切溝侵蝕測量方法研究進展

何 濤， 史揚子， 楊 揚?， 黃婷婷， 白 雪， 劉寶元， 劉瑛娜

(1.北京師范大學地理科學學部,地表過程與資源生態國家重點實驗室,100875,北京; 2.北京師范大學地理科學學部,地理學院,100875,北京; 3.中國科學院 水利部水土保持研究所,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,712100,陜西楊凌)

切溝是指普通耕作工具無法橫跨的侵蝕溝，往往切破犁底層，深入母質。切溝侵蝕即在切溝發生發展過程中造成的侵蝕[1]，是全球河流泥沙的重要來源，其產沙量可占流域產沙總量的10%～94%[2]。在我國黃土丘陵溝壑區，切溝侵蝕產沙量的比例通常在50%以上，部分地區甚至可達70%以上[3]；在東北黑土區，深度超過10 m的大型侵蝕溝已超過25萬條[4]，溝頭溯源年侵蝕平均速率1 m[5]；在南方紅壤丘陵區，部分地區的溝道侵蝕量可達7 000 t/km2以上[6]。切溝侵蝕是重要的土壤侵蝕類型之一，選擇合適的方法與手段監測切溝及其發育，對于深入研究切溝侵蝕機理、理解切溝侵蝕規律、建立切溝侵蝕模型具有重要意義。

筆者在系統梳理主要的切溝侵蝕監測方法，利用Web of Science的高級檢索功能定量分析截至2019年切溝侵蝕測量方法的發展趨勢與特點，并在此基礎上比較各方法的主要優缺點，以期為合理選擇切溝測量方法提供科學依據。

1 切溝侵蝕測量方法分類

在Web of Science中使用‘gully’‘erosion’‘technique’‘method’進行主題搜索，發現目前切溝侵蝕監測方法可按照切溝表面與測量儀器是否接觸分為接觸測量與非接觸測量2大類。其中，接觸測量包括測針法、斷面測量法、填充法、全站儀法與GPS法5類；非接觸測量包括激光掃描法、立體攝影測量法與遙感解譯法3類。

為深入分析上述8類方法的應用情況，依照搭載平臺的不同，進一步將GPS法分為差分、手持GPS法2種；激光掃描法分為機載、地面激光掃描法2種；立體攝影測量法分為地面、機載傳統立體攝影測量法，與地面、機載SfM(structure from motion)立體攝影測量法4種；遙感解譯法分為航空、衛星遙感解譯法2種，共計14種方法。根據各方法的特點編寫檢索式(表1)，檢索范圍為Web of Science核心合集，檢索時間為1900—2019年，面向所有文獻類型。人工逐篇篩選檢索到的文獻，僅保留利用對應方法進行切溝直接測量的非綜述性文獻，最終得到359篇論文(article)和會議論文(proceedings paper)。各方法對應文獻數量占比和首次在切溝侵蝕文獻中出現的年份見表1(由于部分運用激光掃描法的研究并未指明搭載平臺，在表中單獨列出)。

表1 各切溝測量方法的Web of Science檢索式、文獻數量及首次應用年份Tab.1 Search queries used in Web of Science, numbers of publications and initial application years for different gully erosion measurement methods

切溝侵蝕測量中應用最多和最少的方法分別為遙感解譯法與填充法，對應文獻數量占比分別為52.4%和0.3%(表1)。若根據搭載平臺細分，14種方法中使用最多的是航空遙感解譯法(39.6%)與衛星遙感解譯法(12.8%)；運用最少的是填充法(0.3%)和斷面測量法(0.8%)。統計各方法的首次應用時間發現，機載激光掃描法與地面傳統立體攝影測量法應用最早，對應文獻收錄于20世紀80年代末期。測針法與遙感解譯法至90年代才開始被采納。進入21世紀以來，GPS開始應用于切溝研究；激光掃描法也從空中“落地”，不再需要依托特定航空器。地面與機載SfM立體攝影測量法應用最晚。2012年，James等[7]在傳統攝影測量法的基礎上發展了SfM攝影測量技術，并將其成功運用于土壤侵蝕研究，隨后Kaiser等[8]首次將其應用于切溝監測。

