西藏中南部侵蚀沟形态无人机航测与传统地面测量的对比分析

赵春敬，焦菊英，，税军锋，，王颢霖，陈同德，陈一先，安韶山，，郭明航，，杨力华

（1.西北农林科技大学 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100；2.中国科学院 教育部 水土保持与生态环境研究中心，陕西 杨凌712100）

西藏自治区位于中国西南边陲，地处青藏高原的西南部，素有亚洲“江河源”、“生态源”之称。区内地域辽阔，地貌及气候类型复杂多样，土壤侵蚀类型众多［1］。西藏水土流失面积1.03×106km2，占自治区总面积的85.43%［2］，严重的土壤侵蚀日益威胁着该区土地安全，制约着区域经济社会的可持续发展。从水土流失分布的地域来看，以拉萨、日喀则为代表的山地丘陵区水土流失最为严重，在该区植被差、土层厚的侵蚀沟中表现最为突出［3］。沟蚀作为一种最具破坏性的水蚀类型，导致了大量土壤的流失和退化，是土壤侵蚀剧烈发展的具体表现形式。中国对土壤侵蚀研究已有丰硕的成果，对侵蚀沟的研究多侧重于其形 成 机 理［4-5］、分 类［6-8］、动 态 监 测［9-10］及 治 理 对策［11］等。目前，西藏地区的土壤侵蚀研究相对薄弱，主要围绕土壤侵蚀类型和特点［1，12］、基于模型的土壤侵蚀分级与分布［13-16］、侵蚀分区及治理对策［17-18］进行，加之自然条件限制，侵蚀沟的相关研究更加不足。准确测量侵蚀沟的形态是沟蚀研究的基础。传统测量方法利用皮卷尺、微地形剖面仪等工具测量侵蚀沟横截面特征值［19-20］，操作简单，但耗时耗力，不适合大范围作业。而无人机航测技术以获取的影像地面分辨率高且实时传输、适于高危地区探测、机动灵活和操作技术难度低等优点，为侵蚀沟形态测量提供了一种新方法［21］。但在西藏这样的高海拔区域，无人机飞行受到自然条件的影响，很多时候仍然需要使用传统的地面测量方法。本文通过对比分析传统地面测量和无人机测量两种方法提取侵蚀沟特征的差异，探讨二者的适用性，以期为在西藏地区进行侵蚀沟监测合理选择测量方法提供参考依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于西藏自治区拉萨及日喀则市，属于高原温带半干旱大陆性季风气候区。区内人为活动频繁，平均海拔在4 500 m 以上，是冻融侵蚀作用的主要地带［22］。土壤主要为高寒草原土、山地草原土和山地灌丛草原土。土地利用类型多为牧草地，以高寒草甸自然植被为主。拉萨和日喀则年均降水量分别为426.5 mm 和430.5 mm，年均蒸发量分别为1 217 mm和1 875.3 mm，降水都主要集中在6—9月；年平均气温分别是8.0 ℃和6.5 ℃，太阳辐射强，年均日照时数分别为2 992 h和3 205 h［23-25］。本次试验在研究区选取6个地点共20条侵蚀沟作为研究对象，6个地点的地貌如图1所示。侵蚀沟的编号，实地测量的长度、宽度、深度等基本信息见表1。

1.2 侵蚀沟地面测量

于2018年8月，在6个研究地点选择具有代表性的侵蚀沟，采用断面测量法对某段或整条侵蚀沟的形态进行测量。具体做法是：采用GPS（GARMIN GPSmap 629sc，测定精度±3 m）在断面测量的起点、终点及明显转折处定位获取地理坐标，每隔3个测量断面再次记录地理坐标。同时，利用奥维地图在测点处添加定位点，在沟道分岔处用GPS再次标记经纬度，获取这些点位的地理坐标为后期在影像上确定所测量的侵蚀沟及对应测量断面位置做参考。在测点处，沟宽和沟深测量同时进行。两人在侵蚀沟的两侧拉直卷尺（钢尺量程7.5 m，皮尺量程50 m）测量垂直于径流方向、沟壁上沿左右间的距离作为沟宽（W）；另一人在沟中持钢尺使其垂直于测量沟宽的卷尺，测从沟底最深处至侵蚀沟所在地表的距离为沟深（D）。一个断面的沟宽和沟深测量完成后，一人站在测点处（一侧沟缘或沟中心）不动，另一人拉直卷尺沿一侧沟缘线或沟中心线行走，根据侵蚀沟大小和形态，以5，10，15，20 m 作为两个测量断面的间隔，长度较长时适当增加测量间隔。对于形态复杂的侵蚀沟，适当加密测量断面。

