坡面土壤侵蚀演变过程的摄影测量及其数字化表达

It is one of the key problems in research of soil erosion process and mechanism on slope, which were how to improve the observation frequency and precision of underlying surface morphology and various physical quantities under evolution of rainfall conditions from two dimensions of space and time. In this study, theory and methods of digital photogrammetry, computer vision and soil erosion and other disciplines were implicated to simulate experimental environment in the rainfall simulation hall, shot through the rainfall process of soil erosion on slope surface, evolution of digital image with high density by using computer vision, digital point cloud matching etc. information technique, to generate the observation area of up to 30m2 (Digital 3D point cloud, D3D) which is under the same coordinate system, the underlying surface 3D digital observation time interval is less than 10min, the point cloud density is less than 3mm. D3D can be used to generate digital elevation model (DEM), which can evaluate the physical quantities characterizing and amount of soil erosion, runoff and sediment, surface evolution as well as the size of the basis of soil erosion process of slope, the establishment of digital map of underlying surface space, so as to accurately describe the process of soil erosion on slope. This research can provide new approaches, techniques and methods for slope soil erosion process and mechanism research.

如何从时空两个维度上提高降雨条件下下垫面形态演化以及表征土壤侵蚀各物理量的观测频度和精度，是坡面土壤侵蚀过程与机理研究的难点之一。本研究应用数字化摄影测量、计算机视觉和土壤侵蚀等学科的理论和方法，以学科交叉和集成研究为路径，在室内模拟实验环境下，通过拍摄次降雨过程中坡面土壤侵蚀下垫面演化高密度的数字影像，运用计算机视觉识别，数字点云匹配等信息技术和摄影测量技术，生成同一坐标系下，观测时间间隔小于10min、点云密度小于3mm、观测面积可达30平方米的下垫面三维数字点云（Digital 3D point cloud，D3D）。依据D3D生成数字高程模型（DEM），进而测算坡面土壤侵蚀过程的土壤侵蚀量、侵蚀沉积量、输沙率、下垫面演化的几何尺寸等表征土壤侵蚀的物理量，建立下垫面时空演变的数字图谱，籍以精准刻画坡面土壤侵蚀过程。本研究可为坡面土壤侵蚀过程与机理研究提供新的途径、技术和方法。

限制土壤侵蚀过程机理研究的主要障碍是如何从时空两个维度上观测降雨条件下表征土壤侵蚀各物理量的频度和精度，以及作为侵蚀营力的降雨的特性。本研究应用数字化摄影测量、计算机视觉和土壤侵蚀等学科的理论和方法，以学科交叉和集成研究为路径，通过拍摄次降雨过程中坡面土壤侵蚀下垫面演化高密度的数字影像和雨滴的数字影像，运用计算机视觉识别，数字点云匹配等信息技术和摄影测量技术，获得降雨过程中表征下垫面形态的三维数字点云（Digital 3D point cloud，D3D）和雨滴的数字化形状及其空间位置。依据D3D生成数字高程模型（DEM），进而测算坡面土壤侵蚀过程的土壤侵蚀量、输沙率、下垫面演化的几何尺寸等表征土壤侵蚀的物理量，籍以精准刻画坡面土壤侵蚀过程。依据雨滴的数字化形状及其空间位置计算雨滴的体积和降落速度，进而获得此降雨的降雨量、降雨强度、降雨侵蚀力等表征土壤侵蚀营力的降雨参数。主要研究结果：（1）建立了降雨过程中下垫面地形变化的观测方法和降雨雨滴特性观测方法，在此基础上研发了相应的观测设备；（2）下垫面地形变化观测的空间分辨率小于1.0±0.2mm，时间分辨率小于3min（观测区域≤5m2），观测准确度在面蚀阶段为82.5%、沟蚀阶段为97.2%。（3）观测陕西杨凌2017年6月4日的自然降雨显示，85%以上的雨滴直径集中在1.00～3.00 mm范围内，雨滴的平均直径为1.52 mm，降落末速度均值为3.47 m/s；同时，利用实测雨滴的体积、降落速度和降雨强度，建立了具有本次降雨特征的降雨动能和降雨强度之间的统计关系，即Ek(t) = 26.82 I0.34。这一结果说明，降雨动能是可以实测的，而实测的降雨动能对降雨侵蚀力的估算会更准确。