【摘要】：細溝侵蝕是坡面侵蝕的主要方式之一,細溝形態(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)系可以用于描述細溝的侵蝕過程,因此細溝高精度形態(tài)參數(shù)的獲取對揭示細溝侵蝕發(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)方法用于探測細溝地形,但鮮有學(xué)者從地形數(shù)據(jù)采集方式及DEM分辨率與細溝形態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系進行研究。因此本論文以發(fā)育于元謀干熱河谷區(qū)域的細溝為研究對象,探討獲得細溝形態(tài)參數(shù)的高精度探測技術(shù)方法。通過建立細溝區(qū)控制網(wǎng),采用自制測針板、全站儀、三維激光掃描、近景攝影測量技術(shù)方法對細溝區(qū)地形進行探測,結(jié)合GIS獲取細溝形態(tài)參數(shù)值,研究不同探測方法下獲得的高程數(shù)據(jù)精度及其對細溝形態(tài)參數(shù)的影響,分析DEM分辨率與細溝形態(tài)參數(shù)誤差之間的定量關(guān)系,據(jù)此建立最優(yōu)的細溝形態(tài)高精度探測方法體系。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是獲取細溝橫剖面形態(tài)參數(shù)的適宜掃描步長。對不同掃描步長的點云進行處理,結(jié)果表明掃描步長增加會顯著降低點云數(shù)據(jù)量,但也會影響細溝形態(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,當掃描步長為6mm時,獲得細溝寬度、深度及寬深比的絕對誤差及相對誤差均最小;橫剖面線長度隨掃描步長增大呈減小之勢;掃描步長為4mm時,各橫剖面面積的相對誤差平均值最小。綜合比較,在減少數(shù)據(jù)量的情況下,對比各形態(tài)參數(shù)的精度及誤差,當三維激光掃描步長設(shè)置為6mm時,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溝形態(tài)參數(shù)的精確性,具體表現(xiàn)如下:對全站儀測量的溝沿特征點分別用折線法、圓弧法、樣條法三種方法進行擬合,以近景攝影測量提取的溝沿線長度及侵蝕面積為基準,圓弧法擬合后得到溝沿線長度及細溝侵蝕面積的相對誤差最小;對1mm的DEM進行濾波處理后,結(jié)果表明濾波對細溝寬度、深度、寬深比的影響較小,但對橫剖面面積與橫剖面線長度的影響顯著;眾數(shù)濾波對橫剖面面積的影響最小;低通濾波和焦點統(tǒng)計法對寬深比的影響較小。(3)近景攝影測量法能獲取高精度的細溝地形高程數(shù)據(jù),也是探測細溝高精度形態(tài)參數(shù)的最優(yōu)技術(shù)。對比全站儀、三維激光掃描法、近景攝影測量三種不同測量方法獲得的高程值及高程誤差,結(jié)果表明近景攝影測量方法能建立更可靠、更適合于細溝特征的DEM,且針對地形復(fù)雜的細溝,宜選擇順時針或逆時針拍照模式。不同探測技術(shù)手段能獲取的細溝形態(tài)參數(shù)效果是不一樣的。由于細溝規(guī)模較小,全站儀測量的碎部點間距往往較大,因此僅適合于獲取細溝溝沿線長度、侵蝕面積、橫剖面寬度、橫剖面深度;測針板可獲取高精度的細溝橫剖面形態(tài)參數(shù),但是無法用于其它形態(tài)學(xué)參數(shù)提取。如果細溝較為筆直、溝型較為簡單,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)致細溝參數(shù)存在較大誤差,無法有效用于細溝形態(tài)學(xué)研究。對于各種復(fù)雜的細溝,近景攝影測量法均可獲得相對精確的細溝形態(tài)參數(shù),因而成為細溝形態(tài)參數(shù)研究的最優(yōu)探測技術(shù)。(4)5mm是獲取細溝高精度形態(tài)參數(shù)的最佳DEM分辨率。從近景攝影測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、面積、寬深比)、侵蝕面積、侵蝕體積、縱剖面線長,分析其誤差與DEM分辨率的關(guān)系,確定獲取細溝不同形態(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量相結(jié)合的高精度細溝探測方法。細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,近景攝影測量的照片重建對不同彎曲程度的細溝是最為有效的方法,三維激光掃描對較順直的細溝最有效。(2)提出了一種近景攝影測量細溝的高精度DEM建模方法。通過建立DEM分辨率與細溝形態(tài)參數(shù)誤差之間的數(shù)學(xué)模型,分析DEM分辨率對細溝寬度、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 長流干流水文站年徑流量年輸沙量變化 （108m3/108t）時段宜昌站 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溝、淺溝、切溝、沖溝(劉元保 等，1988)。侵蝕溝在我國黃土高原、東北黑土區(qū)、西南干熱河谷區(qū)等廣泛分布。相對于黃土高原區(qū)風(fēng)成黃土、東北區(qū)黑土的質(zhì)地相對均勻性、松散性特征，干熱河谷細溝區(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P234.1;S157;P225.2

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本文編號：2624130