图1 西藏中南部6个调查点地貌实景

表1 实地测量的侵蚀沟基本信息

1.3 无人机遥感影像获取及处理

1.3.1 无人机野外航拍 采用四旋翼智能航拍无人机，型号为DJI大疆精灵Phantom 4 Pro V 2.0，其相机与云台一体化集成，相机模型是FC 6310，焦距为8.8 mm，像素数为5 472×3 648，像元大小为2.41×2.41μm。野外测量所用GPS 和无人机相机的POS文件的地理坐标系统均为WGS 84。航摄时选择晴朗无风或微风的天气，以保证充足的日照采光条件和飞行稳定性。在DJI GS Pro软件中画出无人机飞行区域，点击航线规划。该软件将控制无人机按照规划的航线执行飞行和拍摄任务。在综合考虑航拍范围、飞行高度、无人机电池续航能力、地形起伏及影像精度等情况下，将无人机实地航拍的相关参数设置如表2所示。

无人机GPS的定位精度为垂直±0.5 m，水平±1.5 m；航拍影像分辨率在4.87～7.2 cm 之间；受研究点地形地貌等因素的影响，航拍高度控制在196～255 m 范围内；航线间隔及旁向重叠度在30%～40%之间，航向重叠度在65%～75%之间；像片倾斜角小于2°，旋偏角小于7°，航线弯曲度小于3%。以上航拍参数设置均符合《低空数字航空摄影规范》对航拍作业的要求［26］。

表2 无人机航拍设置参数

1.3.2 正射影像生成 航拍完成后，首先生成正射影像（DOM），进而基于正射影像提取侵蚀沟的沟长、沟宽值。制作高分辨率正射影像主要由图像预处理、空中三角测量、正射镶嵌三部分构成。针对本研究目的，在航摄影像质量检查合格后，将其导入Agisoft PhotoScan软件，进行特征点的检测与匹配、相机自标定、对齐照片、点云稀疏重建以及稠密重建工作，最后输出正射影像（见图2）。生成的正射影像要求色彩均匀清晰，颜色饱和无云影和划痕，层次丰富，反差适中，可充分展现侵蚀沟的细节信息。根据Agisoft PhotoScan软件生成的评价正射影像精度的质量报告，区域网空三误差的变动范围为0.444～0.662像素，符合1∶1000地形图误差要求［27］；相机自检校误差在2%以内，符合相机焦距误差需小于5%的要求。

图2 研究地点的正射影像

1.3.3 侵蚀沟形态参数提取 将输出的正射影像导入Arc Map 10.2软件中，在影像上找到特征点，即野外测量时放置的白色纸张或某个明显转折处的石块等，结合奥维影像和定位点确定测量起点、终点及其他测点位置。同时，以实地拍摄照片辅助判读正射影像，以获得基于影像的侵蚀沟沟长和沟宽。首先，建立线状矢量图层，利用目视解译方法手动描绘沟缘线。其次，在测点处画出垂直于沟底流水线、且和沟缘线相交的线段作为沟宽。根据沿沟缘或沟中心线的测量间隔确定下一个测量断面位置后，方法同上画出沟宽线段。连接相邻两个沟宽线段的中点作为两个测量断面的沟长，各断面间沟长的总和即为所测量某段或整条侵蚀沟的沟长。最后，为该线状图层添加“length”字段，利用Arc Map的“计算几何”功能计算各沟宽、沟长线段的值。

1.4 无人机航测与地面测量结果对比分析

基于地面实际测量的沟宽、沟长值，对正射影像提取结果进行对比分析。以偏离度DE（deviation extent）反映影像提取值偏离实测值的程度；平均偏离度MDE（mean deviation extent）反映多次提取偏离结果的集中趋势。各指标的计算公式如下：

