土壤侵蝕監(jiān)測新方法的新技術(shù)

1、土壤侵蝕監(jiān)測新方法的新技術(shù) (一)中國土壤狀況土壤是地球的皮膚, 在自然力和人類活動(dòng)的作用下土壤或其他地面組成物質(zhì)被剝蝕、分離、搬運(yùn)、沉積, 形成土壤侵蝕。土壤侵蝕不僅造成諸如土壤養(yǎng)分流失、土地退化等原生問題, 還帶來諸如洪水泛濫、河道淤積、水體面源污染等次生環(huán)境問題, 是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的環(huán)境問題。中國是土壤侵蝕最為嚴(yán)重的國家之一,全國的土壤侵蝕面積高達(dá)492萬km2,占國土面積的51.2%.在漫長的時(shí)間里,由于遭到人類不當(dāng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的干擾破壞,致使土壤侵蝕加劇.隨著人口增長、資源缺乏、能源危機(jī)、糧食不足等問題的出現(xiàn),人們?yōu)榱藵M足人類社會(huì)發(fā)展之需,對土地資源的破壞越來越嚴(yán)重,破壞了生態(tài)環(huán)境的平

2、衡,制約著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)的安定團(tuán)結(jié),土壤侵蝕問題顯得更為嚴(yán)峻.（二）土壤監(jiān)測的意義土壤侵蝕監(jiān)測對土壤侵蝕發(fā)生、發(fā)展、危害及水土流失防治效益進(jìn)行調(diào)查、觀測和分析, 為認(rèn)識(shí)水土流失現(xiàn)狀、研究土壤侵蝕規(guī)律、制訂水土流失防治規(guī)劃、設(shè)計(jì)水土保持措施、評(píng)價(jià)水土保持效益和行政監(jiān)督執(zhí)法提供指導(dǎo)。（三）土壤監(jiān)測的方法及特點(diǎn)自開始土壤侵蝕研究以來, 土壤侵蝕監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展。1882 年德國土壤學(xué)家建立了微型徑流觀測小區(qū), 開拓了土壤侵蝕定量監(jiān)測的歷史。徑流觀測小區(qū)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展, 積累了大量的觀測數(shù)據(jù), 為土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的提出奠定了基礎(chǔ)。常規(guī)土壤侵蝕監(jiān)測方法主要包括調(diào)查法、徑流小區(qū)法、侵蝕針法、水文法

3、、模型估算法和遙感解譯法等。常規(guī)方法野外工作量大、效率低、周期長, 不能適應(yīng)現(xiàn)代土壤侵蝕監(jiān)測高時(shí)效性、自動(dòng)化、系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢。隨著現(xiàn)代認(rèn)識(shí)和技術(shù)水平的發(fā)展, 土壤侵蝕監(jiān)測技術(shù)出現(xiàn)多學(xué)科的交叉結(jié)合, 監(jiān)測精度也由定性到半定量、定量和精確定量的提升。先進(jìn)的多元數(shù)據(jù)遙感監(jiān)測、航拍技術(shù)、多孔徑雷達(dá)技術(shù)、光電探測技術(shù)等開始融入土壤侵蝕監(jiān)測領(lǐng)域。這里主要介紹現(xiàn)代地形測量、核素示蹤、沉積泥沙反演和現(xiàn)代原位監(jiān)測等現(xiàn)代土壤侵蝕監(jiān)測方法和技術(shù),現(xiàn)代土壤侵蝕監(jiān)測技術(shù)提升了土壤侵蝕監(jiān)測為科學(xué)研究和實(shí)踐服務(wù)的能力: 基于土壤侵蝕地形演變的現(xiàn)代地形測量提供各種時(shí)空尺度高精度的監(jiān)測數(shù)據(jù); 核素示蹤成本較低、操作簡單, 能

