SfM摄影测量法对黄土高原典型切沟的测量精度评价.pdf

第 卷第期陕西师范大学学报(自然科学版)V o l N o 年 月J o u r n a l o fS h a a n x iN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)N o v,黄河流域生态保护与资源可持续利用专题(主持人:周正朝)引用格式:陈薪伊,史扬子,杨扬,等 S f M摄影测量法对黄土高原典型切沟的测量精度评价J陕西师范大学学报(自然科学版),():CHE NXY,S H IYZ,YAN G Y,e ta l A c c u r a c ye v a l u a t i o no fs t r u c t u r ef r o m m o t i o n(S f M)p h o t o g r a mm e t r yo nt h em e a s u r e m e n to f t y p i c a l g u l l i e s i nt h eL o e s sP l a t e a uJ J o u r n a lo fS h a a n x iN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n),():D O I:/j c n k i j s n u 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金(,)通信作者:杨扬,女,副教授,博士生导师,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究.E m a i l:y a n g y a n g b n u e d u c nS f M摄影测量法对黄土高原典型切沟的测量精度评价陈薪伊,史扬子,杨扬,黄婷婷,刘瑛娜,张光辉,(北京师范大学 地理科学学部 地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 ;北京师范大学 地理科学学部 地理学院,北京 ;水利部 水土保持监测中心,北京 )摘要:在黄土高原六道沟小流域选择条代表性切沟,以激光扫描法(l a s e r s c a n n i n g,L S)和实时动态差分(r e a l t i m ek i n e m a t i c,R T K)G P S的测量结果为基准,评估运动恢复结构(s t r u c t u r ef r o mm o t i o n,S f M)摄影测量法对切沟及切沟侵蚀的测量精度.与L S和R T KG P S相比,S f M摄影测量法所测各切沟D EM总体差异不大,平均高程差值为 m;S f M摄影测量法对切沟长度、表面宽度、周长和面积的测量精度较高,相对误差基本不超过;所测深度和体积的相对误差较大,介于 .与R T KG P S所测切沟侵蚀相比,S f M摄影测量法测得的切沟侵蚀空间分布和形态参数变化均十分接近.研究结果证实,S f M摄影测量法可作为一种高精度测量方法应用于黄土高原的切沟和切沟侵蚀监测.关键词:切沟;切沟侵蚀;S f M摄影测量法;激光扫描法;实时动态差分G P S;黄土高原中图分类号:S 文献标志码:A文章编号:()A c c u r a c ye v a l u a t i o no f s t r u c t u r e f r o mm o t i o n(S f M)p h o t o g r a mm e t r yo nt h em e a s u r e m e n t o f t y p i c a l g u l l i e s i nt h eL o e s sP l a t e a uCHE NX i n y i,S H IY a n g z i,YANGY a n g,HUANGT i n g t i n g,L I UY i n g n a,Z HANGG u a n g h u i,(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE a r t hS u r f a c eP r o c e s s e s a n dR e s o u r c eE c o l o g y,F a c u l t yo fG e o g r a p h i c a l S c i e n c e,B e i j i n gN o r m a lU n i v e r s i t y,B e i j i n g ,C h i n a;S c h o o l o fG e o g r a p h y,F a c u l t yo fG e o g r a p h i c a l S c i e n c e,B e i j i n gN o r m a lU n i v e r s i t y,B e i j i n g ,C h i n a;M o n i t o r i n gC e n t e r o f S o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,M