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《中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2020年
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土壤侵蚀下垫面形态演化数字近景摄影观测系统研究

姜艳敏  
【摘要】:细沟侵蚀是我国黄土高原地区水土流失的主要方式之一,监测坡面细沟形态演化过程及量化细沟形态对深入研究细沟侵蚀发生的机理和演化十分重要。然而,现有的技术很难实现在连续降雨条件下,从时空两个维度对土壤侵蚀过程进行观测。为解决这样一个技术难点,本研究开发了一种基于无线组网技术的数字近景摄影观测系统,该系统通过对连续降雨条件下不同时间节点的土壤侵蚀坡面进行数字影像的瞬时采集、雨滴噪声去除、点云匹配、三维重建等操作,实现了土壤侵蚀坡面形态演化过程的动态监测。同时,基于该观测系统,通过室内人工模拟降雨试验,对黄土坡面细沟侵蚀演变过程及不同土壤类型的坡面侵蚀沟发育过程进行了研究。计算了土壤侵蚀量、输沙率、侵蚀速率等物理量,提取了坡面侵蚀细沟网络,量化了坡面细沟的形态特征,并分析了侵蚀细沟的时空变化特征,实现了土壤侵蚀下垫面数字化表达,以期为土壤侵蚀过程的研究提供新的途径,从而推动土壤侵蚀过程、机理、建模等基础性研究的发展。本文主要研究结论如下:(1)研发了一种在连续降雨过程中对土壤侵蚀坡面动态监测的数字近景摄影测量系统。经过精度和准确度检校显示,该系统的精度可达到亚毫米级,最小测量误差为0.0069 mm;测量值与实测值之间最大相对误差为-2.9683%。与传统径流泥沙测量法相比,该系统对土壤流失量估算平均误差分别为-7.06%和1.05%,单次观测最高精度可达99.26%。(2)解决了雨滴干扰的问题,实现了在连续降雨条件下对土壤侵蚀下垫面形态发生发展过程的监测。对各组传感器单次采集的数字影像按时间排序,逐像素按其灰度值做二分类处理,并通过K-means算法去除雨滴在数字影像上所形成的噪声。结果显示,原始影像的方差在28.96~29.95之间,而去除雨滴后的影像方差为24.14,较好地去除了雨滴噪声。(3)实现了影像的同步采集,提高了系统的时间分辨率。采用无线组网技术,使得多个相机同步拍摄,系统影像采集的时间间隔取决于采集器相机的曝光时间和快门速度。该系统时间观测分辨率可达到min级别,空间分辨率达到2.0 mm。从时间和空间尺度上更加准确地描述土壤侵蚀发生及发展过程,解决了侵蚀观测中时空不一致的问题,为土壤侵蚀过程机理研究提供了新的技术。(4)监测了黄土坡面的侵蚀细沟发育过程。通过解算不同时间点坡面侵蚀形态数字影像,得到了细沟侵蚀形态演化的过程。细沟侵蚀过程呈现明显的阶段性,且在不同的试验条件下,坡面侵蚀形态变化过程存在差异。在90mm/h雨强15°坡度条件下,黄绵土坡面的细沟发育过程可描述为雨滴溅蚀-片蚀-跌坎-侵蚀穴-下切沟头-断续细沟-连续细沟-细沟侵蚀-沟网形成;而在120mm/h雨强20°坡度条件下,土坡面的侵蚀细沟发育过程为雨滴溅蚀-片蚀-跌坎-侵蚀穴-下切沟头-细沟侵蚀-沟网形成。(5)量化了黄土坡面细沟形态特征。随着降雨历时的延长,侵蚀强度不断增大,细沟密度、割裂度、最大沟深开始迅速增大。降雨历时80min以后,最大宽度、深度随单位坡面长度的增加均呈现先增大后减小再次增大后减小的总体趋势,在距坡顶7.5m处的位置出现了最低拐点,拐点之前细沟最大宽度先增大后减小的变化趋势并不明显,拐点下部即距坡顶7.5m-9.5m处是侵蚀沟发育最为活跃的区域。通过对比两种不同土壤质地坡面产流产沙变化及侵蚀形态发育过程,发现塿土坡面细沟先于黄绵土坡面发育,然而,一旦黄绵土坡面细沟开始发育,其细沟形态变化速度逐渐加快。降雨结束后,塿土和黄绵土坡面的细沟侵蚀形态分别呈平行状和树枝状。
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