切沟侵蚀监测与预报技术研究述评

李镇，张岩，姚文俊

(水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室(北京林业大学)，100083，北京)

切沟侵蚀监测与预报技术研究述评

李镇，张岩†，姚文俊

(水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室(北京林业大学)，100083，北京)

切沟侵蚀作为一种常见的土壤侵蚀现象，不仅破坏土地资源，也是河流泥沙的主要来源之一;但是，由于切沟侵蚀机制复杂，研究手段欠缺，切沟侵蚀研究进展缓慢。切沟侵蚀监测技术是研究切沟不同发育阶段侵蚀速率和构建切沟预报模型的基础。近年来，高精度GPS、三维激光地形测量以及RS和GIS等切沟侵蚀监测技术取得了新进展，尤其是高分辨率遥感的应用为较大时空尺度的切沟侵蚀监测提供了可能性。世界范围的切沟侵蚀监测成果表明不同地区切沟侵蚀速率主要为0.16～15m/a。切沟侵蚀预报技术进展缓慢，现阶段还没有广泛应用的切沟侵蚀预报模型。利用高分辨率航空和卫星影像及三维激光测量等新技术，开展较大尺度的切沟侵蚀监测是近期的研究热点和主要发展趋势，而从长远来看，发展切沟发育和侵蚀的经验和机制模型、进行不同时间尺度的切沟侵蚀预报是切沟研究领域的发展方向。

切沟;GPS;三维激光测量;监测技术;侵蚀速率;预报模型

切沟是一种常见的沟谷形态，切沟侵蚀使土地变得支离破碎，影响农业生产［1］，恶化了当地及下游的生态环境，是主要侵蚀方式之一。切沟侵蚀产沙量占流域产沙量的50% ～80%［2］。切沟的发育是在地形地貌、地质和土壤条件、人类活动以及气候变化等多种因子影响下的一种依赖临界地貌条件的过程［3-4］。A.Sidorchuk［5］认为切沟发展包括2 个阶段：第1阶段占切沟生命的5% ，沟道快速形成，系统在这一阶段迅速发展;第2阶段是切沟发展的稳定阶段，占切沟生命的大部分，沟底和沟壁形态稳定。同片蚀和细沟侵蚀研究相比，切沟侵蚀的阶段性和复杂机制使得预测切沟侵蚀非常困难［6］，加上技术手段的欠缺，切沟侵蚀研究较薄弱，已经严重地制约了土壤侵蚀预报、土壤侵蚀普查和切沟侵蚀的治理。近年来，随着切沟侵蚀监测技术的不断发展，使得切沟侵蚀监测从传统的卷尺、插钎等测量方法，到使用GPS、三维激光地形测量和高分辨率遥感等新技术，切沟侵蚀研究的报道也越来越多，特别是采用不同方法从不同时空尺度上进行切沟侵蚀速率的研究。笔者回顾了近年来高精度GPS、三维激光地形测量以及RS和GIS等技术在切沟侵蚀监测中取得的进展，总结了切沟侵蚀速率研究的时空尺度及监测方法，并介绍了切沟侵蚀模型的研究进展，最后分析了切沟侵蚀研究的发展趋势，力求为区域土壤侵蚀普查、沟道治理和水土流失防治、生态恢复等提供支持。

1 切沟侵蚀监测技术的新进展

切沟侵蚀速率的监测方法可以归纳为直接和间接2种方法［7］：直接方法包括使用传统钢钎法进行周期性观测以及对切沟参数进行定期调查［8-11］;间接方法包括不同年份的航片［12-14］或数字高程模型(DEM)［15］比较分析、历史记录分析等。与直接方法相比，间接方法在监测较大的时空尺度切沟侵蚀时更有优势。传统的切沟侵蚀监测技术是对切沟的沟长、面积及体积进行直接测量，主要工具是卷尺，该方法可以通过测量切沟不同部位的横断面的面积和横断面的间距来获得切沟的体积，操作方便;但是该方法只能测量切沟整体体积的变化，无法对沟内具体部位的侵蚀堆积进行监测［16］。插钎法也是研究切沟侵蚀的常见方法，可以用来测量切沟不同位置的侵蚀速率;但测量精度不高，同时还受地表沉降的影响，只能用于粗测侵蚀厚度，同时插钎容易受自然和人为因素破坏，尤其人为扰动对测量工作常产生很大的影响［8］。近年来，随着高精度GPS和三维激光测量等新技术的发展，使切沟侵蚀监测迈入了切沟体积精确测量的阶段，特别是高分辨率遥感影像和GIS技术的发展使得大尺度范围内切沟侵蚀的监测成为可能。