i n i s t r yo fW a t e rR e s o u r c e s,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h es t r u c t u r e f r o m m o t i o n(S f M)p h o t o g r a mm e t r yw a su s e dt om e a s u r es e v e nt y p i c a lg u l l i e s i nt h eL i u d a o g o uc a t c h m e n t l o c a t e d i nt h eL o e s sP l a t e a u,a n dt h ea c c u r a c yi nq u a n t i f y i n gg u l l ya n dg u l l ye r o s i o nw a se v a l u a t e dv i ac o m p a r i n gt h er e s u l t st ot h o s ea c q u i r e dw i t ht h el a s e r 陕西师范大学学报(自然科学版)第 卷s c a n n i n g(L S)a n d r e a l t i m e k i n e m a t i c(R T K)G P S T h e D EM m e a s u r e d w i t h S f Mp h o t o g r a mm e t r yf o re a c hg u l l yw e r e s i m i l a rw i t h t h o s eo b t a i n e du s i n gL Sa n dR T KG P S,a n d t h ea v e r a g ee l e v a t i o nd i f f e r e n c e s r a n g e df r o m t o m w h e ns u b t r a c t i n gt h e f o r m e r f r o mt h el a t t e r S f M p h o t o g r a mm e t r ye x h i b i t e dh i g hp r e c i s i o n si nq u a n t i f y i n gt h el e n g t h,s u r f a c ew i d t h,p e r i m e t e ra n da r e ao fe a c hg u l l y,a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i v ee r r o r sb a r e l ye x c e e d e d I nc o n t r a s t,t h em e a s u r e m e n te r r o r so fS f Mp h o t o g r a mm e t r yw e r er e l a t i v e l yg r e a t e rf o rg u l l yd e p t ha n dv o l u m e,w h i c hr a n g e df r o m t o R e g a r d i n gg u l l ye r o s i o nm o n i t o r i n g,b o t ht h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fs o i le r o s i o na n dg u l l y m o r p h o l o g i c a lp a r a m e t e rc h a n g e so b t a i n e db yS f Mp h o t o g r a mm e t r yw e r es i m i l a rw i t ht h o s eb yR T K G P ST h e s er e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tS f Mp h o t o g r a mm e t r yc a ns e r v ea sah i g h p r e c i s i o nm e t h o df o rg u l l ya n dg u l l ye r o s i o nm o n i t o r i n g i nt h eL o e s sP l a t e a u K e y w o r d s:g u l l y;g u l l ye r o s i o n;s t r u c t u r ef r o m m o t i o n(S f M)p h o t o g r a mm e t r y;l a s e rs c a n n i n g;r e a l t i m ek i n e m a t i c(R T K)G P S;t h eL o e s sP l a t e a u切沟是指普通农具无法横跨耕作的侵蚀沟,通常切破犁底层,深入母质,宽度和深度均超过 c m .