切沟侵蚀测量方法研究进展

何 涛， 史扬子， 杨 扬†， 黄婷婷， 白 雪， 刘宝元， 刘瑛娜

(1.北京师范大学地理科学学部,地表过程与资源生态国家重点实验室,100875,北京; 2.北京师范大学地理科学学部,地理学院,100875,北京; 3.中国科学院 水利部水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,712100,陕西杨凌)

切沟是指普通耕作工具无法横跨的侵蚀沟，往往切破犁底层，深入母质。切沟侵蚀即在切沟发生发展过程中造成的侵蚀[1]，是全球河流泥沙的重要来源，其产沙量可占流域产沙总量的10%～94%[2]。在我国黄土丘陵沟壑区，切沟侵蚀产沙量的比例通常在50%以上，部分地区甚至可达70%以上[3]；在东北黑土区，深度超过10 m的大型侵蚀沟已超过25万条[4]，沟头溯源年侵蚀平均速率1 m[5]；在南方红壤丘陵区，部分地区的沟道侵蚀量可达7 000 t/km2以上[6]。切沟侵蚀是重要的土壤侵蚀类型之一，选择合适的方法与手段监测切沟及其发育，对于深入研究切沟侵蚀机理、理解切沟侵蚀规律、建立切沟侵蚀模型具有重要意义。

笔者在系统梳理主要的切沟侵蚀监测方法，利用Web of Science的高级检索功能定量分析截至2019年切沟侵蚀测量方法的发展趋势与特点，并在此基础上比较各方法的主要优缺点，以期为合理选择切沟测量方法提供科学依据。

1 切沟侵蚀测量方法分类

在Web of Science中使用‘gully’‘erosion’‘technique’‘method’进行主题搜索，发现目前切沟侵蚀监测方法可按照切沟表面与测量仪器是否接触分为接触测量与非接触测量2大类。其中，接触测量包括测针法、断面测量法、填充法、全站仪法与GPS法5类；非接触测量包括激光扫描法、立体摄影测量法与遥感解译法3类。

为深入分析上述8类方法的应用情况，依照搭载平台的不同，进一步将GPS法分为差分、手持GPS法2种；激光扫描法分为机载、地面激光扫描法2种；立体摄影测量法分为地面、机载传统立体摄影测量法，与地面、机载SfM(structure from motion)立体摄影测量法4种；遥感解译法分为航空、卫星遥感解译法2种，共计14种方法。根据各方法的特点编写检索式(表1)，检索范围为Web of Science核心合集，检索时间为1900—2019年，面向所有文献类型。人工逐篇筛选检索到的文献，仅保留利用对应方法进行切沟直接测量的非综述性文献，最终得到359篇论文(article)和会议论文(proceedings paper)。各方法对应文献数量占比和首次在切沟侵蚀文献中出现的年份见表1(由于部分运用激光扫描法的研究并未指明搭载平台，在表中单独列出)。

表1 各切沟测量方法的Web of Science检索式、文献数量及首次应用年份Tab.1 Search queries used in Web of Science, numbers of publications and initial application years for different gully erosion measurement methods

切沟侵蚀测量中应用最多和最少的方法分别为遥感解译法与填充法，对应文献数量占比分别为52.4%和0.3%(表1)。若根据搭载平台细分，14种方法中使用最多的是航空遥感解译法(39.6%)与卫星遥感解译法(12.8%)；运用最少的是填充法(0.3%)和断面测量法(0.8%)。统计各方法的首次应用时间发现，机载激光扫描法与地面传统立体摄影测量法应用最早，对应文献收录于20世纪80年代末期。测针法与遥感解译法至90年代才开始被采纳。进入21世纪以来，GPS开始应用于切沟研究；激光扫描法也从空中“落地”，不再需要依托特定航空器。地面与机载SfM立体摄影测量法应用最晚。2012年，James等[7]在传统摄影测量法的基础上发展了SfM摄影测量技术，并将其成功运用于土壤侵蚀研究，随后Kaiser等[8]首次将其应用于切沟监测。

2 切沟侵蚀测量方法的应用趋势与特点

各切沟测量方法首次应用时间均不早于20世纪80年代(表1)，因此在进行趋势分析时，将研究时间限定为1980—2019年。结果(图1)表明，文章数量与当年引用频次均随时间呈指数增长。2005年之前，发文量与引文量相对平稳，年均发文基本不超过10篇，当年引文量均小于100次；2005年之后，发文量与引文量急剧上升，2019年发文量接近40篇，引文量也增至1 500次以上。说明学界对切沟侵蚀定量研究的关注度越来越高。

图1 1980—2019年发表切沟侵蚀测量文章数量及 引用频次Fig.1 Number of publications on gully erosion measurement and number of their citations during 1980-2019

对14种切沟测量方法的当年发文量与引文量进行分析(图2和图3)，发现其主要呈3种变化趋势：快速增长、先缓慢后快速增长、缓慢增长。第1种以机载SfM立体摄影测量法为代表，发文量与引文量均快速增长。该方法在2014年首次应用便受到广泛关注，目前处于快速发展阶段[8]。呈类似趋势的还有地面SfM立体摄影测量法和航空遥感解译法。

