劉 星 ，王石英，袁再健，鄭明國，廖義善，黃 斌，謝真越

(1.四川師范大學 地理與資源科學學院，四川 成都 610066；2.廣東省科學院 生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室/廣東省面源污染防治工程技術研究中心，廣東 廣州 510650；3.梅州市國際水土保持研究院，廣東 梅州 514000)

隨著科技的快速發(fā)展，信息化技術被應用到水土保持監(jiān)測、監(jiān)督管理及治理等方面。崩崗是我國南方低山丘陵區(qū)特殊的水土流失地貌，崩崗侵蝕對區(qū)域居民居住、糧食生產(chǎn)、生態(tài)安全等構(gòu)成嚴重的威脅。國外學者利用信息化技術對一些與崩崗類似的侵蝕地貌開展了研究。20世紀90年代以來，隨著遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)的快速發(fā)展，“3S”技術開始應用于崩崗的相關研究。如，李昊潔、林敬蘭、謝頌華等[1-3]運用“3S”技術基于不同空間分辨率遙感影像進行了崩崗提取，分析了崩崗與地質(zhì)間的關系及崩崗的空間分布特征等。但由于崩崗侵蝕的復雜性，使用遙感技術進行崩崗提取時，遙感數(shù)據(jù)的類型、分辨率、分類方法等對崩崗提取精度的影響還有待進一步研究。近年來，無人機(UAV)也被應用于崩崗研究中。如，梁釗雄、沈盛彧[4-5]等使用無人機技術開展了崩崗空間分布特征、崩崗調(diào)查方法等相關研究。另外，劉希林等[6]利用三維激光掃描技術對崩崗侵蝕進行了定量研究。鑒于各種信息技術的特殊性與適用范圍，有必要對以上信息化技術在崩崗研究中的應用現(xiàn)狀進行系統(tǒng)梳理，并提出今后信息化技術在崩崗研究中的優(yōu)先方向，以期為未來崩崗研究提供技術支持。

1 崩崗研究信息化技術

學者們對崩崗的土體特性、裂隙發(fā)育、節(jié)理構(gòu)造、外部降雨、干濕循環(huán)條件及治理措施等進行了廣泛的研究[7-8]。初期對崩崗形態(tài)及侵蝕量的測量，大多采用傳統(tǒng)的測量方法，即采用全站儀或經(jīng)緯儀對圖根控制點和碎部點進行測量，費時費力。崩崗區(qū)地勢起伏大，地形復雜，常規(guī)測量中難以設置經(jīng)緯儀或全站儀進行水準測量，且有些崩崗植被太過茂盛不能通視，測量效果不好。近年來，隨著信息化技術飛速發(fā)展，相關學者逐漸將信息化技術應用于崩崗研究中。RS技術在獲取宏觀信息方面具有獨特優(yōu)勢，通過遙感進行地學分析、解譯調(diào)查和制圖可以準確快速查明區(qū)域崩崗侵蝕現(xiàn)狀。采用無人機低空飛行可得到高精度的崩崗研究區(qū)影像數(shù)據(jù)，與傾斜攝影技術結(jié)合后可以構(gòu)建崩崗三維模型，監(jiān)測崩崗地形的局部變化特征。GPS可由基準站發(fā)送數(shù)據(jù)，用戶接收并對其測量結(jié)果進行改正，獲得精確的崩崗定位?；谌S激光掃描技術獲取的點云數(shù)據(jù)，也可構(gòu)建崩崗三維模型，分析地形地貌變化。此外，在崩崗研究中，GIS可用于地理數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和空間分析等，具有顯著優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)的研究手段，信息化技術在時空信息快速獲取、有效管理、實時分析等方面具有獨特的優(yōu)勢。崩崗作為自然環(huán)境及人類活動共同作用下的復雜侵蝕地貌，其本身就具有明顯的空間不確定性和地理復雜性特點，這為信息化技術應用于崩崗研究提供了廣闊空間。