切沟侵蚀是指切沟发生发展过程中导致的侵蚀.作为水力侵蚀最严重的阶段,切沟侵蚀是全球河流泥沙的主要来源之一,其产沙量可占流域产沙总量的 .在我国黄土高原地区,切沟侵蚀产沙量可占小流域总产沙量的 以上,部分地区甚至可以达到 以上 .选择准确、高效的测量方法对切沟及切沟侵蚀进行监测,对于揭示切沟侵蚀时空分布规律、阐明切沟侵蚀机理、构建和完善切沟侵蚀模型具有重要意义.近年来,以激光扫描法(l a s e rs c a n n i n g,L S)、实时动态差分(r e a l t i m ek i n e m a t i c,R T K)G P S和摄影测量法为典型代表的现代土壤侵蚀测量技术开始逐渐应用于切沟及切沟侵蚀监测,均取得了良好效果 .L S利用激光扫描设备发射激光,根据其返回时间推算所测地物的三维坐标,进而生成D EM.该方法测量精度极高,结果常被用作验证其他方法的标准数据;然而,L S所用设备昂贵,对操作人员的专业要求较高,目前应用十分有限.R T KG P S是随G P S定位精度不断突破发展而来的一项全新测量技术,兼具定位精度高(厘米级)、测量耗时短等优势 ;但是,该方法的实际应用受到卫星信号限制,成本较高且要求操作人员到达实地测量点,从而在一定程度上限制了其广泛应用.摄影测量法可准确测量地表形态变化,早在 年代末便被用于切沟侵蚀研究.传统的立体摄影测量法需专业人员设计专门拍摄路线并利用笨重、昂贵的量测相机对切沟进行连续拍照,总体应用有限.随着计算器视觉技术的快速发展,尤其是尺度不变特征转换等图像特征检测和匹配技术的出现,基于运动恢复结构(s t r u c t u r e f r o m m o t i o n,S f M)的摄影测量方法应运而生.该方法利用一部普通相机从多角度对切沟进行连续拍照,然后借助若干已知地面控制点坐标便可重建所测地物的三维模型.尽管在切沟监测中的应用较晚,但该方法因具有便携、快 速、成 本 低 和 操 作 简 单 等 优 点,发 展 势 头迅猛,.目前,S f M摄影测量法在国内切沟监测中的应用还较少,沟壑纵横、切沟侵蚀严重的黄土高原也不例外.本研究在黄土高原六道沟小流域选取规模不等、形态各异的条典型切沟,以L S和R T K G P S的测量结果为基准,评估S f M摄影测量法对切沟和切沟侵蚀的测量精度,以期为S f M摄影测量法在黄土高原的实践提供参考.材料与方法 研究区概况研究 区 为 陕 西 省 神 木 市 的 六 道 沟 小 流 域(E,N),总 面 积 k m,主沟道长 k m.该区地处毛乌素沙地边缘,属水蚀、风蚀交错带(图 a);气候为中温带半干旱气候,多年平均降水量为 mm,主要集中在夏季;植被为沙生植物与黄土区植物交错出现;区第期陈薪伊 等:S f M摄影测量法对黄土高原典型切沟的测量精度评价 内地面组成物质主要为第四纪黄土沉积物,土壤类型包括沙黄土、黄绵土、风沙土及坝地淤土,土壤结构松散,易遭受侵蚀 .年,在六道沟小流域开展实地调查,选取不同规模和形态的代表性切沟共条(图 b),于植被尚未完全萌发的初春(月底、月初)及植被枯萎凋落的秋末(月)进行测量.在春季,利用S f M摄影测量法对号切沟(记为 S、S、S、S、S、S)进行测量.由于三维激光扫描及R T K G P S设备均为外借,时间所限,仅测量了其中部分切沟;前者对号及号共条切沟进行了测量、后者只对规模最大及中等的号和号切沟进行了测量.在秋季,同时利用S f M摄影测量法和R T KG P S对号和号切沟(记为 F、F)进行测量.在条切沟中,仅号切沟在春、秋季均利用R T KG P S进行了测量,通过对比可计算该切沟在当年雨季的侵蚀体积.将该计算结果作为参考基准,评估S f M摄影测量法对切沟侵蚀的测量精度.图六道沟小流域(a)及所选切沟(b)的地理位置F i g G e o g r a p h i c a l l o c a t i o n so fL i u d a o g o uc a t c h m e n t(a)a n dg u l l i e s s e l e c t e d(b)f o r i n v e s t i g a t i o n 野外切沟测量 S f M摄影测量法进行S f M摄影测量之前,在切沟沟缘、沟底的局部地势平坦且无植被遮挡处布设十字形地面控制点(g r o u n dc o n t r o l p o i n t,G C P),各G C P均匀分布,在沟缘转折处适当加密.利用L e i c aD 激光测距仪测量相邻G C P之间的空间直线距离及两点连线与水平面之间的夹角,在此基础上计算两点之间的水平投影距离和相对高程,再推算各G C P的空间直角相对坐标.各切沟利用C a n o nE O S D相机进行拍摄,相机焦距设置为 mm.为确保后期三维重建的顺利进行,相邻照片的重叠率至少为 .拍摄照片数量因切沟规模而异,介于 张(表).