2 切溝侵蝕測量方法的應用趨勢與特點

各切溝測量方法首次應用時間均不早于20世紀80年代(表1)，因此在進行趨勢分析時，將研究時間限定為1980—2019年。結果(圖1)表明，文章數量與當年引用頻次均隨時間呈指數增長。2005年之前，發文量與引文量相對平穩，年均發文基本不超過10篇，當年引文量均小于100次；2005年之后，發文量與引文量急劇上升，2019年發文量接近40篇，引文量也增至1 500次以上。說明學界對切溝侵蝕定量研究的關注度越來越高。

圖1 1980—2019年發表切溝侵蝕測量文章數量及 引用頻次Fig.1 Number of publications on gully erosion measurement and number of their citations during 1980-2019

對14種切溝測量方法的當年發文量與引文量進行分析(圖2和圖3)，發現其主要呈3種變化趨勢：快速增長、先緩慢后快速增長、緩慢增長。第1種以機載SfM立體攝影測量法為代表，發文量與引文量均快速增長。該方法在2014年首次應用便受到廣泛關注，目前處于快速發展階段[8]。呈類似趨勢的還有地面SfM立體攝影測量法和航空遙感解譯法。

圖2 1980—2019年3種典型切溝侵蝕測量方法在不同 時間段的發文數量Fig.2 Number of publications employing three typical gully erosion measurement methods in different time periods during 1980-2019

圖3 1980—2019年3種典型切溝侵蝕測量方法文章的 當年引用頻次Fig.3 Annual number of citations of the publications employing three typical gully erosion measurement methods during 1980-2019

第2種趨勢以衛星遙感解譯法為代表。其發文量在2000年之前增長緩慢，之后迅速增加；引文量則以2010年為分界呈先緩慢后快速增長趨勢。表明該方法剛開始的應用有限，但隨著時間推移逐漸走向成熟，已成為切溝侵蝕測量的主要方法之一(表1)。呈類似趨勢的還有測針法、差分GPS法、地面激光掃描法和機載傳統立體攝影測量法。

第3種趨勢以機載激光掃描法為代表，發文量少且穩定，引文量增長緩慢或基本不變。說明該方法使用有限，在切溝侵蝕測量方法中處于邊緣狀態。呈類似趨勢的還有斷面測量法、填充法、全站儀法、手持GPS法和地面傳統立體攝影測量法。

3 切溝侵蝕測量方法的主要優缺點

為進一步對比各切溝測量方法，筆者基于文獻調研，選取精度、空間尺度等9個指標進行分析。如表2所示，在8類切溝測量方法中，GPS法的手持與差分GPS法、立體攝影測量法的傳統與SfM立體攝影測量法存在測量技術/原理的本質差異，因此分別分開討論。

表2 不同切溝測量方法對比Tab.2 Comparison of different gully erosion measurement methods

3.1 接觸測量

3.1.1 測針法 通過測針記錄侵蝕性降雨前后切溝不同部位的高低起伏變化，從而獲得切溝侵蝕體積。該方法操作簡單，便攜性高，設備、時間成本低，早在20世紀60年代便廣泛應用于土壤侵蝕研究中[9]。然而，直至1996年，測針法才開始為切溝侵蝕研究所用，并于2014—2019年得到快速發展，約一半文章發表于這一時期?？傮w而言，測針法精度較低，適用空間尺度小。一根測針代表的最大有效范圍約為1.28 m2，測針法的應用范圍通常<0.01 km2[10]。此外，測針布設密度對測量結果有很大影響，過稀難以反映侵蝕溝的內部形態與體積變化；過密則會擾動地面，破壞原始下墊面條件[11]。