2 信息化技術在崩崗研究中的應用進展

2.1 RS技術在崩崗研究中的應用現(xiàn)狀

目前，RS技術應用于崩崗研究還相對單一。常用遙感影像數(shù)據(jù)來提取崩崗點位、面積等基礎數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)源是Word View-3高分辨率遙感影像[9-10]。李昊潔等[1]分別使用0.6 m的QuickBird、2.5 m的ALOS、10.0 m的ALOS三種分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)進行崩崗信息解譯，研究表明：0.6 m空間分辨率影像用于提取崩崗數(shù)據(jù)很容易，且重現(xiàn)性較好；2.5 m分辨率影像可以提取崩崗數(shù)據(jù)，但重現(xiàn)性不強；10.0 m分辨率影像則無法提取崩崗數(shù)據(jù)?？梢?，遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率決定著能否準確地提取崩崗信息數(shù)據(jù)。相關學者將RS和GIS技術相結(jié)合對崩崗開展研究，利用RS技術建立崩崗遙感信息圖譜，通過人機交互目視解譯獲取崩崗信息，構(gòu)建崩崗編目數(shù)據(jù)庫，提取研究區(qū)的植被指數(shù)、坡度等指標來評價崩崗的危險性，分析影響崩崗侵蝕發(fā)育的關鍵因子，使用RS技術和GIS平臺選取高程因子、坡度因子、坡向因子、土壤因子、地質(zhì)因子等構(gòu)建崩崗敏感性評價空間信息管理系統(tǒng)[9-12]?？偠灾?，RS技術應用于崩崗研究時，主要是用來獲取大范圍的崩崗區(qū)植被、土壤等因子或建立崩崗解譯標志，從而進行人機交互目視解譯，提取崩崗信息。

遙感技術發(fā)展至今，遙感自動化、半自動化數(shù)據(jù)提取技術有了長足發(fā)展，如何將其用來高效提取崩崗基礎數(shù)據(jù)是急需重視的研究方向。隨著我國衛(wèi)星技術的發(fā)展，高分系列衛(wèi)星提供的高分辨率影像數(shù)據(jù)逐漸被應用于崩崗研究[12]，這為今后崩崗數(shù)據(jù)提取提供了優(yōu)質(zhì)的影像。崩崗主要發(fā)生在我國南方，南方多雨多云等特點影響衛(wèi)星的對地觀測，而合成孔徑雷達(SAR)遙感自身具有的全天候、全天時、高分辨率、多極化、大幅度和有一定的地表穿透能力等特點，可以應用于崩崗研究。遙感圖像的崩崗數(shù)據(jù)提取方法，除常用的人工目視解譯方法和基于光譜特性分類方法外，采用綜合閾值法、專家系統(tǒng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡分類法等可以有效地減少誤分、漏分，從而提高分類精度。

2.2 GPS技術在崩崗研究中的應用現(xiàn)狀

采用GPS定位技術，可以獲得高精度的定位。差分GPS法是目前崩崗研究中比較常用的一種方法。差分GPS的配置一般有基準站、移動站、基準站電臺、手簿和兩臺GPS接收機。謝頌華等[3]采用GPS RTD技術對江西省的崩崗侵蝕進行了調(diào)查。RTD(Real-Time Differential)是指實時動態(tài)碼相位差分技術，精度在1～5 m，其彌補了單純使用手持機定位崩崗邊界精度不足15 m的問題。相關學者利用GPS RTK技術對崩崗進行了調(diào)查研究[13-16]。RTK(Real-Time Kinematic)指載波相位差分技術，是一種處理兩個測點載波相位觀測量的實時差分方法，實時提供測站點在指定坐標系下厘米級精度的三維定位結(jié)果。學者們利用GPS RTK定位技術獲取崩崗點位坐標、數(shù)量及面積數(shù)據(jù)，研究崩崗空間分布、崩崗侵蝕特征等，以及洪積扇的基本理化性質(zhì)和洪積扇不同位點的養(yǎng)分分布情況，同時結(jié)合GIS技術對監(jiān)測調(diào)查數(shù)據(jù)進行空間分析，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫對崩崗數(shù)據(jù)進行管理和統(tǒng)計。研究表明，GPS RTK技術保證了崩崗數(shù)據(jù)的傳輸效率、范圍及定位的精準性。謝金波等[17]在五華縣烏陂河小流域內(nèi)選取3條典型崩崗，利用GPS工具及人工插扦打樁觀測法進行了侵蝕速率監(jiān)測，分別對溝頭后退、溝岸擴張、溝床下切、崩積錐再侵蝕及洪積扇的擴增等進行了觀測試驗；林敬蘭等[18]在手持GPS接收機的支持下，采用普查和典型調(diào)查相結(jié)合的方法進行了崩崗侵蝕調(diào)查；李雙喜等[19]采用GPS和GIS技術手段，通過巖性、土壤、地形、降雨、氣溫等自然因子對崩崗分布數(shù)量的影響進行了分析。從以上可以看出，崩崗研究中GPS技術主要是用于崩崗的定位和面積、高程及邊界的獲取，同時隨著研究的推進，GPS技術和多種方法結(jié)合使用的情況更多。