1.1 GPS技术

GPS为野外快速测量切沟形态提供了新的手段，相关研究［17］表明，利用高精度GPS在小范围内进行实时作业，速度快，定位精度高(能够达到厘米级)，在恶劣的天气下仍然具有良好的稳定性。利用GPS对切沟进行测量时，野外主要获得沟道的地理坐标和高程信息等地形参数，室内利用ArcGIS软件进行数据处理，获得一定分辨率DEM数据，基于此得到测量时间段内切沟的长度、面积、体积等参数。该监测方法能够对切沟侵蚀进行短期的高精度监测，但也存在较大的局限性，费时费力，只适用于小范围内切沟的监测，不能进行大尺度范围的研究［18］。利用GPS进行切沟侵蚀的监测，结果的精度主要取决于所建立切沟DEM的质量，只有确保沟缘线、沟底地形特征线测量的质量，才能得到高精度的研究结果。GPS测量间距不同，从建立的不同尺度DEM上获取的地形信息必然存在很大的不确定性，影响切沟蚀侵蚀监测的准确性。胡刚等［19］认为采样间距在2m左右可以满足东北漫岗黑土区切沟形态测量;何福红等［20］指出测量距离为5m是长江中下游地区描述切沟地形的理想尺度。

1.2 三维激光地形测量技术

三维激光地形测量技术能用于监测切沟侵蚀的演变过程，对侵蚀量的估算精度也显著高于传统方法［21］，使得长期以来阻碍切沟侵蚀研究的技术瓶颈在一定程度上有所突破。利用三维激光地形测量仪进行切沟侵蚀监测，首先野外测量坡面侵蚀形态，然后利用GIS软件对测量数据进行处理，获得侵蚀沟不同发育阶段沟长、沟宽、面积、体积等参数，亦可生成不同阶段的沟蚀演变图像，且能够反映侵蚀沟的发育部位。三维激光地形测量技术在切沟横断面测量［22-23］、沟头定位［24］和切沟系统制图、参数提取方面［25］都具有较高的精度。张鹏等［21］采用人工降雨试验模拟坡面沟蚀发育过程，证实了三维激光扫描仪(Leica HDS 3000)在沟蚀过程监测和侵蚀量估算方面优于GPS(Trimble 5700)和测针板方法;L.Perroy等［26］研究表明，空中三维激光测量技术在估算切沟侵蚀方面优于地面三维激光测量，但地面三维激光测量可以获得更高的点密度。当前，在我国三维激光测量技术主要被应用于坡面细沟侵蚀的动态监测［21，27］，关于切沟侵蚀的监测研究还不是很多。

1.3 RS和GIS技术

卫星遥感影像具有多光谱特征，空间范围大，易于获得不同时间尺度的数据;但早期的遥感影像如Landsat、SPOT、ASTER、IRS 和 ENVISAT，空间分辨率较低，只能用来分析大中型切沟［28］。近年来，随着高分辨率卫星影像的快速发展以及遥感影像处理技术和GIS技术的进步，对于大范围内研究中小型切沟及变化提供了条件，这为开展较大时空尺度的切沟侵蚀研究提供了可能性。该方法主要基于GIS技术，从影像中提取切沟的形态特征，通过对多期结果叠加的方法监测切沟发育。A.Vrieling等［28］使用多光谱QuickBird影像和实地调查数据验证了ASTER影像(分辨率15m)提取切沟的可行性;B.V.Shruthi等［29］使用卫星影像 IKONOS(多光谱数据分辨率1m)和立体GEOEYE-1数据(全色波段分辨率0.5m)，创建了基于目标的切沟提取方法，实现了高精度切沟形态的半自动化提取。在我国，闫业超等［30］依据 Corona(分辨率2.7m)和 SPOT-5(分辨率2.5m)影像，对东北典型黑土区1965—2005年间切沟(长度在7～8个像元以上的切沟)的数量进行了统计分析;杜国明等［31］基于SPOT-5影像(2.5m分辨率)提取切沟信息，对东北黑土区切沟的空间格局分布特征进行了研究;马玉凤等［32］利用QuickBird影像(0.61m分辨率)和航片，结合GPS，提取图像信息，并绘制二维和三维图，对青海共和盆地沙沟河流域典型冲沟进行了不同时间尺度的动态监测。

