【摘要】：細(xì)溝侵蝕是坡面侵蝕的主要方式之一,細(xì)溝形態(tài)是決定坡地徑流與土壤流失量非常重要的因素,各參數(shù)之間的關(guān)系可以用于描述細(xì)溝的侵蝕過程,因此細(xì)溝高精度形態(tài)參數(shù)的獲取對(duì)揭示細(xì)溝侵蝕發(fā)育與演化具有重要的意義。盡管有學(xué)者使用各種技術(shù)方法用于探測(cè)細(xì)溝地形,但鮮有學(xué)者從地形數(shù)據(jù)采集方式及DEM分辨率與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究。因此本論文以發(fā)育于元謀干熱河谷區(qū)域的細(xì)溝為研究對(duì)象,探討獲得細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的高精度探測(cè)技術(shù)方法。通過建立細(xì)溝區(qū)控制網(wǎng),采用自制測(cè)針板、全站儀、三維激光掃描、近景攝影測(cè)量技術(shù)方法對(duì)細(xì)溝區(qū)地形進(jìn)行探測(cè),結(jié)合GIS獲取細(xì)溝形態(tài)參數(shù)值,研究不同探測(cè)方法下獲得的高程數(shù)據(jù)精度及其對(duì)細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的影響,分析DEM分辨率與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)誤差之間的定量關(guān)系,據(jù)此建立最優(yōu)的細(xì)溝形態(tài)高精度探測(cè)方法體系。研究結(jié)果將為元謀干熱區(qū)域的土壤侵蝕防治與研究提供技術(shù)支撐。論文主要取得了如下研究成果:(1)6mm是獲取細(xì)溝橫剖面形態(tài)參數(shù)的適宜掃描步長(zhǎng)。對(duì)不同掃描步長(zhǎng)的點(diǎn)云進(jìn)行處理,結(jié)果表明掃描步長(zhǎng)增加會(huì)顯著降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)量,但也會(huì)影響細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的精度:以近景攝影法獲得橫剖面形態(tài)參數(shù)為基準(zhǔn),當(dāng)掃描步長(zhǎng)為6mm時(shí),獲得細(xì)溝寬度、深度及寬深比的絕對(duì)誤差及相對(duì)誤差均最小;橫剖面線長(zhǎng)度隨掃描步長(zhǎng)增大呈減小之勢(shì);掃描步長(zhǎng)為4mm時(shí),各橫剖面面積的相對(duì)誤差平均值最小。綜合比較,在減少數(shù)據(jù)量的情況下,對(duì)比各形態(tài)參數(shù)的精度及誤差,當(dāng)三維激光掃描步長(zhǎng)設(shè)置為6mm時(shí),可獲得精度較高的橫剖面形態(tài)參數(shù)。(2)不同數(shù)據(jù)處理方法影響細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的精確性。不同的制圖方法及濾波處理影響細(xì)溝形態(tài)參數(shù)的精確性,具體表現(xiàn)如下:對(duì)全站儀測(cè)量的溝沿特征點(diǎn)分別用折線法、圓弧法、樣條法三種方法進(jìn)行擬合,以近景攝影測(cè)量提取的溝沿線長(zhǎng)度及侵蝕面積為基準(zhǔn),圓弧法擬合后得到溝沿線長(zhǎng)度及細(xì)溝侵蝕面積的相對(duì)誤差最小;對(duì)1mm的DEM進(jìn)行濾波處理后,結(jié)果表明濾波對(duì)細(xì)溝寬度、深度、寬深比的影響較小,但對(duì)橫剖面面積與橫剖面線長(zhǎng)度的影響顯著;眾數(shù)濾波對(duì)橫剖面面積的影響最小;低通濾波和焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)法對(duì)寬深比的影響較小。(3)近景攝影測(cè)量法能獲取高精度的細(xì)溝地形高程數(shù)據(jù),也是探測(cè)細(xì)溝高精度形態(tài)參數(shù)的最優(yōu)技術(shù)。對(duì)比全站儀、三維激光掃描法、近景攝影測(cè)量三種不同測(cè)量方法獲得的高程值及高程誤差,結(jié)果表明近景攝影測(cè)量方法能建立更可靠、更適合于細(xì)溝特征的DEM,且針對(duì)地形復(fù)雜的細(xì)溝,宜選擇順時(shí)針或逆時(shí)針拍照模式。不同探測(cè)技術(shù)手段能獲取的細(xì)溝形態(tài)參數(shù)效果是不一樣的。由于細(xì)溝規(guī)模較小,全站儀測(cè)量的碎部點(diǎn)間距往往較大,因此僅適合于獲取細(xì)溝溝沿線長(zhǎng)度、侵蝕面積、橫剖面寬度、橫剖面深度;測(cè)針板可獲取高精度的細(xì)溝橫剖面形態(tài)參數(shù),但是無法用于其它形態(tài)學(xué)參數(shù)提取。如果細(xì)溝較為筆直、溝型較為簡(jiǎn)單,在單站即可完整掃描的條件下,三維激光掃描法是較理想的數(shù)據(jù)采集方法。但自然條件下的細(xì)溝往往較為曲折,無法一站完整掃描,多站掃描在拼接上的誤差導(dǎo)致細(xì)溝參數(shù)存在較大誤差,無法有效用于細(xì)溝形態(tài)學(xué)研究。對(duì)于各種復(fù)雜的細(xì)溝,近景攝影測(cè)量法均可獲得相對(duì)精確的細(xì)溝形態(tài)參數(shù),因而成為細(xì)溝形態(tài)參數(shù)研究的最優(yōu)探測(cè)技術(shù)。(4)5mm是獲取細(xì)溝高精度形態(tài)參數(shù)的最佳DEM分辨率。從近景攝影測(cè)量與三維激光掃描建立的不同分辨率的DEM提取溝沿線、橫剖面形態(tài)參數(shù)(寬度、深度、橫剖面線長(zhǎng)、面積、寬深比)、侵蝕面積、侵蝕體積、縱剖面線長(zhǎng),分析其誤差與DEM分辨率的關(guān)系,確定獲取細(xì)溝不同形態(tài)參數(shù)的最佳DEM分辨率小于5mm。論文的創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)提出了一種用于干熱河谷地區(qū)的三維激光掃描與近景攝影測(cè)量相結(jié)合的高精度細(xì)溝探測(cè)方法。細(xì)溝作為一種微地貌形態(tài),綜合考慮獲取其形態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量(精度)、效率與成本等因素,近景攝影測(cè)量的照片重建對(duì)不同彎曲程度的細(xì)溝是最為有效的方法,三維激光掃描對(duì)較順直的細(xì)溝最有效。(2)提出了一種近景攝影測(cè)量細(xì)溝的高精度DEM建模方法。通過建立DEM分辨率與細(xì)溝形態(tài)參數(shù)誤差之間的數(shù)學(xué)模型,分析DEM分辨率對(duì)細(xì)溝寬度、深度、橫剖面面積、體積等形態(tài)參數(shù)的影響,在保證精度的條件下為降低數(shù)據(jù)采集量提供科學(xué)依據(jù)。
【圖文】：