图2 1980—2019年3种典型切沟侵蚀测量方法在不同 时间段的发文数量Fig.2 Number of publications employing three typical gully erosion measurement methods in different time periods during 1980-2019

图3 1980—2019年3种典型切沟侵蚀测量方法文章的 当年引用频次Fig.3 Annual number of citations of the publications employing three typical gully erosion measurement methods during 1980-2019

第2种趋势以卫星遥感解译法为代表。其发文量在2000年之前增长缓慢，之后迅速增加；引文量则以2010年为分界呈先缓慢后快速增长趋势。表明该方法刚开始的应用有限，但随着时间推移逐渐走向成熟，已成为切沟侵蚀测量的主要方法之一(表1)。呈类似趋势的还有测针法、差分GPS法、地面激光扫描法和机载传统立体摄影测量法。

第3种趋势以机载激光扫描法为代表，发文量少且稳定，引文量增长缓慢或基本不变。说明该方法使用有限，在切沟侵蚀测量方法中处于边缘状态。呈类似趋势的还有断面测量法、填充法、全站仪法、手持GPS法和地面传统立体摄影测量法。

3 切沟侵蚀测量方法的主要优缺点

为进一步对比各切沟测量方法，笔者基于文献调研，选取精度、空间尺度等9个指标进行分析。如表2所示，在8类切沟测量方法中，GPS法的手持与差分GPS法、立体摄影测量法的传统与SfM立体摄影测量法存在测量技术/原理的本质差异，因此分别分开讨论。

表2 不同切沟测量方法对比Tab.2 Comparison of different gully erosion measurement methods

3.1 接触测量

3.1.1 测针法 通过测针记录侵蚀性降雨前后切沟不同部位的高低起伏变化，从而获得切沟侵蚀体积。该方法操作简单，便携性高，设备、时间成本低，早在20世纪60年代便广泛应用于土壤侵蚀研究中[9]。然而，直至1996年，测针法才开始为切沟侵蚀研究所用，并于2014—2019年得到快速发展，约一半文章发表于这一时期。总体而言，测针法精度较低，适用空间尺度小。一根测针代表的最大有效范围约为1.28 m2，测针法的应用范围通常<0.01 km2[10]。此外，测针布设密度对测量结果有很大影响，过稀难以反映侵蚀沟的内部形态与体积变化；过密则会扰动地面，破坏原始下垫面条件[11]。

3.1.2 断面测量法 根据切沟横断面形状对切沟纵剖面进行分段，测量各横断面的各边边长及切沟各段的纵向长度，进而计算切沟各段体积。该方法的精度取决于侵蚀沟形态与测量间距。当切沟沟长<30 m、测量间距介于1～5 m时，误差<10%。其主要缺陷在于只能反映切沟的整体变化状况，无法获知其空间发展方向。断面测量法虽然总体精度不高，但过程易掌握，工具易携带，设备、时间成本均较低，可在野外快速获取切沟的形态参数与空间分布，为水土保持规划和流域管理等生产实践服务。

3.1.3 填充法 将已知密度的土壤或人工材料充填在切沟沟槽内，以所填材料的质量推算切沟体积。该方法操作简单，精度高于断面测量法，但必须经过称重、回填等费时费力的工序，且耗材较多，因此其成本、便携性及效率都不及断面测量法。填充法多用于数量有限的小型切沟测量。

3.1.4 全站仪法 利用全站仪获得切沟不同时期的高程数据，构建切沟DEM并推算切沟侵蚀。该方法在土壤侵蚀研究中的应用可追溯至1999年，但直到2012年才首次应用于切沟测量。2014—2016年是全站仪法的快速发展时期，该时段发表文献数量占比达53%。全站仪法的精度总体较高，具体与地形及下垫面复杂程度有关。其适用的空间范围多为面积不足1 km2的坡面或小流域。全站仪法所用设备质量与价格适中，但操作较复杂，需对测量人员进行系统的技术培训。

3.1.5 手持GPS法 通过对比GPS获取的不同时相DEM来推算切沟侵蚀状况。手持GPS早在20世纪90年代便作为辅助工具广泛用于土壤侵蚀研究，但直到2000年后才开始偶尔应用于切沟测量。手持GPS的应用在2013—2016年达到顶峰，该时期文献数量占比约55%。手持GPS便宜、轻巧、易操作，适合地表起伏较小、植被稀疏、GPS信号好的区域。其精度与测量间距紧密相关，东北漫岗黑土区理想的切沟测量间距约为2 m[12]，长江上游地区约为5 m[13]。手持GPS法适用于小流域尺度的野外切沟测量。