3.1.2 斷面測量法 根據切溝橫斷面形狀對切溝縱剖面進行分段，測量各橫斷面的各邊邊長及切溝各段的縱向長度，進而計算切溝各段體積。該方法的精度取決于侵蝕溝形態與測量間距。當切溝溝長<30 m、測量間距介于1～5 m時，誤差<10%。其主要缺陷在于只能反映切溝的整體變化狀況，無法獲知其空間發展方向。斷面測量法雖然總體精度不高，但過程易掌握，工具易攜帶，設備、時間成本均較低，可在野外快速獲取切溝的形態參數與空間分布，為水土保持規劃和流域管理等生產實踐服務。

3.1.3 填充法 將已知密度的土壤或人工材料充填在切溝溝槽內，以所填材料的質量推算切溝體積。該方法操作簡單，精度高于斷面測量法，但必須經過稱重、回填等費時費力的工序，且耗材較多，因此其成本、便攜性及效率都不及斷面測量法。填充法多用于數量有限的小型切溝測量。

3.1.4 全站儀法 利用全站儀獲得切溝不同時期的高程數據，構建切溝DEM并推算切溝侵蝕。該方法在土壤侵蝕研究中的應用可追溯至1999年，但直到2012年才首次應用于切溝測量。2014—2016年是全站儀法的快速發展時期，該時段發表文獻數量占比達53%。全站儀法的精度總體較高，具體與地形及下墊面復雜程度有關。其適用的空間范圍多為面積不足1 km2的坡面或小流域。全站儀法所用設備質量與價格適中，但操作較復雜，需對測量人員進行系統的技術培訓。

3.1.5 手持GPS法 通過對比GPS獲取的不同時相DEM來推算切溝侵蝕狀況。手持GPS早在20世紀90年代便作為輔助工具廣泛用于土壤侵蝕研究，但直到2000年后才開始偶爾應用于切溝測量。手持GPS的應用在2013—2016年達到頂峰，該時期文獻數量占比約55%。手持GPS便宜、輕巧、易操作，適合地表起伏較小、植被稀疏、GPS信號好的區域。其精度與測量間距緊密相關，東北漫崗黑土區理想的切溝測量間距約為2 m[12]，長江上游地區約為5 m[13]。手持GPS法適用于小流域尺度的野外切溝測量。

3.1.6 差分GPS法 差分GPS相比手持GPS增加1個基準臺，通過接收基準臺的信息來修正GPS測量數據，從而大大提高測量精度。其中，RTK GPS通過實時處理2個測站載波相位的差分信號，經基站與流動站接收機的無線信號傳輸，可實現厘米級的三維定位精度[14]。差分GPS于2001年首次用于切溝測量，其應用呈先緩慢后快速增長，于2017—2019年達到頂峰。差分GPS精度高、作業速度快、不易受天氣影響，但成本較手持GPS與全站儀高，設備本身較重、不易攜帶。此外，該方法對測距也有要求，且差分信號易受地形復雜度及基站位置的影響。差分GPS適用于個體切溝的精密定量研究，尤其是新興發展的RTK GPS，既可保證一定的精度，又可實現便捷的野外切溝測量。

3.2 非接觸測量

3.2.1 激光掃描法 根據激光掃描設備發射激光返回的時間與/或角度反推地表三維坐標，進而生成DEM以推算切溝侵蝕。該方法早期將激光掃描設備搭載于飛機等航空器上，地面直接運用較晚(表1)。2014—2018年，激光掃描法在切溝侵蝕研究中的應用達到高峰，文獻數量占比高達68%。激光掃描法精度極高，測量結果通常作為驗證其他方法的標準數據，但仍受下墊面條件的影響，其使用應避開植物生長季。由于耗時長、操作復雜，激光掃描法適用的空間范圍也不大，尤其是地面激光掃描法，應用范圍通常不超過1 km2。此外，激光掃描法的設備笨重、昂貴，不易攜帶，多用于高精度標準數據采集或切溝侵蝕定量模型構建。