将 各 切 沟 照 片 导 入 软 件A g i s o f t M e t a s h a p e 中,将清晰度级别不足的照片删除后进行三维重建,依次生成稀疏点云、稠密点云和 m m分辨率的D EM .表各切沟拍摄照片数量T a b N u m b e ro f i m a g e s t a k e nf o r e a c hg u l l y切沟编号测量时间照片数量/张春 春 春 春 春 秋 春 秋 L S利用激光扫描法进行野外实地测量时,先在所测区域内选择宽阔、无地物与植被遮挡的位置布设棱镜靶标,利用L e i c aN o v aM S 三维激光扫描全站仪进行地理坐标校正,至少重复次.校正结束后,利用该全站仪扫描切沟不同部位,并在地形剧烈变化处适当增加扫描次数.将扫描得到的点云数据导入A r c G I S ,基于不规则三角网模型(t r i a n 陕西师范大学学报(自然科学版)第 卷g u l a t e d i r r e g u l a rn e t w o r k,T I N)构建D EM.为与S f M摄影测量法结果进行对比,利用重采样生成 m m分辨率的D EM.R T KG P S利用中海达i R T K 经典版R T K G P S以大致 c m的间距测量各切沟的沟缘、沟坡及沟底,并在地形剧烈变化处适当增加测量点.与L S类似,将点云数据导入A r c G I S 中构建D EM,并重采样至 m m分辨率.切沟相对D EM计算种测量方法采用的坐标系不同,得到的切沟D EM无法直接进行比较.R T K G P S采用大地坐标系;L S和S f M摄影测量法的点云数据虽然均采用独立空间直角坐标系,但二者的坐标原点并不完全一致.因此,先使用A r c G I S 中的G e o r e f e r e n c i n g工具,以L S或R T K G P S得到的数据为基准,对S f M摄影测量法所得D EM进行配准.初春的植被虽较稀疏,也会对切沟沟缘的识别造成一定的影响.在春季,使用种方法对号切沟进行了测量,计算其相对D EM之前,以R T KG P S数据为基准对L S和S f M摄影测量法所测数据进行配准;接下来,结合目视解译和局部坡度变化识别不同测量方法得到的各切沟沟缘,利用T I N生成各切沟沟缘面D EM并重采样至 m m分辨率,将各切沟D EM减去相应的沟缘面D EM得到相对D EM后再行比较.在相对D EM中,沟底的高程为负值,且绝对值大;沟缘的高程绝对值小,在理想状况下应接近.然而,沟缘经矢量勾绘后转化为栅格并重采样得到,在与切沟D EM做相减计算时往往会出现对应栅格高程不等于的情况.切沟形态参数提取与对比切沟各形态参数通过沟缘面D EM和切沟相对D EM在A r c G I S 中加以 提取.基于沟缘面D EM可 提 取 切 沟 长 度、周 长、面 积 和 周 长面 积比,基于切沟相对D EM可得到平均表面宽度、平均深度和体积.利用相对误差(E)评估S f M摄影测量法对各切沟形态参数的测量精度:EmiMiMi .()式中:mi为S f M摄影测量法所测第i条切沟的形态参数;Mi为L S或R T KG P S所测第i条切沟的形态参数.结果与分析 切沟测量精度 S f M与L S所测切沟D EM对比图对比了春季S f M与L S所测各切沟的相对D EM.号(S)、号(S)、号(S)、号(S)、号(S)切 沟 的 高 程 平 均 差 值 分 别 为 、和 m.图S f M(a e)与L S(f j)所测 S、S、S、S和 S相对D EMF i g R e l a t i v eD EMo f S,S,S,Sa n d Sm e a s u r e db yS f M(a e)a n dL S(f j)注:网络版为彩图.第期陈薪伊 等:S f M摄影测量法对黄土高原典型切沟的测量精度评价 然而,从高程差值的累积频率分布(图)与空间分布(图)来看,种方法对 S和 S的测量差异总体较小,相对高程差值主要集中在 m,对应栅格占比均在 左右.S f M较L S总体高估了 S和 S的高程,各栅格高程差值多为正值,主要集中在 m范围内,对应栅格占比分别为 和 ,介于 m的栅格占比分别为 和 .至于 S,尽管种方法所测平均高程差值较小,但空间变异较大,相对高程差值的分布较分散(图).高程差值主要集中在m,对应栅格占比为 ,介于 m的栅格仅占 .图S f M与L S所测不同切沟相对高程差值累积频率分布F i g C u m u l a t i v e f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no f r e l a t i v ee l e v a t i o nd i f f e r e n c e sb e t w e e nS f Ma n dL Sf o rd i f f e r e n t g u l l i e s图S f M与L S所测 S(a)、S(b)、S(c)、S(d)和 S(e)相对高程差值空间分布F i g S p a t i a l d i s t r i b u t i o no f r e l a t i v e e l e v a t i o nd i f f e r e n c e so f S(a),S(b),S(c),S(d)a n d S(e)b e t w e e nS f Ma n dL S注:网络版为彩图.S f M与R T KG P S所测切沟D EM对比利用S f M和R T KG P S测量春季号(S)和号(S)切沟,以及秋季号(F)和号(F)切沟的相对D EM(图)发现,种方法所测各切沟相对高程的平 均 差 值 不 大,依 次 为 、和 m.