孫玉柱，鄭粉莉，張 姣

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 陜西 楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

黃土高原丘陵溝壑區(qū)侵蝕溝的分布面積可占溝間地面積的70%左右［1］，由于其對(duì)坡耕地的切割，對(duì)土地資源造成了極大的破壞。因此，定量研究溝蝕的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，對(duì)土壤侵蝕防治具有重要意義。LIDAR技術(shù)是近年來新興的測(cè)量技術(shù)，由于其具有精度高、無(wú)接觸、采集空間點(diǎn)密度大、速度快等優(yōu)點(diǎn)［2－7］，目前該技術(shù)已在土壤侵蝕研究中有新的嘗試和成果。余叔同等［3］用三維激光掃描儀和GIS結(jié)合的方式研究了坡面淺溝的發(fā)育模型，張姣等［4］采用三維激光掃描儀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了溝蝕的發(fā)育過程。LIDAR與GIS結(jié)合應(yīng)用中，數(shù)字高程模型（DEM）起到了橋梁的作用。土壤侵蝕領(lǐng)域中DEM的作用主要是從中提取各種地形要素和建立各種地形剖面［8］。以往的研究中，LIDAR技術(shù)和GIS結(jié)合應(yīng)用的研究?jī)?nèi)容主要有：（1）基礎(chǔ)量算。利用GIS軟件的體積量算、表面積量算、距離量算和面積量算等功能對(duì)轉(zhuǎn)化后的DEM進(jìn)行量算。如通過體積運(yùn)算進(jìn)而計(jì)算侵蝕量［2－4，7］；（2）三維分析。將 DEM 或提取的等高線生成三維模型，進(jìn)行三維分析［4－5］；（3）特征提取。根據(jù)DEM的柵格值進(jìn)行溝形態(tài)提?。?］。本研究采用GIS數(shù)據(jù)處理軟件的剖面圖功能，提取坡面單位長(zhǎng)度侵蝕溝橫斷面，并分析每一個(gè)斷面的侵蝕溝寬度和深度等，分析侵蝕溝發(fā)育特征，為研究侵蝕溝防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.1 數(shù)據(jù)獲取

本研究數(shù)據(jù)來源于課題組2010年基于三維激光掃描技術(shù)（LIDAR）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的溝蝕發(fā)育數(shù)據(jù)。試驗(yàn)在水土保持研究所人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)實(shí)體模型尺寸為試驗(yàn)土槽長(zhǎng)8m，寬3m，深0.6m，坡度20°；實(shí)驗(yàn)用土為安塞縣的黃綿土，耕層（上層）土壤容重為1.1g／cm3，犁底層（下層）土壤容重為1.25 g／cm3；采用100mm／h的降雨強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)四場(chǎng)次的降雨試驗(yàn)，降雨歷時(shí)依據(jù)溝蝕發(fā)育階段而定，約為30～70min。為了保持細(xì)溝的連續(xù)發(fā)育，模擬降雨實(shí)驗(yàn)為每周進(jìn)行一次，連續(xù)進(jìn)行四周，直至溝蝕發(fā)育充分，判斷溝蝕發(fā)育充分的標(biāo)準(zhǔn)是以試驗(yàn)土槽沿坡長(zhǎng)方向70%以上的侵蝕溝溝槽下切至底部沙層時(shí)為準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集方法為每場(chǎng)降雨前和降雨后，采用Leica Scanstation 2三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，儀器距離試驗(yàn)土槽2～3m，采樣密度1mm。內(nèi)業(yè)處理方式為采用三維激光掃描儀自帶軟件Cyclone軟件進(jìn)行去噪、拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理，形成點(diǎn)云，最后以dxf格式導(dǎo)入SuperMap Deskpro中進(jìn)行分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理

SuperMap Deskpro是一款專業(yè)的GIS數(shù)據(jù)處理軟件，能夠完成多源數(shù)據(jù)導(dǎo)入，數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)編輯、空間分析、制圖輸出等功能。本次數(shù)據(jù)處理過程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理過程

新建基于SQL Server 2005的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并將4期dxf格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。導(dǎo)入后，首先將點(diǎn)云以深度值作為高程轉(zhuǎn)換成TIN，然后由TIN轉(zhuǎn)化成分辨率是1mm的高精度DEM。

