维激光扫描在地表微地形模拟和测量中具有效率高、精度高等特点，近年来被广泛应用于坡面微地形研究中。然而2种方法在对高砾石含量的土壤进行监测时，模拟和测量精度是否会受砾石覆盖层的影响，目前尚不明确。因此，在该部分本文基于2种非接触式测量方法的高精度DEM利用ArcGIS 10.2的3D分析工具随机提取坡面不同时间段的横截面进行对比分析，从而对2种测量方法的适用性进行评价。

从图6可以看出在坡面模拟方面，2种量测方法的模拟结果均呈现出前期粗糙，后期逐渐平滑的变化趋势。这是因为在试验前期，由于降雨历时短，坡面受侵蚀程度较小，坡面表面较少的土壤被带走，较少的石英颗粒被滞留在坡面表面，石英颗粒覆盖率较低，分散的石英颗粒同周围的土壤呈现出明显的高差。因此，坡面表面的横截面抖动较大。然而随着降雨历时的不断增加，坡面土壤受侵蚀越来越严重，被降雨和径流筛选出来的石英颗粒也越来越多，坡面石英覆盖率不断提升，石英颗粒同周围的石英颗粒并无明显的高差，所以坡面横截面逐渐平滑。对比结果发现，近景摄影测量得到的坡面横截面较为平滑，三维激光扫描技术所得到的坡面横截面较为粗糙。这可能是因为三维激光扫描仪在扫描时，仪器发射的高能激光受到了坡面石英颗粒立较强的反射，出现了较明显的测量误差。总的来看，依据近景摄影测量技术所得到的坡面模拟结果要优于三维激光扫描技术。

图6 不同降雨历时坡面微地形横截面

3 讨 论

本文研究结果表明，坡面侵蚀演变呈现出明显的阶段特性，按主导侵蚀方式的不同，坡面侵蚀过程可划分为片蚀阶段、细沟发育阶段和细沟成熟阶段[35]。在片蚀阶段（0～5 h），坡面侵蚀发育缓慢，坡面侵蚀以片蚀为主。在细沟发育阶段（5～70 h），坡面侵蚀发育活跃，细沟发育受溯源侵蚀、下切侵蚀和沟壁扩张侵蚀的共同作用影响。在细沟成熟阶段（70～100 h），坡面侵蚀发育稳定，细沟侵蚀以沟壁扩张侵蚀为主。

细沟形态参数的演变在不同的侵蚀阶段呈现出不同的特征，细沟长度在细沟发育初期增长速度最快，随着降雨历时的不断增加，沟头溯源侵蚀作用逐渐减弱，细沟长度增长速度逐渐变缓；细沟宽度在细沟发育初期增长较慢，随着沟壁扩张侵蚀加剧，细沟宽度增长不断加快；细沟深度在细沟发育初期增长速度较慢，在细沟发育中期增加最快，在细沟成熟阶段由于沟底下切侵蚀逐渐消失，细沟深度增长几乎停止。不同坡位处的细沟形态呈现出不同的演变过程，坡上位置的细沟宽度和深度增长最为迅速，坡中和坡下次之。对细沟的宽深比变化进行分析发现，细沟底部（坡面50 cm）经历了一个“宽浅型-窄深型-宽浅型”的演变过程，细沟中部（坡面150 cm）始终为“窄深型”，细沟头部（坡面250 cm）经历了一个“窄深型-宽浅型”的演变过程。由于沟壁扩张侵蚀的出现和沟壁扩张侵蚀对细沟侵蚀的影响作用不断加强，细沟总表面积增长加快。

通过对2种测量技术的精度对比，发现两者在坡面侵蚀质量测量方面有很好的适用性，其中坡面侵蚀量最大相对误差为−16.82%，远小于Jiang等[12]利用近景摄影测定的坡面侵蚀量最大误差（34.57%），同时在本研究中发现在细沟长度量测方面，2种测量技术与直尺测量的结果差别较小，测量精度较高；在细沟宽度量测上，2种技术要优于直尺测量；对于侵蚀量和深度量测，2种方法测量误差均呈前期和末期小，中期大的特点，总体来说近景摄影测量技术的测量精度要高于三维激光扫描技术，这是由于中后期细沟较深且窄，三维激光扫描存在较多的数据采集盲区[11]。李俊利等[14]也同样发现近景摄影测量在沟壁和起伏区域重建的点云效果要优于激光扫描。在细沟总表面积测量方面，2种方法的测量精度并无明显差异。虽然2种测量技术的微地形模拟效果在试验前期较差，但随着坡面侵蚀的发育，土壤本身所含的石英颗粒在坡面的不断富集，模拟效果逐渐转好，近景摄影测量技术的微地形模拟效果要优于三维激光扫描技术。

综上，近景摄影测量技术对于“窄深型”细沟的量测方面要优于三维激光扫描，同时考虑到仪器设备价格、扫描采集灵活性等方面因素，近景摄影测量技术比三维激光扫描技术更适合于室内人工模拟降雨条件下的坡面侵蚀演变研究。但是由于研究是基于室内小规模坡面侵蚀试验展开的。在野外中大规模坡面侵蚀测量时，2种方法的适用性、精确性是否如室内试验一致，还需要进一步验证。