圖 1-1 西南地區(qū)干熱河谷分布示意圖（基于植被景觀解譯）表 1-1 長(zhǎng)流干流水文站年徑流量年輸沙量變化 （108m3/108t）時(shí)段宜昌站 北碚站 屏山站年徑流量 年輸沙量 年徑流量 年輸沙量 年徑流量 年輸沙量1954-1959 4370 5.85 674 1.48 1480 2.601960-1969 4530 5.49 750 1.82 1490 2.401970-1979 4150 4.75 604 1.07 1330 2.211980-1989 4450 5.63 764 1.40 1400 2.561990-1996 4210 4.07 573 0.49 1380 2.58平均 4350 5.17 680 1.28 1410 2.48資料來源：據(jù)(張信寶 等，2002)侵蝕溝體系一般包括細(xì)溝、淺溝、切溝、沖溝(劉元保 等，1988)。侵蝕溝在我國(guó)黃土高原、東北黑土區(qū)、西南干熱河谷區(qū)等廣泛分布。相對(duì)于黃土高原區(qū)風(fēng)成黃土、東北區(qū)黑土的質(zhì)地相對(duì)均勻性、松散性特征，干熱河谷細(xì)溝區(qū)的物質(zhì)條件極為復(fù)雜，包括坡積相、洪沖積性、湖積相等，，既有相對(duì)松散的物質(zhì)，也有

技術(shù)路線圖
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P234.1;S157;P225.2

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本文編號(hào)：2624130