即使传统地面测量方法存在诸多弊端，但通过对比和经验发现，在野外实地测量的沟长、沟宽值与真实值相比不会超过1 m。而即使是利用精度较高的影像提取沟宽、沟长时，也会出提取偏差现超过1 m的现象。所以本研究选择地面测量值为目标数据。式中：X——影像提取值即实际数据；A——实地测量值即目标数据；n——样本个数。

2 结果与分析

2.1 沟长的对比分析

影像提取20条侵蚀沟沟长的绝对偏差在0.3～9.1 m 之间，其中绝对偏差小于5.0，4.0，3.0，2.0，1.0 m的比例分别为85.0%，75.0%，60.0%，40.0%，15.0%。沟长的MDE 在0.7%～8.57%之间，集中分布于2%～5%（见图3）。这表明，就沟长而言，利用无人机影像提取和传统实地测量均能得到较好的测量结果。进一步分析侵蚀沟所处位置对沟长提取结果的影响，发现BL-9和BL-10的沟长提取值最接近实测值；MX-7和MX-8提取沟长的MDE 仅高于BL-9，BL-10；而斯希和才乌研究点各侵蚀沟提取沟长的MDE 相差较大，分别在2.84%～8.57%和2.13%～8.31%之间，均值分别为4.81%和4.64%；叶巴村和茶巴朗村研究点的侵蚀沟提取沟长的MDE相差较小，分别在2.09%～4.00%和4.33～5.58%之间，均值分别为3.22%和5.12%。出现以上结果的主要原因是在野外条件下，地形高低起伏，侵蚀沟中心线并不总是处于同一个平面。实地测量得到的沟长是包含实际地形起伏的长度，而基于正射影像提取的沟长是投影后的水平长度。如沟长MDE 最大的侵蚀沟出现在斯希洪积扇和才乌坡面，其中斯希的侵蚀沟形状不规则且拐点较多，地形破碎；才乌的侵蚀沟所处坡面坡度变化大，沟道浅且隆起多，这些因素导致了沟长测量结果出现较大偏差。位于百林村坡面上的侵蚀沟所处坡面的坡向单一，相对平坦，侵蚀沟形状规则且拐点少，因此野外测量和影像提取的沟长值更加接近，其MDE仅有0.70%和0.85%。

图3 侵蚀沟提取沟长的平均偏离度

2.2 沟宽的对比分析

2.2.1 不同范围沟宽提取的对比分析

（1）依据259个侵蚀沟实测断面，统计分析各沟宽范围内实地测量与影像提取的宽度。实地测量和影像提取的沟宽范围分别在20～2 320 cm 和19～2 210 cm之间，其中实测0～200 cm 和200～400 cm沟宽范围内的测点占总数的35.9%，23.6%，沟宽值集中分布在0～400 cm 范围内。结果表明，提取沟宽的绝对偏差小于2 m 的断面占89.58%，其中小于1 m的部分占73.75%；DE范围为0～92.1%，主要集中在0～40%，其中沟宽的DE＜15%，＜10%和＜5%的比例分别为43.63%，28.57%和15.44%。实测沟宽在0～200 cm 和200～400 cm 范围时，MDE 均高于20%，分别为27.6%和23.9%；沟宽在400～1 200 cm范围时，MDE均低于20%，介于14.9%～19.9%。