3.2.2 傳統立體攝影測量法 相機按照預設路線對切溝進行連續拍照，然后借助其他信息如控制點坐標建立DEM，通過對比不同時相DEM估算切溝侵蝕狀況。該方法于20世紀80年代晚期首次為切溝侵蝕研究所用，但至2010年代才得到廣泛應用。傳統立體攝影測量法的主要優勢在于精度高，能在復雜地形條件下作業；但其設備笨重、成本較高、測量效率較低，且切溝溝道內的控制點網設定及攝影站、攝影基線的固定容易受到自然或人為因素的干擾，從而影響測量結果的準確性[15]。此外，由于操作復雜，需對操作人員進行技術培訓。若依托機載平臺，該方法較難根據地形實時調整飛行高度和角度，在地形復雜區域如較陡的溝壁邊坡和內凹的切溝溝頭容易造成數據缺失。因此，傳統立體攝影測量法適用空間范圍不大，多用于個體切溝的長期定位監測。

3.2.3 SfM立體攝影測量法 利用相機對切溝連續拍照，并借助控制點坐標與特征信息建立DEM，對比不同時相DEM估算切溝侵蝕狀況。盡管該方法于2014年才首次應用于切溝測量，但發展勢頭迅猛，發文量與引文量均隨時間快速增長。與傳統立體攝影測量法相比，SfM通過普通相機的移動與若干已知控制點坐標、采用Agisoft Metashape等三維圖像處理軟件即可確定測量目標的空間與幾何關系，技術成本與要求低，處理時間短，便攜性與效率都得到了較高的提升。SfM的測量精度也可達到厘米級，但仍受控制點數量與空間位置、下墊面條件的影響，應盡量選取植被稀疏的季節進行監測。SfM方法總體優勢明顯，多用于精確、快速測量小流域范圍內的個體切溝或室內切溝侵蝕定量研究。

3.2.4 遙感解譯法 利用衛星或航空飛機獲取研究區域不同時相的影像，通過目視解譯或機器學習解譯，獲得切溝輪廓并提取相關參數，進而推算切溝侵蝕狀況。該方法于20世紀90年代早期首次應用于切溝測量，并在2010年代達到頂峰，發文量占比高達62.7%。遙感解譯法適合長期監測，其監測空間范圍廣，主要用于面積超過50 km2的區域。該方法操作技術難度與使用成本低，但無法構建切溝內部狀況和直接獲得切溝體積。因此，遙感解譯法適合快速獲取切溝數量、分布及其動態演化。

4 結論

1)切溝侵蝕測量方法主要有8類、14種，其中航空遙感解譯法與衛星遙感解譯法應用最多。

2)切溝侵蝕定量研究的發文量與引文量均呈指數增長。各方法總體呈3種發展趨勢：以新興的機載SfM立體攝影測量法為代表的快速增長，以成熟的衛星遙感解譯法為代表的穩中有升，以邊緣化的機載激光掃描法為代表的緩慢增長。

3)不同測量方法的適用對象不同，斷面測量法總體精度不高，但簡易、高效，可廣泛應用于野外切溝調查；RTK GPS精度高、速度快，是野外切溝精確測量的有效方法；SfM是一種新興方法，相比傳統攝影測量法優勢明顯；遙感解譯法適合研究空間大尺度切溝分布特征及其隨時間的演變。

切溝測量方法多種多樣，為切溝侵蝕監測提供了豐富的選擇，有助于推動切溝侵蝕相關研究，加深人們對切溝侵蝕的認識。為確保測量結果的一致性和可比性，切溝侵蝕測量必將走向標準化與規范化。如何集成現有各方法的優勢，建立空中與地面、過去與現在的多角度、多時空綜合監測，有效提高切溝侵蝕監測的精度與效率，是未來切溝侵蝕定量研究的一項重要議題。