近景攝影測量結合 GIS 在邊坡水力侵蝕研究中的應用

作者簡介：

楊盛清（1995—），碩士，工程師，主要從事環境巖土工程方向的研究工作。

摘要：文章基于近景攝影測量技術原理，利用數碼相機獲取邊坡影像信息，重建邊坡坡面三維模型，并在此基礎上，結合GIS技術，提取坡面形貌信息，研究黏性土邊坡水力侵蝕的演化過程。結果表明：（1）重建的邊坡三維模型影像信息豐富，精度達到毫米級別，可精確獲取坡面形貌的微小變化；（2）GIS提取的形貌信息表明，坡面侵蝕剛開始以面蝕為主，隨后坡面出現細溝，當細溝發育到一定程度后，坡面逐漸出現淺層坍塌破壞；（3）近景攝影測量技術應用于坡面侵蝕測量中具有速度快、精度高及可視化強的優點，在邊坡坡面侵蝕研究中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：近景攝影測量技術；GIS技術；水力侵蝕；水土流失；三維建模

中圖分類號：U416.1+4文獻標識碼：A 15 044 3

0 引言

水土流失是我國最嚴重的生態環境問題之一。公路水土流失作為水土流失的一種特殊形式，具有獨特的侵蝕機理和產流產沙規律，是區域性水土流失的重要來源之一［1］。為滿足生態優先、綠色發展的理念，國內對公路建設的水土保持工作提出了更高的要求。路基邊坡作為公路的重要組成部分，其坡面在水力的作用下會逐漸發生侵蝕，進而影響路基安全及改變周圍的生態環境［2］。隨著公路建設的高速發展和公路網的不斷完善，公路建設方面的水土保持問題日益受到重視，路基邊坡坡面侵蝕已然成為公路水土保持的研究熱點。

公路邊坡侵蝕研究主要集中在侵蝕影響因素、侵蝕機理、產流產沙規律、侵蝕發育過程及土壤侵蝕模型等方面［3］，而坡面侵蝕的精確測量則是深入分析這些內容的基礎。目前，坡面侵蝕的測量方法可分為接觸式的和非接觸式兩種。傳統的測針板法、卷尺法、直尺法等接觸式監測方法在測量邊坡的侵蝕形貌、侵蝕幾何特征及侵蝕速率等方面存在效率低、精度差等缺點，且可視化、動態化不強［4］。隨著計算機技術的高速發展，三維激光掃描、雷達監測及近景攝影測量技術等非接觸式的測量方法得到廣泛應用，在土壤侵蝕研究方面具有廣闊的應用前景［5］。

本文利用近景攝影測量技術構建邊坡侵蝕三維模型，在此基礎上，結合GIS技術提取高精度的DEM數據，研究了黏性土邊坡水力侵蝕的演化過程，為公路邊坡坡面侵蝕測量提供了一種新的研究思路。

1 近景攝影測量技術

近景攝影測量技術屬于攝影測量技術的分支，其主要流程是利用攝像機獲取影像信息，然后根據立體相對的前方交會原理，解算出目標物體的三維坐標信息，進而確定目標物體的形狀、大小、位置及相互關系［6］。近景攝影測量技術具有不損傷物體、獲取信息量豐富、測量精度高、成本低、速度快等優點，被廣泛應用于工業、建筑、生物、醫學、考古等領域。近景攝影測量技術對小區域的地形地貌測量具有廣闊的應用前景，其模型的精細程度主要取決于所拍攝圖像的空間分辨率。在測量時，研究者可根據所需要的研究尺度調整拍攝的距離及分辨率，從而獲得高精度的邊坡侵蝕模型。如圖1所示，使用近景攝影測量技術研究邊坡侵蝕的流程主要包括像控點布置、影像數據獲取、空中三角計算、密集點云生成、三維模型重建和獲取DEM數據等部分。

2 試驗案例

2.1 試驗材料

試驗土樣取自于某便道開挖邊坡（22°51′16.18″N，108°12′38.73″E），坡體主要為白堊系泥巖風化后形成的殘坡積土，按照《公路土工試驗規程》（JTG 3430-2020）［7］，該殘坡積土定名為低液限黏土，其物理性質指標如表1所示。試驗之前，將土樣烘干、破碎，并通過2 mm篩，最后將土樣的含水率控制在15%左右，用于夯筑邊坡模型。