為了準(zhǔn)確地獲取沿坡長(zhǎng)方向單位長(zhǎng)度的侵蝕溝橫斷面，需要借助于輔助網(wǎng)格。輔助網(wǎng)格的外部輪廓須與DEM的外接矩形吻合，并以單位長(zhǎng)度分割。截取橫斷面時(shí)，沿輔助網(wǎng)格的分割線截取即可?；诒敬卧囼?yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，單位長(zhǎng)度取0.5m能夠比較準(zhǔn)確地體現(xiàn)侵蝕溝的變化特征。SuperMap Deskpro提供了網(wǎng)格制作工具，可以制作網(wǎng)格，設(shè)置界面如圖2所示。在網(wǎng)格工具中設(shè)定最小X，最大X，最小Y，最大Y，單位格的高度和寬度6個(gè)參數(shù)，以及輸出位置。X，Y坐標(biāo)設(shè)置控制網(wǎng)格的邊界與DEM外接矩形一致，單元格的高度和寬度控制格子的大小，由于坡面的長(zhǎng)度為8m，寬度為3m，單元間隔為0.5m，故將單元格的寬度設(shè)置為3.0m，高度設(shè)置為0.5m。

圖2 網(wǎng)格制作界面

坡面的坐標(biāo)系設(shè)置方式是：面向坡面，左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)；沿匯水方向?yàn)榭v坐標(biāo)y，坡頂為起始坐標(biāo)，即0m位置，坡底為終止坐標(biāo)，即8m位置，從坡頂?shù)狡履_坐標(biāo)值依次增加；垂直于匯水方向?yàn)闄M坐標(biāo)x，左邊線為起始坐標(biāo)，即0m位置，右邊線為終止位置，即3m位置，從左到右坐標(biāo)值依次增加；垂直于坡面方向?yàn)榱⒆鴺?biāo)z，坡面為0m，由坡面向下依次遞減。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于頂部0～0.5m處尚未有侵蝕溝發(fā)生，故將試驗(yàn)土槽頂部0m和0.5m的橫斷面舍棄，同時(shí)為了消除下部試驗(yàn)土槽下部集水槽的影響，也試驗(yàn)土槽底部8m處的橫斷面舍棄。最終，由坡上至坡下依次選取1，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5m 處 的 侵 蝕 溝橫 斷面進(jìn)行溝蝕發(fā)育特征研究。

2 侵蝕溝空間分布

2.1 斷面分析

斷面分析是指地形斷面研究中，以線代面研究區(qū)域的地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢(shì)變化、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡特征、地表切割強(qiáng)度等［9］。本研究通過提取坡長(zhǎng)方向上單位長(zhǎng)度的系列侵蝕溝橫斷面研究溝蝕的發(fā)育特征。SuperMap Deskpro的剖面圖功能能夠依照設(shè)置的斷面位置提取坡面的橫斷面。圖3是提取的斷面圖，斷面圖上顯示了該斷面的最大和最小高程，并可以查詢?cè)摂嗝嫔厦總€(gè)坡面點(diǎn)的坐標(biāo)和高程信息。在斷面圖上，min z是該斷面的最大溝深，溝兩側(cè)邊界坐標(biāo)值的差即溝寬。針對(duì)每場(chǎng)次降雨后的DEM，依次得到各個(gè)指定位置的橫斷面，并對(duì)應(yīng)記錄溝深和溝寬。

圖3 橫斷面示意圖

2.2 侵蝕溝長(zhǎng)度變化分析

經(jīng)過斷面分析，獲得4場(chǎng)次降雨后坡面侵蝕的溝寬數(shù)據(jù)（表1）。表1中寬度值為0的位置表明此處尚未形成侵蝕溝，寬度大于0的位置表明侵蝕溝已經(jīng)出現(xiàn)。從溝寬的值可以得到侵蝕溝的起點(diǎn)位置區(qū)間，由于溝寬的終點(diǎn)均位于坡面7.5～8m，所以可以獲得溝長(zhǎng)的區(qū)間，如第一場(chǎng)次降雨后，自坡長(zhǎng)5.0m處以上溝寬大于0，則溝頭的位置為坡面4.5～5m處左右，溝長(zhǎng)的最大值為3.5m（8.0～4.5m），溝長(zhǎng)的最小值為2.5m（7.5～5.0m），溝長(zhǎng)L的值域?yàn)長(zhǎng)∈（2.5，3.5）。

表1 侵蝕溝斷面寬度

依次類推，第二場(chǎng)次降雨后，自坡長(zhǎng)4.0m處溝寬大于0，則溝頭的位置為3.5～4.0m，溝長(zhǎng)的值域?yàn)長(zhǎng)∈（3.5，4.5）；第三場(chǎng)次降雨后，自2.5m處溝寬大于0，則溝頭的位置為2.0～2.5m，溝長(zhǎng)的值域?yàn)長(zhǎng)∈（5.0，6.0）；第四場(chǎng)次降雨后，自2.0m處溝寬大于0，則溝頭的位置為1.5～2.0m，溝長(zhǎng)的值域?yàn)長(zhǎng)∈（6.0，7.0）。