3.1.6 差分GPS法 差分GPS相比手持GPS增加1个基准台，通过接收基准台的信息来修正GPS测量数据，从而大大提高测量精度。其中，RTK GPS通过实时处理2个测站载波相位的差分信号，经基站与流动站接收机的无线信号传输，可实现厘米级的三维定位精度[14]。差分GPS于2001年首次用于切沟测量，其应用呈先缓慢后快速增长，于2017—2019年达到顶峰。差分GPS精度高、作业速度快、不易受天气影响，但成本较手持GPS与全站仪高，设备本身较重、不易携带。此外，该方法对测距也有要求，且差分信号易受地形复杂度及基站位置的影响。差分GPS适用于个体切沟的精密定量研究，尤其是新兴发展的RTK GPS，既可保证一定的精度，又可实现便捷的野外切沟测量。

3.2 非接触测量

3.2.1 激光扫描法 根据激光扫描设备发射激光返回的时间与/或角度反推地表三维坐标，进而生成DEM以推算切沟侵蚀。该方法早期将激光扫描设备搭载于飞机等航空器上，地面直接运用较晚(表1)。2014—2018年，激光扫描法在切沟侵蚀研究中的应用达到高峰，文献数量占比高达68%。激光扫描法精度极高，测量结果通常作为验证其他方法的标准数据，但仍受下垫面条件的影响，其使用应避开植物生长季。由于耗时长、操作复杂，激光扫描法适用的空间范围也不大，尤其是地面激光扫描法，应用范围通常不超过1 km2。此外，激光扫描法的设备笨重、昂贵，不易携带，多用于高精度标准数据采集或切沟侵蚀定量模型构建。

3.2.2 传统立体摄影测量法 相机按照预设路线对切沟进行连续拍照，然后借助其他信息如控制点坐标建立DEM，通过对比不同时相DEM估算切沟侵蚀状况。该方法于20世纪80年代晚期首次为切沟侵蚀研究所用，但至2010年代才得到广泛应用。传统立体摄影测量法的主要优势在于精度高，能在复杂地形条件下作业；但其设备笨重、成本较高、测量效率较低，且切沟沟道内的控制点网设定及摄影站、摄影基线的固定容易受到自然或人为因素的干扰，从而影响测量结果的准确性[15]。此外，由于操作复杂，需对操作人员进行技术培训。若依托机载平台，该方法较难根据地形实时调整飞行高度和角度，在地形复杂区域如较陡的沟壁边坡和内凹的切沟沟头容易造成数据缺失。因此，传统立体摄影测量法适用空间范围不大，多用于个体切沟的长期定位监测。

3.2.3 SfM立体摄影测量法 利用相机对切沟连续拍照，并借助控制点坐标与特征信息建立DEM，对比不同时相DEM估算切沟侵蚀状况。尽管该方法于2014年才首次应用于切沟测量，但发展势头迅猛，发文量与引文量均随时间快速增长。与传统立体摄影测量法相比，SfM通过普通相机的移动与若干已知控制点坐标、采用Agisoft Metashape等三维图像处理软件即可确定测量目标的空间与几何关系，技术成本与要求低，处理时间短，便携性与效率都得到了较高的提升。SfM的测量精度也可达到厘米级，但仍受控制点数量与空间位置、下垫面条件的影响，应尽量选取植被稀疏的季节进行监测。SfM方法总体优势明显，多用于精确、快速测量小流域范围内的个体切沟或室内切沟侵蚀定量研究。

3.2.4 遥感解译法 利用卫星或航空飞机获取研究区域不同时相的影像，通过目视解译或机器学习解译，获得切沟轮廓并提取相关参数，进而推算切沟侵蚀状况。该方法于20世纪90年代早期首次应用于切沟测量，并在2010年代达到顶峰，发文量占比高达62.7%。遥感解译法适合长期监测，其监测空间范围广，主要用于面积超过50 km2的区域。该方法操作技术难度与使用成本低，但无法构建切沟内部状况和直接获得切沟体积。因此，遥感解译法适合快速获取切沟数量、分布及其动态演化。

4 结论

1)切沟侵蚀测量方法主要有8类、14种，其中航空遥感解译法与卫星遥感解译法应用最多。

2)切沟侵蚀定量研究的发文量与引文量均呈指数增长。各方法总体呈3种发展趋势：以新兴的机载SfM立体摄影测量法为代表的快速增长，以成熟的卫星遥感解译法为代表的稳中有升，以边缘化的机载激光扫描法为代表的缓慢增长。

3)不同测量方法的适用对象不同，断面测量法总体精度不高，但简易、高效，可广泛应用于野外切沟调查；RTK GPS精度高、速度快，是野外切沟精确测量的有效方法；SfM是一种新兴方法，相比传统摄影测量法优势明显；遥感解译法适合研究空间大尺度切沟分布特征及其随时间的演变。

切沟测量方法多种多样，为切沟侵蚀监测提供了丰富的选择，有助于推动切沟侵蚀相关研究，加深人们对切沟侵蚀的认识。为确保测量结果的一致性和可比性，切沟侵蚀测量必将走向标准化与规范化。如何集成现有各方法的优势，建立空中与地面、过去与现在的多角度、多时空综合监测，有效提高切沟侵蚀监测的精度与效率，是未来切沟侵蚀定量研究的一项重要议题。