GPS與RTK、RTD等技術整合雖然可以更準確地獲取崩崗地形變化和各侵蝕量信息，擁有全天候工作、定位精度高等優(yōu)勢，但是不適合高危地形。伴隨全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(GNSS)的逐步成熟，其在地質(zhì)災害研究方面得到了廣泛應用。相對于傳統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)而言，GNSS主要利用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)和區(qū)域增強系統(tǒng)為地質(zhì)災害研究提供動態(tài)數(shù)據(jù)基礎[20]，提供全天候、高精度的位置、速度和時間信息。今后GNSS的使用可進一步推進崩崗研究。

2.3 GIS技術在崩崗研究中的應用現(xiàn)狀

崩崗數(shù)據(jù)與信息分析涉及空間分析和信息管理系統(tǒng)建立，大多基于GIS平臺。劉瑞華[21]提出應用GIS技術建立崩崗信息系統(tǒng)，對崩崗進行科學的監(jiān)測和管理。更多的學者[2,15,22-24]利用GIS技術對崩崗進行定位、邊界確定和對地質(zhì)等因子與崩崗侵蝕的關系及空間分布進行分析等。通過GIS技術勾畫崩崗邊界，可以將崩崗侵蝕從形態(tài)上歸類于學者們劃分的條形、瓢形、混合型等類型；還可將地質(zhì)圖和數(shù)字高程模型與崩崗分布圖進行疊加分析，探討崩崗侵蝕的地質(zhì)地貌背景對崩崗發(fā)育的影響。利用GIS技術進行了降雨、巖性對崩崗侵蝕影響的研究，并開展了空間關系分析，得出崩崗密度隨年平均降雨量、海拔和面積高程積分值的增加呈先增加后減小等結(jié)論。以上主要應用了GIS技術的數(shù)據(jù)編輯功能、疊加分析技術對崩崗進行相關研究。溫美麗等[25]利用GIS技術與人工兩種方法對比驗證崩崗分布及坡向選擇性問題，結(jié)果表明各坡向崩崗數(shù)量和面積采用GIS和人工兩種方法計算存在誤差，且崩崗分布均是陽坡多于陰坡，南坡多于北坡。杜贇、張鐵洋等[26-27]采用CORS-RTK動態(tài)測量結(jié)合GIS空間分析的方法，對崩崗的形態(tài)、坡度、后退量等參數(shù)進行了定量測量，并通過比較不同時相的崩崗數(shù)據(jù)結(jié)果監(jiān)測崩崗侵蝕變化。綜上，GIS技術在崩崗研究中的應用主要還是集中在數(shù)據(jù)的空間分析上，常使用疊加分析方法。

在今后的研究中可以使用GIS技術對崩崗進行二維和三維的研究，進一步拓展二三維一體化崩崗數(shù)據(jù)模型，融合傾斜攝影、激光點云等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，推動三維GIS實現(xiàn)崩崗宏觀微觀一體化等。

2.4 無人機技術在崩崗研究的應用現(xiàn)狀

無人機是未來網(wǎng)絡環(huán)境下數(shù)據(jù)驅(qū)動的空中移動智能體，無人機遙感技術則是無人機應用最重要的引領性產(chǎn)業(yè)。梁釗雄、沈盛彧、江學頂?shù)萚4-5,28-29]利用無人機航拍影像作為崩崗調(diào)查區(qū)域的數(shù)據(jù)源，和GIS技術結(jié)合重建出三維崩崗地貌，生成數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和三維模型，利用虛擬三維模型量測和人機交互判讀完成崩崗調(diào)查工作，并進一步對崩崗空間分布規(guī)律進行了分析。實驗證明無人機航測數(shù)據(jù)的質(zhì)量能夠滿足崩崗信息提取的基本要求，與傳統(tǒng)調(diào)查方法相比時效性更高、更方便、成本更低。李紹鑫[30]對運動恢復結(jié)構(gòu)-多視點匹配攝影測量技術進行改進后在野外原位崩崗研究區(qū)進行崩崗監(jiān)測，相較于改進前的攝影測量技術，改進后可以更精準地得到崩崗細部數(shù)據(jù)。江學頂、周小荃等[28,31]利用無人機傾斜航空攝影技術對崩崗進行了多方位多角度監(jiān)測，在ArcGIS中計算崩崗侵蝕量變化找到侵蝕嚴重部位，并進行持續(xù)性監(jiān)測，研究崩崗在空間上的變化特征。綜上，無人機攝影測量技術可利用空中視角對崩崗研究區(qū)進行全方位地形點云數(shù)據(jù)的收集，構(gòu)建崩崗三維模型分析崩崗地形變化情況。