从累积频率分布(图)与空间分布(图)来看,S f M与R T K G P S所测 S、F和 F的高程差值均主要集中在 m,对应栅格占比分别为 、和 ,超过 m的栅格仅占、和.相比 陕西师范大学学报(自然科学版)第 卷之下,S f M和R T K G P S对 S的测量差异略大,高程差值介于 m的栅格较少,对应占比为 ,甚 至 还 有 的 栅 格 高 程 差 值 超 过m.图S f M(a d)与R T KG P S(e h)所测 S、S、F、F相对D EMF i g R e l a t i v eD EMo f S,S,Fa n d Fm e a s u r e db yS f M(a d)a n dR T KG P S(e h)注:网络版为彩图.图S f M与R T KG P S所测不同切沟相对高程差值累积频率分布F i g C u m u l a t i v e f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no f r e l a t i v e e l e v a t i o nd i f f e r e n c e sb e t w e e nS f Ma n dR T KG P Sf o rd i f f e r e n t g u l l i e s第期陈薪伊 等:S f M摄影测量法对黄土高原典型切沟的测量精度评价 图S f M与R T KG P S所测 S(a)、S(b)、F(c)、F(d)相对高程差值空间分布F i g S p a t i a l d i s t r i b u t i o no f r e l a t i v e e l e v a t i o nd i f f e r e n c e so f S(a),S(b),F(c)a n d F(d)b e t w e e nS f Ma n dR T KG P S注:网络版为彩图.切沟形态参数对比S f M、L S和R T KG P S所测各切沟形态参数如表所示.配对t检验结果显示,无论与L S还是与R T KG P S相比,S f M所测各切沟形态参数均无显著差异(P ).表S f M、L S和R T KG P S所测各切沟形态参数T a b M o r p h o l o g i c a lp a r a m e t e r so f e a c hg u l l ym e a s u r e db yS f M,L Sa n dR T KG P S切沟编号测量时间测量方法长度/m平均表面宽度/m平均深度/m周长/m面积/m周长面积比/m体积/m春S f M L S 春S f M L S 春S f M L S R T KG P S 春S f M L S 春S f M R T KG P S 秋S f M R T KG P S 春S f M L S 秋S f M R T KG P S 相比L S,S f M所测各切沟长度和周长精度最高,相对误差均不超过,平均相对误差仅分别为 和(表).S f M对切沟平均表面宽度的 测 量 精 度 也 较 高,除 S的 相 对 误 差 高 达 陕西师范大学学报(自然科学版)第 卷 外,各切沟的相对误差均不超过.相比之下,S f M对切沟深度的测量误差较大.例如,S f M较L S大面积高估了 S和 S的高程(图 d、e),其对平 均 深 度 的 低 估 百 分 比 分 别 高 达 和 .对于其余条切沟,S f M对平均深度的测量误差介于.尽管S f M所测各切沟面积与L S结果相近,相对误差均不超过;由于对深度的测量误差,除 S和 S外,S f M对 S、S和 S的 体 积 测 量 误 差 均 超 过,分 别 为 、和 .两种方法测得的各切沟周长面积比也十分接近(表),但由于L S所测周长面积比本身较小,部分切沟的相对误差超过(表).表S f M所测不同切沟形态参数的相对误差T a b R e l a t i v e e r r o r so fd i f f e r e n t g u l l ym o r p h o l o g i c a l p a r a m e t e r sm e a s u r e db yS f M单位:形态参数与L S对比最小值最大值平均值与R T KG P S对比最小值最大值平均值长度/m 平均表面宽度/m 平均深度/m 周长/m 面积/m 周长面积比/m 体积/m 对同时利用R T KG P S和S f M测量的 S、S、F和 F各形态参数进行统计分析发现,种方法所测结果总体相差不大(表).