（2）为了直观分析影像提取不同范围沟宽的偏离情况，以探明影像提取不同沟宽的侵蚀沟的适宜性。本文对不同沟宽范围内，提取沟宽的MDE 在＜5%，5%～10%和10%～20%范围内的测点数占该范围内测点总数的百分比进行了统计。除0～100 cm（实测）区间，其余区间MDE小于20%的沟宽测点均占区间测点总数的一半以上，其中600～700 cm（实测）区间达到76.92%，此区间内接近实地测量值的提取值所占比例最大。当实测沟宽在200～300，400～500，700～800，900～1000 cm 时，MDE小于10%的沟宽测点分别占区间总测点的37.50%，37.50%，42.10%，50.00%，高于其他区间所占比例；当实测沟宽在400～500 cm 和900～1000 cm 时，MDE 小于5%的沟宽测点所占比例明显高于其余区间，该区间内提取值接近真实值的概率更大。就MDE 小于20%，10%和5%的测点数所占比例来看，沟宽在400～1 000 cm 范围内，影像提取值和实测值较接近，偏离程度较小（见图4）。出现以上结果的原因是无人机航拍时未布设地面控制点，导致影像上沟道断面位置和实地测量的沟道断面位置不完全一致，沟宽提取的偏差总体较大。当沟宽小于400 cm 时，受分辨率影响，在影像上不易识别出侵蚀沟的具体形状，只能看到较模糊的轮廓。尤其当侵蚀沟宽度小于100 cm且较浅时，影像放大后这类沟几乎与坡面或洪积扇融为一体，提取的沟缘线往往包含裸地，造成结果偏大；沟宽大于1 000 cm 的侵蚀沟内侧通常有灌木生长且长势良好，导致在影像上看到的沟缘线往侵蚀沟内侧偏移，此时提取的沟宽值偏小。

图4 不同沟宽区间内MDE小于5%，10%，20%的测点比例分布

2.2.2 不同地貌上侵蚀沟沟宽提取的对比分析 影像提取20条侵蚀沟沟宽的MDE 集中分布在13%～20%之间（12条），其中14条侵蚀沟提取沟宽的MDE＜20%。MX-8沟宽的MDE最小为9.5%，YB-2最大为38.34%。一般来说，同一研究地点内，侵蚀沟的平均宽度越大，影像提取的MDE 越小，如YB-1，YB-2和YB-3；CBL-4，CBL-5 和CBL-6（图5）。6 个研究点中，叶巴村、茶巴朗、百林和斯希研究点沟宽提取的MDE 非常接近，分别达到22.90%，24.97%，24.22和23.62%（图6）。不同于其他研究点所测侵蚀沟仅分布在一种地貌上，百林村研究点所测侵蚀沟既有位于坡面的也有位于洪积扇的，位于坡面和洪积扇的侵蚀沟提取沟宽MDE 分别为19.82%和27.66%。出现以上结果的原因是，在叶巴村研究点，YB-2的平均宽度为154 cm，在该沟测量断面最窄处，地面测量沟宽仅20 cm，而提取值为55 cm，导致影像提取沟宽值的偏离程度最大。茶巴朗和斯希研究点的侵蚀沟下垫面为沙地，在影像上边缘不清晰，易受两侧流沙的影响，导致对沟宽的判别偏大。调查发现百林村研究点植被（盖度30%）沿着沟缘生长且存在放牧情况，土质相对疏松，沟缘线因动物踩踏受到破坏，使沟宽的准确界定受到影响；与坡面相比，该研究点洪积扇上的侵蚀沟形状复杂且下垫面地形破碎，故洪积扇上提取沟宽的偏离程度更大。马乡研究点地表土质坚硬，侵蚀沟切割较宽且深，在影像上容易识别，其MDE最小。才乌研究点的侵蚀沟CW-17的平均沟宽为158 cm，但其沟中及沟两侧几乎无植被，且在实地测量时经历一场降雨，目睹侵蚀沟汇流，有助于准确界定沟宽，在此情况下，实地测量沟宽值和影像提取值的接近程度更大。

图5 侵蚀沟提取沟宽的平均偏离度

图6 影像提取不同位置沟宽的偏离程度

3 讨论与结论

本研究利用无人机航空摄影测量技术，通过Agisoft PhotoScan 软件对航拍影像进行处理。在ArcGIS软件中基于生成的正射影像对侵蚀沟形态进行测量，比较实地测量和影像提取侵蚀沟形态的差异。