近幾年，無人機技術在各行各業(yè)廣泛應用。相較于航空遙感監(jiān)測存在的周期長和精度較低等問題，無人機技術在小范圍數(shù)據(jù)收集方面具有顯著優(yōu)勢，所以其在小范圍崩崗侵蝕地貌監(jiān)測中具有廣闊的應用前景和實際使用價值。

2.5 三維激光掃描技術在崩崗研究中的應用現(xiàn)狀

三維激光掃描技術是繼GPS之后出現(xiàn)的又一次革命性測繪技術，突破了傳統(tǒng)的單點測量。三維激光掃描儀采用激光脈沖作為測量介質(zhì)，可高效采集大量三維點，快速重構(gòu)三維點云模型。劉希林和張大林[6,32-34]利用三維激光掃描技術開展了大量崩崗研究。他們利用Leica ScanStation 2三維激光掃描儀，對五華縣一處崩崗進行了連續(xù)3年共6次激光掃描監(jiān)測，分析崩崗侵蝕量、侵蝕強度、侵蝕地貌變化、溝道侵蝕發(fā)育、溝道走向?qū)ζ旅婧推孪虻闹厮茏饔玫龋玫奖缻徶邢虏课磺治g強度高于上部，溝道侵蝕是崩崗流域主要侵蝕方式之一，溝道走向?qū)Ρ缻徠旅娴钠孪虬l(fā)育具有控制作用，崩積錐土體松散，在片流和股流的作用下極易使崩崗出現(xiàn)侵蝕等成果。

使用三維激光掃描技術對崩崗進行連續(xù)監(jiān)測不但可以得到定量的崩崗侵蝕量及地形變化信息，還可以探究侵蝕泥沙的來源及精細化的空間形態(tài)特征，是應用于崩崗監(jiān)測比較理想的信息化技術。但其作為地面近景掃描很難固定掃描位置完成持續(xù)長期的掃描任務，同時仍存在有掃描死角、數(shù)據(jù)處理煩瑣、結(jié)果校驗困難、儀器價格高和不方便攜帶等問題。

3 總結(jié)與展望

崩崗侵蝕是南方侵蝕強度最大且侵蝕機理復雜的侵蝕類型，信息化技術是現(xiàn)今應用廣泛、高效、節(jié)省財力物力的有效技術方法，相關學者使用信息化技術對崩崗侵蝕進行了大量的研究。無人機遙感影像和無人機傾斜攝影技術是當前小范圍崩崗研究中基礎數(shù)據(jù)的主要獲取方式，GIS技術主要用于崩崗數(shù)據(jù)的空間分析和三維模型構(gòu)建。就目前信息化技術在崩崗上的應用研究來說，尚處于初始階段，還有很大的探索空間：

(1)如何運用遙感分類技術進行崩崗提取是當前崩崗研究的一個技術難點，也是目前學者們關注比較少的方向。針對崩崗發(fā)生的條件和發(fā)生后在影像上的表現(xiàn)情況，利用機器學習、深度學習等方法進行崩崗遙感提取是今后研究的一個重要方向。

(2)隨著信息化技術的發(fā)展及相互融合，可構(gòu)建“天地空一體化”崩崗監(jiān)測信息系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可對崩崗進行全國全域監(jiān)測研究，是崩崗研究需要深入探索的問題之一。

(3)當前信息化技術主要應用于研究崩崗發(fā)生后的地貌形態(tài)變化、空間分布等，雖然學者們對崩崗的誘因也進行了較多研究，但至今還未有明確的證據(jù)來證明各誘因的準確性，因此信息化技術可為崩崗誘因研究提供一種方便而強大的方式。