由溝頭的位置和溝長(zhǎng)的值可以看出，四場(chǎng)次連續(xù)降雨中，侵蝕溝溝頭均向坡上延伸，其中以第一場(chǎng)次降雨和第三場(chǎng)次降雨的溝頭前進(jìn)速度最快，溝長(zhǎng)增加最大。溝頭前進(jìn)主要是由侵蝕溝的溯源侵蝕引起的，可見四場(chǎng)次連續(xù)降雨中，均存在溯源侵蝕，而以第一場(chǎng)次降雨和第三場(chǎng)次降雨中溯源侵蝕最為明顯。

2.3 侵蝕溝寬度變化分析

侵蝕溝寬的增量能夠直接體現(xiàn)溝寬的變化幅度。在此對(duì)所有斷面，用后一場(chǎng)次降雨的溝寬減去前一場(chǎng)次降雨的溝寬，分別得到四場(chǎng)次降雨的溝寬增量，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖4）。

圖4 各降雨場(chǎng)次侵蝕溝寬的增量變化趨勢(shì)

由圖4可看出，第一場(chǎng)次降雨的最大增幅出現(xiàn)在坡長(zhǎng)6.0m處，第二場(chǎng)次降雨的最大增幅出現(xiàn)在坡長(zhǎng)5.0m處，第三場(chǎng)次和第四場(chǎng)次降雨的最大增幅均出現(xiàn)在坡長(zhǎng)3.5m。最大增幅位置的變化趨勢(shì)與溯源侵蝕的方向一致。侵蝕溝的寬度增加有兩種方式，第一種是伴隨著溯源侵蝕在坡面上部位置發(fā)生的溝頭擴(kuò)張，屬于水力侵蝕；第二種是溝壁的崩塌使得侵蝕溝的寬度迅速增加，水力侵蝕和重力侵蝕伴生。最大增幅位置的變化趨勢(shì)說明前三場(chǎng)次降雨中溯源侵蝕對(duì)溝寬增加起到重要作用，第四場(chǎng)次降雨溝寬增加主要是由溝壁的崩塌造成的。第二、三、四場(chǎng)次降雨中，溝寬增幅最大的位置出現(xiàn)在3.5～5.5m，證明此位置區(qū)間溝蝕發(fā)育活躍。第三場(chǎng)次降雨增加幅度最大，是由于此時(shí)溝蝕發(fā)育處于活躍發(fā)育階段，溯源侵蝕和溝壁崩塌對(duì)侵蝕溝的雙重作用造成的。

2.4 侵蝕溝深度變化分析

通過各斷面分析可以獲得連續(xù)四場(chǎng)次降雨后各個(gè)斷面位置溝深的值，在此通過計(jì)算溝深的增量值（同一斷面后一場(chǎng)次降雨溝深減去前一場(chǎng)次降雨溝深），分析溝深增量的變趨勢(shì)（圖5），以剖析侵蝕溝的深度變化特征。

由圖5可以看出，連續(xù)四場(chǎng)次降雨后侵蝕深度增量曲線均在坡面中段（3.0～5.5m）出現(xiàn)了深度劇烈增加和劇烈減少的情況，并且增量的最大峰值向坡面上部移動(dòng)，這表明坡面中段溝蝕發(fā)育最為活躍，坡面頂端和底部溝蝕發(fā)育相對(duì)緩慢，并且溯源侵蝕引起溝蝕活躍區(qū)由坡面中部向坡面上部移動(dòng)。第二場(chǎng)次降雨后，坡面1.0～3.5m處溝深的增量為負(fù)值，而在第四場(chǎng)次降雨后，坡面4.0～6.5m溝深的增量也出現(xiàn)負(fù)值，反映侵蝕溝發(fā)育中后期，由于溝壁崩塌活躍，出現(xiàn)了暫時(shí)的沉積現(xiàn)象。