2.2 放水沖刷試驗設計

本文設計室內黏土邊坡放水沖刷試驗，模擬坡面的水力侵蝕過程。室內試驗邊坡模型以便道開挖邊坡為原型，按照1∶50等比例縮小。如圖2所示，設計沖刷坡面長約60 cm，高約30 cm，坡度約為60°。夯筑邊坡模型時，按每層5 cm厚的高度逐層填土夯實，兩層交界處的土面進行刨毛處理，最終使壓實度控制在85%左右。夯筑完成后，用刮土刀整平坡面。

放水裝置如圖2所示。在坡頂上方放置一個溢流槽，傾斜角度約為5°。采用水龍頭供水，水龍頭一端連接水源，另一端通過水管連接流量控制器，使坡面的沖刷流量穩定在2 L/min。在水流沖刷0 h，0.5 h，1.0 h和3.0 h后，記錄坡面的形態特征，以供后續的坡面侵蝕形貌信息研究。

2.3 試驗流程

2.3.1 控制點的設置

室內模型試驗宜采用局部坐標系。為了使每次試驗都處于同一坐標系中，需要設置統一的監測控制網。如圖3所示，共設置6個控制點，并規定6個控制點的坐標（X，Y，Z）分別為：1（0，0，0），2（0.151，0，0），3（-0.151，0.085，0），4（0，0.085，0），5（0.151，0.085，0），6（0.302，0.085，0）。

2.3.2 圖像獲取

本次試驗采用Apple/iPad Pro 11數碼相機獲取坡面圖像，鏡頭焦距為29 mm（35 mm等效焦距），有效像素為1 219萬。獲取圖像時，從不同方向沿待測坡面依次拍照，照片之間的重疊率宜gt;80%，以保證圖像信息覆蓋整個待測坡面。

2.3.3 空中三角測量

獲取圖像后，通過攝影測量解析方法確定區域內的待求點坐標與形態參數。本次試驗導入設定的6個控制點，采用Context Capture軟件進行空中三角計算。

2.3.4 三維模型構建

空中三角測量計算完成后，利用Context Capture軟件對研究對象進行三維模型重建，實現整個邊坡模型的數據可視化。本次試驗構建了水流沖刷0 h、0.5 h、1.0 h和3.0 h后的邊坡三維模型，用于研究坡面的溝道演化、侵蝕范圍、侵蝕特征等形態學信息。

2.3.5 獲取高精度DEM

為了進一步分析邊坡的形貌信息，獲取水流沖刷0 h、0.5 h、1.0 h和3.0 h后的邊坡模型的正射影像，并生成數字高程模型（DEM）。

2.3.6 形貌信息提取

利用ArcGIS軟件提取DEM模型中的相對高程信息。如圖3所示，本次試驗沿X軸方向分別提取了Y坐標為0.1 m、0.15 m、0.2 m、0.25 m和0.3 m等5條觀測斷面的高程值（相對應編號為A，B，C，D，E），以用來定量分析坡面侵蝕的時空演化規律。

3 試驗結果分析

3.1 可視化三維立體模型

坡面微地形作為影響水力侵蝕的重要因素之一，會直接影響徑流分布、流態變化及能量消耗等水動力學特性，進而影響坡面的侵蝕過程［8］。因此，獲取坡面的形貌信息對研究坡面水力侵蝕的發育特征和變化規律具有重要意義。三維建模可以獲取真實的立體場景，能夠有效記錄坡面的形狀、尺寸及其他三維要素的空間關系，從而有利于展示坡面的侵蝕演化過程。如圖4所示為水流沖刷0 h、0.5 h、1.0 h和3.0 h后的坡面三維立體模型。由圖4可知，利用圖像信息重建的三維模型結構完整，紋理清晰，直觀地表達了坡面的形貌變化信息。