遥感卫星可应用于大范围内切沟发育速率的研究，依据遥感卫星数据还能够对切沟的溯源侵蚀、沟坡横向侵蚀的发展进行监测;但受遥感影像分辨率的影响，将其应用于切沟侵蚀速率的研究还不多见，特别是对于垂直的下切侵蚀，现在的研究还无法进行说明。

2 切沟侵蚀监测取得的研究成果

1997年，L.J.Bull等［33］总结了多项研究成果，发现全球大部分地区切沟发育速率一般在每年0～20mm之间，非洲肯尼亚的切沟发育速率可达15m/a。从近20年来国内外切沟侵蚀速率的主要研究成果(表1)来看，切沟侵蚀速率研究的方法不一样，研究的时空尺度也不尽相同;但切沟侵蚀速率明显大于L.J.Bull等［33］总结的成果。

表1 切沟侵蚀研究成果Tab．1 Summary of gully erosion rates across a range of locations and periods

从表1所列的切沟侵蚀研究成果来看，钎插、三维测量仪、GPS等方法更多是应用于短期内(1～2年)进行小范围内的切沟侵蚀的监测，而航空照片可以用来对切沟进行较大时空尺度的监测(29～36年)。在我国，主要基于GPS技术采集数据进行切沟侵蚀速率的研究，且进行短期(1～2年)的监测。基于数次野外测量获取切沟不同发育阶段的数据，建立切沟侵蚀的长期数据库，可以为研究切沟形态特征参数与侵蚀量的关系及模型的构建创造条件，但短期切沟的侵蚀速率并不代表长期的速率。而高分辨率遥感影像可以用来估算长时间尺度的切沟侵蚀速率，特别是应用于较大空间尺度上比实地监测技术更具有优势。这种方法基于多幅影像进行不同阶段的切沟侵蚀速率的研究，因受到分辨率的限制无法反映切沟短期内的变化;因此，对于次降雨对切沟发育的影响，仍需借助GPS、三维激光地形测量仪或插钎的方法进行监测。

3 切沟侵蚀预报研究进展和存在问题

切沟侵蚀预报模型是切沟侵蚀预报的主要工具，可以对切沟侵蚀各个影响因子高度集中概括，有利于整体把握未来切沟侵蚀发育的状况，为治理、防治切沟侵蚀以及土地资源的合理利用、水土保持提供依据［40］。切沟发育的模型研究始于20世纪70年代早期，当时的主要方法是随机模拟，80年代开始建立基于过程法则的模型，90年代则在结合坡面和沟谷过程基础上出现了更加准确的模型［3］;但是，由于切沟侵蚀的阶段性，以及切沟的沟坡与沟槽、切沟以上的山坡和切沟本身之间的关系等，基于过程观测的切沟侵蚀预报非常复杂，而且在不同发育阶段的切沟侵蚀速率差异巨大，在缺少观测数据的情况下，流域尺度切沟侵蚀速率很难估计［7］。目前切沟侵蚀预报的主要方法是根据切沟发育的阶段性建立经验模型。A.Sidorchuk［5］根据切沟发育的阶段性理论分别建立动态和静态模型来模拟切沟发育初始阶段和稳定阶段形态参数的变化，并且在俄罗斯的Yamal和澳大利亚的Yass用实测数据进行了模型验证。J.A.Whitford等［7］根据切沟发育的阶段性理论建立了一个概念-经验模型，可以预报切沟发育程度、长、宽、深等参数以及切沟侵蚀量。

切沟发育预报的另一种方法是基于临界地貌理论建立经验模型，加入像元宽度作为参数，从数字地形模型DEM中确定可能发生切沟的部位。临界地貌条件的研究经历了从临界坡长到临界面积再到临界剪切力等沟蚀临界理论模型的发展历程，临界上坡汇水面积和坡度已被广泛用于预测切沟侵蚀起始位置和土壤流失量的模型［41-43］。J.P.Lesschen等［44］基于临界地貌理论，考虑了土壤类型、土地利用、气候等因子，建立了基于GIS的切沟侵蚀潜在区域预报模型。K.Vandaele等［45］建立了上坡汇水面积(A)和临界坡度(S)之间的关系，表达式为：S=aA-b，其中b值的范围在0.25～0.6之间，主要集中于0.4，a值的范围在0.0035～0.35之间。在我国，Wu Yongqiu等［17］分析了黄土高原地区上坡汇水面积和坡度之间关系，结果是：a值为0.183 9，b值为0.238 5，AS2介于 41 ～814m2之间。