4 结 论

本文基于激光扫描和摄影测量在坡面侵蚀演变过程的应用研究，研究结论如下：

1）坡面侵蚀演变呈现出明显的阶段特性，按主导侵蚀方式的不同坡面侵蚀过程可分为：片蚀阶段、细沟发育阶段和细沟成熟阶段，同时细沟形态参数的演变在不同的侵蚀阶段呈现出不同的特征；

2）与实测的侵蚀量进行对比发现，近景摄影测量技术的平均绝对误差为8.84%，三维激光扫描技术的平均绝对误差为8.97%，2种测量方法均能对坡面侵蚀产沙过程进行监测；

3）近景摄影测量技术在坡面侵蚀产沙监测、细沟深度测量和坡面微地形模拟方面要优于三维激光扫描技术，在细沟发育阶段，细沟发育主要以溯源侵蚀、下切侵蚀为主，易形成“窄深型”细沟，这是由于三维激光扫描存在较多的数据采集盲区所导致的。

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Application of laser scanning and photogrammetry in the evolution process of slope erosion

Luo Bin1, Zhang Yong2, Zhang Zhiwei1, Ni Shimin1, Zhang Xin2, Wang Junguang1※

(1.,,430070,; 2,,430010)

Soil erosion on a slope is one of the most serious soil degradation that caused by the complex dynamic process of water draining down the slope. Quantitative monitoring of the slope erosion process is of great practical significance to clarify the erosion mechanism for the better models in the recent years. A non-contact measurement has been widely used, such as the laser scanning or photogrammetry, due to the high efficiency and accuracy. However, it is still lacking on the accuracy and applicability evaluation in the process of slope erosion, especially for the rill morphology characteristics. In this study, the laser scanning and photogrammetry were selected to monitor the evolution of soil slope erosion under the indoor artificial rainfall, in order to quantitatively explore their accuracy and applicability. The red soil was collected with the granite parent material from the Changting County, Hubei Province, China. The test material was then selected as the leaching, sedimentary, and parent material layer from the bottom to the top at the sampling point. The soil trough was used with the size of 4.0 m (length) × 2.0 m (width) × 0.60 m (height), particularly with the depth of soil filling of 0.50 m. The soil was then filled with the 0.15 m thick parent material layer, 0.20 m sedimentary layer, and 0.15 cm leaching layer before the test. The soil tank was subjected to the multiple cycles of drying and wetting. The static settlement was set at least two months, in order to make the soil layers and particles as close as possible to natural conditions. The whole duration was 1 h for the single-field simulated rainfall or runoff test after the runoff on the slope surface. The total rainfall was 100 h, where the interval was 24 h between each two intermittent rainfall. The rain intensity was also set to (90±5) mm/ h. The sediment ocean was then collected during the rainfall. After that, the 3D laser scanning and close-range photogrammetry were employed to record the micro-topographic and surface morphology of the slope at each rainfall interval. As such, the digital point cloud was obtained on the slope surface after the rainfall. At the same time, the length, width and depth of each rill on the slope were measured at the intervals of 10 cm, in order to determine the evolution of the morphological characteristics of the slope rill. The characteristic parameters of rill morphology were calculated to collect the runoff sediment and measurement. A comparison was also made on the laser scanning and photogrammetry technology in the erosion monitoring test. The results show that: 1) The slope erosion process was divided into the sheet erosion, rill development and maturity stage, according to the different dominant erosion. 2) Both non-contact measurement methods performed better to accurately measure the slope erosion. Specifically, the maximum relative error was -16.82% for the process of sediment production. The better applicability was also achieved in the measurement of slope erosion quality. 3) The close-range photogrammetry technology was superior to the 3D laser scanning in the monitoring slope erosion and sediment production, rill depth measurement, and slope micro-topography simulation. Therefore, the digital expression was realized for the evolution process of slope erosion, in order to promote the high efficiency and high precision of slope erosion monitoring. The finding can also provide the strong reference in the technology selection for the soil slope erosion.

slope; erosion; soils; close-range photogrammetry technology; 3D laser scanning technology; comparison

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.011

S157.1

A

1002-6819(2022)-17-0101-09

罗斌，张勇，张志伟，等. 激光扫描和摄影测量在坡面侵蚀演变过程的适用性[J]. 农业工程学报，2022，38(17)：101-109.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.011 http://www.tcsae.org

Luo Bin, Zhang Yong, Zhang Zhiwei, et al. Application of laser scanning and photogrammetry in the evolution process of slope erosion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 101-109. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.011 http://www.tcsae.org

2022-04-25

2022-07-10

国家重点研发计划项目（2021YFD1500703）；国家自然科学基金（42177317）

罗斌，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email：Luobin2021@163.com

王军光，博士，副教授，研究方向为土壤侵蚀机理。Email：jgwang@mail.hzau.edu.cn