圖5 各降雨場(chǎng)次溝深增量變化

2.5 綜合分析

這里綜合分析連續(xù)四場(chǎng)次降雨過程中侵蝕溝寬和溝深的動(dòng)態(tài)變化過程（表2）。由表2可以發(fā)現(xiàn)，坡面1，1.5，2.0，2.5，3.0m 坡長(zhǎng)處，侵蝕溝深度在第三場(chǎng)降雨增量和變幅最大。在坡長(zhǎng)3.5m處，侵蝕溝的寬度在第四場(chǎng)降雨后增量和增幅最大；而侵蝕溝的深度在第三場(chǎng)降雨增量和變幅最大。在坡長(zhǎng)4.0m處，侵蝕溝的寬度在第三場(chǎng)降雨后增幅最大，第四場(chǎng)降雨后增量最大，而侵蝕溝的深度在第三場(chǎng)降雨增量和變幅最大，在坡長(zhǎng)4.5m處，侵蝕溝的寬度在第三場(chǎng)降雨后增幅最大，第四場(chǎng)降雨后增量最大；侵蝕溝的深度在第二場(chǎng)降雨增量和變幅最大。在坡長(zhǎng)5.0m處，侵蝕溝的寬度在第二場(chǎng)降雨后增幅最大，第四場(chǎng)降雨后增量最大；而侵蝕溝的深度在第二場(chǎng)降雨增量和變幅最大。在坡長(zhǎng)5.5m處，侵蝕溝的寬度在第二場(chǎng)降雨后增幅最大，第四場(chǎng)降雨后增量最大；而侵蝕溝的深度在第二場(chǎng)降雨變幅最大，第一場(chǎng)降雨后增量最大。在坡長(zhǎng)6.0m處，侵蝕溝的寬度在第三場(chǎng)降雨后增幅最大，第四場(chǎng)降雨后增量最大；而侵蝕溝的深度在第三場(chǎng)降雨變幅最大，第一場(chǎng)次降雨后增量最大。在坡長(zhǎng)6.5m處，侵蝕溝的寬度在第二場(chǎng)降雨后增幅最大，第四場(chǎng)降雨后增量最大；侵蝕溝的深度在第三場(chǎng)降雨變幅最大，第一場(chǎng)降雨后增量最大。在坡長(zhǎng)7.0m處斷面，侵蝕溝的寬度在第三場(chǎng)降雨后增幅最大，第四場(chǎng)降雨后增量最大；而侵蝕溝的深度在第三場(chǎng)降雨變幅最大，第一場(chǎng)降雨后增量最大。在坡長(zhǎng)7.5m處，侵蝕溝的寬度在第二場(chǎng)降雨后增幅最大，第四場(chǎng)降雨后增量最大；侵蝕溝的深度在第四場(chǎng)降雨變幅最大，第一場(chǎng)降雨后增量最大。

表2 降雨前后侵蝕溝各斷面的寬度、深度變化對(duì)比

對(duì)比各場(chǎng)降雨過程后的溝寬和溝深，可以得出坡面3.5～5.5m坡長(zhǎng)處是坡面侵蝕溝發(fā)育最為活躍的地方，且隨著降雨過程的進(jìn)行，侵蝕活躍區(qū)向坡面上部移動(dòng)。溝蝕發(fā)育的初始階段，溯源侵蝕和下切侵蝕是其主要的侵蝕方式；溝蝕發(fā)育中期階段，下切侵蝕和溯源侵蝕是其主要的侵蝕方式；溝蝕發(fā)育后期階段，溝壁側(cè)蝕引起的崩塌和滑塌明顯。

3 結(jié)論

（1）通過研究坡面溝蝕的時(shí)空發(fā)展規(guī)律，可以得出侵蝕溝的溝頭溯源侵蝕加長(zhǎng)和溝頭下切加深是在溝蝕的最初階段實(shí)現(xiàn)的；溝蝕發(fā)育的中期階段，下切侵蝕和溯源侵蝕活躍；侵蝕溝溝壁擴(kuò)張?jiān)跍衔g的后期階段較為顯著，同時(shí)也標(biāo)志著溝蝕發(fā)育處于穩(wěn)定階段。

（2）坡面3.5～5.5m坡長(zhǎng)處是溝蝕發(fā)育最為活躍的地方，且隨著降雨過程的進(jìn)行，侵蝕活躍區(qū)向坡面上部移動(dòng)。

利用GIS的斷面分析方法能夠比較準(zhǔn)確地提取侵蝕溝的發(fā)育形態(tài)參數(shù)，展現(xiàn)溝蝕的發(fā)育特征。通過對(duì)多個(gè)連續(xù)斷面的時(shí)空分析，能夠展現(xiàn)坡面整體的變化特征，為定量研究土壤侵蝕的變化過程提供了新的思路。由于受到斷面數(shù)量和位置的限制，以及人為觀測(cè)的誤差，會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定影響，在后續(xù)的研究中可以通過增加斷面數(shù)量來達(dá)到精確定量研究的目的。

［1］ 唐克麗.黃土高原地區(qū)土壤侵蝕區(qū)域特征及其治理途徑［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1991：41－42.

［2］ 張鵬，鄭粉莉，王彬，等.高精度GPS，三維激光掃描和測(cè)針板三種測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)溝蝕過程的對(duì)比研究［J］.水土保持通報(bào)，2008，28（5）：11－20.

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