近景摄影测量技术和三维激光扫描技术在坡面侵蚀过程中的应用

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坡面土壤侵蚀演化是一个复杂的动态过程,定量监测坡面侵蚀过程对深入探究侵蚀机理与构建侵蚀模型具有十分重要的现实意义。然而,传统的接触式侵蚀形态监测方法具有效率低、精度差等缺点,制约了坡面侵蚀形态研究的进一步发展。近些年来,近景摄影测量技术和三维激光扫描技术等非接触式监测方法因高效率、高精度等特点逐渐被广泛应用于土壤侵蚀过程监测和测量中。鉴于目前上述技术的相关应用研究还不太完善,本文基于室内人工模拟降雨试验,利用近景摄影测量技术和三维激光扫描技术,对长历时降雨条件下花岗岩粗质红壤坡面的侵蚀演变过程进行了监测,界定了坡面侵蚀演变各个阶段及其坡面细沟侵蚀特征,并基于实际测得的土壤侵蚀量及细沟形态特征分析评价了上述两种技术的测量精度,推动了坡面侵蚀监测的数字化、高效化。主要研究结论如下:(1)按主导侵蚀方式的不同,花岗岩粗质红壤坡面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。在片蚀阶段(0 h-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 h-70 h),坡面侵蚀发育活跃,细沟发育受沟头溯源侵蚀、沟底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 h-100 h),坡面侵蚀发育稳定,细沟侵蚀以沟壁扩张侵蚀为主。(2)坡面表面粗糙度随降雨的持续不断增加。在试验初期,坡面表面粗糙度增速缓慢,随着沟壁扩张侵蚀的出现和增强,坡面粗糙度增速加快。坡面表面石英粗粒的覆盖率经历了一个上升到动态平衡的过程。在降雨历时25 h之前,表面粗粒覆盖率随降雨历时呈增加的趋势;在25 h之后,表面粗粒覆盖率随降雨历时呈侵蚀-沉积动态平衡的趋势(介于47.68%-56.74%之间)。土壤表面的石英粗粒覆盖层在细沟间区域与坡面上部位置尤为显著。(3)随着降雨的持续,细沟长度、宽度、深度和总表面积不断增加。细沟长度在细沟发育初期增速最快,而后随着降雨的持续,增速逐渐放缓;细沟宽度在细沟发育初期增长缓慢,随着降雨的持续,增速逐渐加快;细沟深度在细沟发育初期增长缓慢,在细沟发育中期增速最快,在细沟成熟阶段增速逐渐放缓。不同坡位的细沟形态呈现出不同的演变特征,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。随着沟壁扩张侵蚀的出现和加强,细沟总表面积增速不断加快。(4)坡面土壤侵蚀率经历了一个上升、降低并逐渐稳定的过程。在片蚀阶段,土壤侵蚀率随降雨历时呈逐渐增加的趋势,平均土壤侵蚀率为2.01×10-2kg/m~2·min;在细沟发育侵蚀阶段,土壤侵蚀速率逐渐降低,并趋于动态稳定,平均土壤侵蚀率为1.32×10-2 kg/m~2·min;在细沟成熟阶段,土壤侵蚀速率较为稳定,平均土壤侵蚀率为1.24×10-2 kg/m~2·min。坡面石英粗粒在坡面的富集对坡面侵蚀产沙过程有明显的抑制作用。(5)两种非接触式测量方法在土壤侵蚀量和细沟形态测量方面精度较高,土壤侵蚀量测量精度达83.18%。在坡面土壤侵蚀质量测量、细沟深度测量及坡面微地形重建方面,近景摄影测量技术要优于三维激光扫描技术。
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