在固定的監測控制網下，三維模型可進一步用來識別及測量坡面侵蝕病害的位置、范圍、大小等形態信息。重構的三維模型精度在毫米級別，能清楚地展示坡面形態上的細小變化。如圖4（b）所示，在水流沖刷前期，坡面水流以層流為主，坡面的松散土粒被水流沖走，坡面逐漸出現侵蝕淺坑；在水流沖刷0.5 h后，坡面主要出現了2條細溝，寬度為1～2 cm，且坡面松散處局部發生坍塌破壞。隨著沖刷時間的延長，細溝數量增加，原細溝寬度、深度增加。如圖4（c）所示，在水流沖刷1.0 h后，坡面增加了數條細溝，且原先細溝變寬、變深。如圖4（d）所示，當細溝發育到一定程度后，坡面被分割成破碎的區域，此時坡面極易發生淺層的大規模坍塌破壞。

3.2 坡面侵蝕形貌演化規律

為了進一步獲取更為精確、豐富的形貌信息，在三維模型的基礎上，生成正射影像以及數字高程模型（DEM），進而基于DEM對坡面形態進行定量分析。如圖5所示為水流沖刷0 h、0.5 h、1.0 h和3.0 h后的坡面DEM影像圖。數據結果顯示，由三維模型生成的DEM精度較高，可精確地表示坡面的相對高程變化。

利用ArcGIS軟件，沿X軸方向分別提取Y坐標為0.1 m、0.15 m、0.2 m、0.25 m和0.3 m等5條觀測斷面的高程值，提取結果如圖6所示。在固定的監測控制網下，相對高程隨著坡面逐漸遭受侵蝕而降低。因此，相對高程的變化在一定程度上反映了坡面的侵蝕程度。對比不同沖刷時間下的斷面高程變化可知，在水流沖刷前期，相對高程輕微下降，同一斷面的高程起伏變大，這表明坡面的松散顆粒被沖走，坡面形成侵蝕淺坑和水流跌坎。隨后，細溝逐漸發育，且最先分布于坡面底部與頂部位置。隨著時間的延長，部分侵蝕淺坑和之前的淺短細溝相連接，使得細溝延長、加深。在水流沖刷3.0 h后，坡面細溝將坡面分割成數個破碎的區域，使土體受到的摩擦阻力削弱，坡面局部發生淺層坍塌破壞，相對高程大幅度降低。

4 結語

本文基于近景攝影測量技術原理，使用普通數碼相機獲取坡面高清影像，采用Context Capture軟件重建邊坡三維模型。在此基礎上，結合GIS技術，提取坡面形貌信息，研究了室內黏土邊坡模型在水流沖刷下的侵蝕過程，得到以下結論：

（1）近景攝影測量技術應用于坡面侵蝕測量中具有速度快、精度高以及不損壞被測對象的優點，在邊坡侵蝕測量中具有廣泛的應用前景。

（2）重建三維模型的精度主要取決于數碼相機所獲取圖像的分辨率。本文重建的邊坡三維模型影像信息豐富，精度達到毫米級別，可精確獲取坡面形貌的微小變化，實現了坡面侵蝕過程監測的可視化、直觀化。

（3）利用GIS技術提取的坡面形貌信息表明，坡面侵蝕剛開始以面蝕為主，隨著沖刷時間的延長，坡面逐漸出現細溝，當細溝發育到一定程度后，土體受到的摩擦阻力減小，坡面極易發生大規模的淺層坍塌破壞。

參考文獻

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［3］黃志凱.固溝保塬工程（淤地壩）水土保持效應分析［D］.西安：長安大學，2021.

［4］史倩華.黃土塬區溯源侵蝕水動力過程與形態演化試驗研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2021.

［5］唐 強，鮑玉海，賀秀斌，等.土壤侵蝕監測新方法和新技術［J］.中國水土保持科學，2011，9（2）：11-18，23.

［6］黃祚繼，錢海明，張 蕊，等.近景攝影測量影像匹配方法研究與應用［M］.南京：河海大學出版社，2017.

［7］JTG 3430-2020，公路土工試驗規程［S］.

［8］艾建衛，高照良，婁永才，等.含沙量對高陡邊坡徑流水動力學特性的影響［J］.水土保持研究，2023，30（4）：75-82.

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