元谋干热河谷区细沟形态的高精度探测方法研究

发布时间：2020-04-12 02:00

【摘要】：细沟侵蚀是坡面侵蚀的主要方式之一,细沟形态是决定坡地径流与土壤流失量非常重要的因素,各参数之间的关系可以用于描述细沟的侵蚀过程,因此细沟高精度形态参数的获取对揭示细沟侵蚀发育与演化具有重要的意义。尽管有学者使用各种技术方法用于探测细沟地形,但鲜有学者从地形数据采集方式及DEM分辨率与细沟形态参数之间的关系进行研究。因此本论文以发育于元谋干热河谷区域的细沟为研究对象,探讨获得细沟形态参数的高精度探测技术方法。通过建立细沟区控制网,采用自制测针板、全站仪、三维激光扫描、近景摄影测量技术方法对细沟区地形进行探测,结合GIS获取细沟形态参数值,研究不同探测方法下获得的高程数据精度及其对细沟形态参数的影响,分析DEM分辨率与细沟形态参数误差之间的定量关系,据此建立最优的细沟形态高精度探测方法体系。研究结果将为元谋干热区域的土壤侵蚀防治与研究提供技术支撑。论文主要取得了如下研究成果:(1)6mm是获取细沟横剖面形态参数的适宜扫描步长。对不同扫描步长的点云进行处理,结果表明扫描步长增加会显著降低点云数据量,但也会影响细沟形态参数的精度:以近景摄影法获得横剖面形态参数为基准,当扫描步长为6mm时,获得细沟宽度、深度及宽深比的绝对误差及相对误差均最小;横剖面线长度随扫描步长增大呈减小之势;扫描步长为4mm时,各横剖面面积的相对误差平均值最小。综合比较,在减少数据量的情况下,对比各形态参数的精度及误差,当三维激光扫描步长设置为6mm时,可获得精度较高的横剖面形态参数。(2)不同数据处理方法影响细沟形态参数的精确性。不同的制图方法及滤波处理影响细沟形态参数的精确性,具体表现如下:对全站仪测量的沟沿特征点分别用折线法、圆弧法、样条法三种方法进行拟合,以近景摄影测量提取的沟沿线长度及侵蚀面积为基准,圆弧法拟合后得到沟沿线长度及细沟侵蚀面积的相对误差最小;对1mm的DEM进行滤波处理后,结果表明滤波对细沟宽度、深度、宽深比的影响较小,但对横剖面面积与横剖面线长度的影响显著;众数滤波对横剖面面积的影响最小;低通滤波和焦点统计法对宽深比的影响较小。(3)近景摄影测量法能获取高精度的细沟地形高程数据,也是探测细沟高精度形态参数的最优技术。对比全站仪、三维激光扫描法、近景摄影测量三种不同测量方法获得的高程值及高程误差,结果表明近景摄影测量方法能建立更可靠、更适合于细沟特征的DEM,且针对地形复杂的细沟,宜选择顺时针或逆时针拍照模式。不同探测技术手段能获取的细沟形态参数效果是不一样的。由于细沟规模较小,全站仪测量的碎部点间距往往较大,因此仅适合于获取细沟沟沿线长度、侵蚀面积、横剖面宽度、横剖面深度;测针板可获取高精度的细沟横剖面形态参数,但是无法用于其它形态学参数提取。如果细沟较为笔直、沟型较为简单,在单站即可完整扫描的条件下,三维激光扫描法是较理想的数据采集方法。但自然条件下的细沟往往较为曲折,无法一站完整扫描,多站扫描在拼接上的误差导致细沟参数存在较大误差,无法有效用于细沟形态学研究。对于各种复杂的细沟,近景摄影测量法均可获得相对精确的细沟形态参数,因而成为细沟形态参数研究的最优探测技术。(4)5mm是获取细沟高精度形态参数的最佳DEM分辨率。从近景摄影测量与三维激光扫描建立的不同分辨率的DEM提取沟沿线、横剖面形态参数(宽度、深度、横剖面线长、面积、宽深比)、侵蚀面积、侵蚀体积、纵剖面线长,分析其误差与DEM分辨率的关系,确定获取细沟不同形态参数的最佳DEM分辨率小于5mm。论文的创新点如下:(1)提出了一种用于干热河谷地区的三维激光扫描与近景摄影测量相结合的高精度细沟探测方法。细沟作为一种微地貌形态,综合考虑获取其形态数据的质量(精度)、效率与成本等因素,近景摄影测量的照片重建对不同弯曲程度的细沟是最为有效的方法,三维激光扫描对较顺直的细沟最有效。(2)提出了一种近景摄影测量细沟的高精度DEM建模方法。通过建立DEM分辨率与细沟形态参数误差之间的数学模型,分析DEM分辨率对细沟宽度、深度、横剖面面积、体积等形态参数的影响,在保证精度的条件下为降低数据采集量提供科学依据。
【图文】：

图 1-1 西南地区干热河谷分布示意图（基于植被景观解译）表 1-1 长流干流水文站年径流量年输沙量变化 （108m3/108t）时段宜昌站 北碚站 屏山站年径流量 年输沙量 年径流量 年输沙量 年径流量 年输沙量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资料来源：据(张信宝 等，2002)侵蚀沟体系一般包括细沟、浅沟、切沟、冲沟(刘元保 等，1988)。侵蚀沟在我国黄土高原、东北黑土区、西南干热河谷区等广泛分布。相对于黄土高原区风成黄土、东北区黑土的质地相对均匀性、松散性特征，干热河谷细沟区的物质条件极为复杂，包括坡积相、洪冲积性、湖积相等，，既有相对松散的物质，也有

技术路线图
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P234.1;S157;P225.2

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本文编号：2624130