与S f M和L S的对比类似,S f M对各切沟长度、平均表面宽度、周长、面积和 周 长面 积 比 的 测 量 误 差 较 小,均 不 超 过,平 均 相 对 误 差 依 次 为、和;对深度和体积的测量误差较大,但也不超过,平均相对误差分别为 和(表).切沟测量精度影响因素与L S和R T K G P S相比,S f M对切沟的测量误差主要与植被覆盖、切沟沟缘曲折程度、光照条件以及沟坡形态有关.尽管开展野外调查的初春和秋末植被较为稀疏,但其也会对L S和S f M的测量结果造成干扰,影响切沟沟缘的识别和D EM重建,使种方法所测D EM无法完全重合、相对高程出现差异(图).相对而言,R T KG P S直接对地表进行测量,基本不受植被和枯落物干扰.当S f M与其进行对比时,往往会高估地表高程.例如,S沟头附近的沟底发育了条小沟,但由于沟底植被干扰,S f M难以对其进行完整识别和测量,导致S f M在此所测高程偏大(图).图S f M与R T KG P S所测 S相对高程差值空间分布(a)及沟底小沟实地拍摄照片(b)F i g S p a t i a l d i s t r i b u t i o no f r e l a t i v ee l e v a t i o nd i f f e r e n c e so f Sb e t w e e nS f Ma n dR T KG P S(a)a n dap h o t oo fa s m a l l c h a n n e l a t t h eb o t t o mo f S(b)注:网络版为彩图.第期陈薪伊 等:S f M摄影测量法对黄土高原典型切沟的测量精度评价 总体而言,切沟的周长面积比越大,沟缘越曲折,S f M的测量误差相应越大.例如,在S f M和L S同时开展监测的条切沟中,S的沟缘最为曲折,L S所测周长面积比高达 m,S f M所测面积和体积误差均最大(表).此外,S因拍摄过多照片造成的信息冗余(表),可能也是造成S f M测量误差的原因之一.而在与R T KG P S的对比中,F的周长面积比最大(表),S f M所测切沟长度、平均表面宽度和面积误差均最大.S f M对切沟的测量精度还受到光照条件的显著影响.例如,S f M和L S所测 S的高程差值呈西低东高的态势(图 d),这主要是因为S f M测量当天下午光线充足,斜射的阳光只可到达东岸,无法进入较深的沟底.东岸的细节充足曝光,相机与所摄地物的距离较实际偏小,进行三维重建的三角测量计算时得到的高程偏大(沟深被低估),与L S结果相减为正值.相比之下,西岸光线较暗,物体远近对比较不明显,相机与地物的距离较实际偏大,S f M后期计算得到的高程偏小(沟深被高估),与L S相减为负值.可见,S f M的应用受限于天气情况,最好在阴天或多云天气进行,确保所测地物各部位的光线基本一致,.沟坡形态主要影响S f M与R T K G P S对切沟的测量差异.对于沟坡上某些坡度较大的部位,R T KG P S无法直接进行测量,只能通过沟缘和沟底的测量结果插值获得.如果沟坡并非直形坡,而呈凸形、凹形等不规则形状,那么S f M与R T KG P S所测高程就会出现较大差异.S f M与R T KG P S共同测量的各切沟沟坡均出现了局部坡度超过 的陡峭凸出部位(图),S f M所测相对高程明显较R T KG P S大(图).可见,相比R T KG P S,S f M对地形陡峭、无法到达地物存在明显的测量优势.然而,S f M对地物的三维重建高度依赖G C P的坐标信息,对于黄土高原某些沟深坡陡的切沟(如 S)来说,G C P只能布设在沟岸和沟底,可能会在一定程度上影响S f M对切沟的测量精度(图、图 b).图S f M所测 S(a)、S(b)、F(c)和 F(d)坡度空间分布F i g S p a t i a l d i s t r i b u t i o no f s l o p ed e g r e eo f S(a),S(b),F(c)a n d F(d)m e a s u r e db yS f M注:网络版为彩图.切沟侵蚀测量精度 S f M与R T KG P S所测切沟侵蚀对比将S f M和R TK G P S所 测 F的D EM减 去 S的D EM,得到号切沟在当年雨季的土壤侵蚀空间分布(图).种方法都发 现该切沟的沟头处发生侵蚀,沟尾处出现堆积,但S f M测得的切沟沟底高程变化明显较R TKG P S复杂.此外,S f M所测切沟沟缘尤其是东侧和北侧沟缘的高程变化较R TK G P S所测结果大,且 主要表现为高程下降.从切沟形态参数(表)来看,相比R TKG P S,S f M所测切沟平均表面宽度和体积变化较大,但周 长变化明显 偏小.对 于 切 沟 长 度、平均深 度 和 面 积 变 化,种 方 法 所 测 结 果 相 差不大.