此外，也有人尝试其他方法预报切沟侵蚀。R.Hessel等［9］在陕北黄土高原建立了一个简单的稳定性模型，假设切沟沟头崩塌的土壤是土壤水分和沟头高度的函数，用于估算切沟侵蚀量。李斌兵等［46］依据质量守恒原理，考虑影响切沟水沙运动的物理要素，建立了沟坡系统切沟侵蚀模型，并给出了有限差分法的推导过程。然而，无论是经验模型还是机制模型，现阶段都无法准确预报研究区以外的其他地区或不同的时空尺度的切沟侵蚀。

4 切沟侵蚀研究发展趋势

长期以来由于受到切沟发育机制复杂和监测技术手段的局限［47］，切沟侵蚀研究相对缓慢，切沟不同发育阶段的侵蚀机制、切沟侵蚀预报模型、切沟侵蚀研究方法的改进以及不同时空尺度的切沟监测等研究都亟待加强。随着现代测量技术的快速发展、侵蚀预报模型建立的需要以及切沟侵蚀危害性评价的迫切需求，切沟侵蚀研究已成为当前土壤侵蚀过程研究的重点和热点［7］，尤其是切沟侵蚀监测技术的发展，为研究切沟不同发育阶段侵蚀速率提供了方法论，为构建切沟预报模型提供了数据来源。在我国，对切沟侵蚀的研究起步较晚，基础数据欠缺，选取或结合合适的切沟侵蚀监测方法，获取切沟不同发展阶段的数据，进而建立切沟侵蚀发育的长期数据库，可以为研究切沟形态特征参数与侵蚀量的关系及侵蚀模型的构建创造条件，如可以利用监测数据对J.Nachtergaele等［48］提出的沟长是评估切沟侵蚀量最重要的指标进行验证。

从近年国际研究进展来看，切沟模拟研究仍为少数。研究的热点集中在使用高分辨率航空和卫星影像或三维激光测量技术获得数字高程模型DEM进行切沟发育监测和切沟分布制图［10，29，47，49］;也有研究者通过室内试验的方法，测量沟蚀速率［50］;此外，有人研究了不同土地利用变化对切沟侵蚀的影响［51］。由此可见，利用高分辨率航空和卫星影像及三维激光地形测量仪等新技术，开展较大尺度的切沟侵蚀监测是近期的主要发展趋势，而从长远来看，发展切沟发育和侵蚀的经验和机制模型、进行不同时间尺度的切沟侵蚀预报是切沟研究领域的主要发展方向。

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A review ofmonitoring and predicting technology on gully erosion

Li Zhen，Zhang Yan，Yao Wenjun
(Key Lab.of Soil and Water Conservation and Desertification Combating，Ministry of Education(Beijing Forestry University)，100083，Beijing，China)

As amajor process of soil erosion，gully erosion destroys land resources and is themain contribution to watershed sediment on the gully Loess Plateau.The complexmechanism of gully erosion and lack of techniques resulted in the slow progress of research on gully erosion.Measuring andmonitoring techniques are the base for assessment and prediction of gully erosion rate.In the past years，some new techniques have been used in the research of gully erosion，including Global Positioning System(GPS)，three-dimensional Lasermeasurement and high resolution remote sensing.In particular，high resolution remote sensing presents a possibility formonitoring gully erosion in a larger scale than before.Worldwide researches showed that gully erosion rate ranged from 0.16m/a to 15m/a.The technique of gully erosion prediction develops slowly，and there is still no widely applicable gully erosion predictionmodel at present.Assessment of gully erosion rates with high-resolution sensing，LADAR or 3D lasermeasuring is a hot topic in the research of gully erosion recently and also a constant trend in the near future;however，development of gully erosionmodel and predicting gully erosion at different scales will be the long term research direction.

gully;GPS;3D lasermeasuring;monitoring technology;erosion rate;predictionmodel

2012-05-03

2012-10-29

国家自然科学基金“黄土丘陵区退耕还林对切沟发育和侵蚀过程的影响机制”(41271301)

李镇(1984—)，男，硕士研究生。主要研究方向：自然资源监测与管理。E-mail：lizhen_bj@163.com

†责任作者简介：张岩(1970—)，女，副教授，硕士生导师。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：zhangyan9@bjfu.edu.cn

(责任编辑：程 云)