（1）和实地测量相比，基于无人机影像提取20条侵蚀沟沟长的平均偏离度集中分布在2%～5%范围内，这和李镇等［28］利用Quick Bird影像提取切沟沟长的偏差结果一致。6 个研究点中侵蚀沟BL-9 和BL-10沟长提取的偏离度最低，绝对偏差分别为0.3 m 和0.4 m，平均偏离度分别为0.70%和0.85%。这可能是无人机在百林村研究点的飞行高度相对较低（196 m），侵蚀沟在影像上表现的更为清晰，易于准确识别沟缘线。这一结果也表明在合适的飞行参数条件下，如飞行高度较低时，影像提取的侵蚀沟沟长值与实地测量的沟长值相比偏差较小，能满足试验要求，无人机航测可取代地面测量方法。然而，在实际试验中，由于西藏地区山高坡陡且无人机的飞行时长有限，往往会设置较高的高度，以覆盖更大的飞行面积，这也是本次野外试验存在的弊端。此外，对比不同研究点沟长的测量偏差发现，沟长测量偏离度受地形起伏及测量拐点的影响较大，沟缘线随地形高低起伏的区域是产生测量偏差的主要位置，在实地测量沟长过程中应该特别注意。

（2）就侵蚀沟宽度测量而言，在青藏高原地区，获取0～400 cm 的沟宽值最好采用实地测量方法，获取400～1 000 cm 的沟宽值可采用无人机航拍方法。侵蚀沟沟宽提取的平均偏离度较小的多为中、大型沟，其中当沟宽在600～700 cm 和900～1 000 cm 范围内时提取沟宽的平均偏离度最小，提取值最接近地面测量值。这和影像本身的分辨率有关，当沟宽小于400 cm 和大于1 000 cm 时，在影像上不易准确勾画出沟缘线，因此沟宽提取值和实测值的偏离程度较大。此外，当沟宽较小时，即使绝对偏差很小，也会出现影像提取值与实测值偏离程度较高的情况。这也说明即使遥感成像技术发展迅猛，但目前野外实地测量仍有其重要意义。在6个研究点中，坡面和洪积扇侵蚀沟提取沟宽的偏离度高低没有明显的规律。这是由于在西藏自治区新构造运动强烈，在不同地貌部位其地表物质有明显差异，导致各个研究点的下垫面情况不同。如洪水季节坡面冲刷的大量泥沙导致洪积扇上砂质洪积物广泛分布，位于洪积扇的侵蚀沟边缘不清晰，不易识别，如YB-1和SX-13；而坡面地表大多为岩石，侵蚀沟切割明显，如CW-17和CW-20。此外，位于洪积扇的侵蚀沟由于海拔相对较低且地势相对平坦，表层土壤是坡面水土流失的沉积物，养分含量及土壤质地条件较好，该环境下侵蚀沟覆盖着长势良好的植被，对影像反映侵蚀沟真实轮廓也造成一定影响，往往因为在影像上看到的侵蚀沟包含了裸土及荒草地导致提取沟宽数值偏大，如SX-15。

（3）本研究认为在采用适宜的无人机航拍参数条件下，生成正射影像并提取侵蚀沟形态参数的方法是可行的。该方法和传统地面测量相比，节省了大量人力和物力，特别是在海拔高、地形陡峭、地势险要的青藏高原地区，具有一定的实际借鉴意义。然而，航拍时未能布设地面控制点，这对在影像上准确提取侵蚀沟参数产生了一定影响；在今后的试验中应选用精度较高的仪器如RTK、全站仪测量地面控制点，避免此类问题。分析6个研究地点中20条侵蚀沟的长度和259个侵蚀沟测量断面上的沟宽发现，影响侵蚀沟形态参数提取的主要原因是部分侵蚀沟的边缘不清晰。同时，在野外试验过程中，受测量人员视线及对沟缘线位置判断的主观影响，也会导致测量结果和在影像上勾画的沟缘线不一致。此外，一些形态较为复杂的侵蚀沟，下垫面破碎或拐点较多导致在影像上提取沟宽、沟长时偏差较大，从而影响了侵蚀沟形态的准确提取。如何准确界定侵蚀沟的边缘线，也是今后沟蚀研究的重点内容之一。本试验研究的侵蚀沟形态参数仅有沟长和沟宽，在未来的试验中，可考虑利用雷达测量沟深，以获得更多的侵蚀沟形态信息。