陕西师范大学学报(自然科学版)第 卷图 S f M(a)与R T KG P S(b)所测号切沟侵蚀空间分布F i g S p a t i a l d i s t r i b u t i o no f s o i l e r o s i o nm e a s u r e db yS f M(a)a n dR T KG P S(b)f o rg u l l yN o 注:网络版为彩图.表S f M和R T KG P S所测号切沟形态参数变化T a b C h a n g e so fm o r p h o l o g i c a l p a r a m e t e r so f g u l l yN o m e a s u r e db yS f Ma n dR T KG P S测量方法长度/m平均表面宽度/m平均深度/m周长/m面积/m体积/mS f M R T KG P S 切沟侵蚀测量精度影响因素与切沟监测类似,S f M对切沟侵蚀的测量精度主要与植被及其枯落物覆盖有关.春季萌发的植被会对沟缘线造成遮挡,当使用S f M测量时,解译得到的沟缘高程偏大且易向切沟内侧偏移,尤其是植被较为丰富的东侧和北侧沟缘;到了秋季,植被枯萎、叶片凋落,切沟沟缘出露.因此,相比基本不受植被干扰的R T K G P S,S f M所测切沟沟缘高程和平均表面宽度变化均较大(表),因种方法所测切沟面积变化相差不大,因而S f M所测切沟体积变化相应较大(表).然而,雨季过后,S f M所测切沟周长仅增加 m,远小于R T K G P S所测结果.当使用R T K G P S进行测量时,号切沟在雨季前后的周长面积比基本相当,可见侵蚀并未显著改变沟缘的曲折程度.种方法测得的切沟周长差异可能主要还是与沟缘植被有关.雨季前,由于沟缘植被干扰,S f M所测切沟沟缘较曲折,周长面积比为 m,周长与R T KG P S测量结果相差不大(表).雨季过后,尽管侵蚀使切沟有所扩张,但植被枯萎凋落后沟缘曲折程度降低,S f M所测周长面积比降至 m(表),该方法测量得到的周长增加有限(表).因设备所限,本研究仅对条切沟的雨季侵蚀进行了系统测量.未来有必要增加切沟测量条数,尤其是雨季期间土壤侵蚀明显的切沟,系统开展S f M对切沟侵蚀的测量精度评估.切沟侵蚀影响因素从S f M和R T K G P S所 测号 切 沟 的 相 对D EM(图)和各形态参数变化(表)可以发现,该切沟在雨季前后总体变化不大.一方面,该切沟接近小流域分水岭,汇水面积小,侵蚀动力不大;另一方面,该切沟沟缘处的植被生长较好,沟底的枯落物也较丰富,在一定程度上可保护切沟,削弱降雨和径流侵蚀.结论本文以黄土高原六道沟小流域内条规模与形态各异的典型切沟为研究对象,通过与L S和R T KG P S对比,评估了S f M摄影测量法对切沟和切沟侵蚀的测量精度.研究结果表明,S f M摄影测量法可作为一种简单、便捷的高精度方法应用于黄土高原的切沟和切沟侵蚀测量.与L S和R T KG P S相比,S f M摄影测量法所测各切沟相对D E M总体差异不第期陈薪伊 等:S f M摄影测量法对黄土高原典型切沟的测量精度评价 大,平均高程差值介于 m;各切沟长度、表面宽度、周长和面积的相对误差基本不超过 ;深度和体积的相对误差略大,介于 .S f M对切沟的测量精度主要与植被覆盖、切沟沟缘曲折程度、光照条件以及沟坡形态有关.因设备用时所限,仅评估了其中条切沟的雨季侵蚀,发现R T KG P S和S f M摄影测量法所测土壤侵蚀空间分布与切沟形态参数变化均十分接近.致谢:诚挚感谢西华师范大学张斌教授、硕士研究生郑吉林和吴曦在野外调查工作中的协助.参考文献:刘宝元,杨扬,陆绍娟几个常用土壤侵蚀术语辨析及其生产实践意义J中国水土保持科学,():L I UBY,Y A N GY,L US J D i s c r i m i n a t i o n s o n c o m m o n s o i le r o s i o n t e r m s a n dt h e i r i m p l i c a t i o n s f o rs o i l a n dw a t e rc o n s e r v a t i o nJ S c i e n c eo fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,():张光辉切沟侵蚀研究进展与展望J水土保持学报,():Z HA N GGH A d v a n c e sa n dp r o s p e c t s f o rg u l l ye r o s i o nr e s e a r c h e sJ J o u r n a lo fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,():P O E S E NJ,N A C H T E R G A E L EJ,V E R S T R A E T E N G,e ta l G u l l ye r o s i o na n de n v i r o n m e n t a lc h a n g e:i m p o r t a n c ea n dr e s e a r c hn e e d sJ C a t e n a,(/):景可黄土高原