4、提供多年土壤侵蝕平均值; 沉積泥沙反演根據(jù)侵蝕泥沙的沉積特性反推流域土壤侵蝕, 成為回溯流域土壤侵蝕歷史的有用手段; 現(xiàn)代原位監(jiān)測是基于傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)痊F(xiàn)代技術(shù)的土壤侵蝕監(jiān)測新理念,是滿足土壤侵蝕監(jiān)測快速化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化發(fā)展的重要方向。通過介紹土壤侵蝕監(jiān)測領(lǐng)域出現(xiàn)的新方法和新技術(shù), 以期促進(jìn)其推廣和應(yīng)用。3.1 現(xiàn)代地形測量土壤侵蝕和沉積在地形上表現(xiàn)出細(xì)微變化, 現(xiàn)代地形測量技術(shù)監(jiān)測土壤侵蝕和沉積的前提是能夠甄別出這種微地形變化, 即滿足精度要求。傳統(tǒng)土壤侵蝕調(diào)查借助地形圖在野外目視判讀勾繪侵蝕圖斑, 只能實(shí)現(xiàn)定性或半定量的評(píng)價(jià)。數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展解決了傳統(tǒng)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 精度低的缺

5、點(diǎn)。數(shù)字高程模型( DEM ) 的出現(xiàn)極大方便了現(xiàn)代地形景觀演化研究。利用DEM 進(jìn)行土壤侵蝕監(jiān)測主要分2類: 1)直接利用數(shù)字高程模型計(jì)算土壤侵蝕量或沉積量; 2)利用DEM 提取地貌特征值(坡度、坡長、坡向等) , 結(jié)合相關(guān)模型和水沙統(tǒng)計(jì)資料分析土壤侵蝕或沉積。3.1.1 三維激光掃描三維激光掃描儀在不接觸被測目標(biāo), 不對流域坡面產(chǎn)生人為干擾的情況下獲取目標(biāo)若干點(diǎn)數(shù)據(jù), 進(jìn)行高精度的三維逆向模擬, 重建目標(biāo)的全景三維數(shù)據(jù)或模型?；驹硎怯杉す饷}沖二極管周期性發(fā)射出激光脈沖經(jīng)旋轉(zhuǎn)棱鏡射向目標(biāo), 電子掃描探測器接受并記錄反射回來的激光脈沖, 產(chǎn)生接受信號(hào), 光學(xué)編碼器記錄整個(gè)過程的時(shí)間差和激

6、光脈沖角度, 微電腦根據(jù)距離和角度計(jì)算采集點(diǎn)三維信息。目標(biāo)范圍內(nèi)連續(xù)掃描便形成“點(diǎn)云”數(shù)據(jù), 經(jīng)后處理軟件對“點(diǎn)云”處理, 轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的模型并以多種格式輸出。土壤侵蝕監(jiān)測對2個(gè)時(shí)相的目標(biāo)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和疊加處理, 分析計(jì)算土壤侵蝕和沉積量。侵蝕體積與侵蝕投影面積的關(guān)系: 坡度越小, 侵蝕面積越大, 溝蝕體積越小。3.1.2差分GPS全球定位系統(tǒng)( GPS)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量技術(shù)采用實(shí)時(shí)處理2個(gè)測站載波相位觀測量的差分方法, 實(shí)時(shí)三維定位, 精度可達(dá)到厘米級(jí)。基本原理是: 2臺(tái)GPS接收機(jī)分別作為基準(zhǔn)站和流動(dòng)站并同時(shí)保持對5顆以上衛(wèi)星的跟蹤。基準(zhǔn)站接收機(jī)將所有可見衛(wèi)星觀測值通過無線電實(shí)時(shí)發(fā)

7、送給流動(dòng)站接收機(jī)。流動(dòng)站根據(jù)相對定位原理處理本機(jī)和來自基準(zhǔn)站接收機(jī)的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù), 計(jì)算用戶站的三維坐標(biāo)。利用GPS獲取目標(biāo)多時(shí)相DEM 并將其配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系, 對比獲取目標(biāo)的土壤侵蝕量或沉積量。高精度GPS在切溝侵蝕監(jiān)測中全天候不受任何天氣的影響，全球覆蓋（高達(dá)98%），三維定點(diǎn)定速定時(shí)高精度，快速、省時(shí)、高效率，應(yīng)用廣泛、多功能，可移動(dòng)定位。3.1.3 攝影測量攝影測量技術(shù)發(fā)展到當(dāng)代, 經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量3個(gè)發(fā)展階段。特別是數(shù)字?jǐn)z影測量的出現(xiàn), 融合了攝影測量和數(shù)字影像的基本原理, 應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識(shí)別等技術(shù), 將攝取對象以數(shù)字方式

8、表達(dá)。GPS輔助動(dòng)態(tài)精密定位, 實(shí)現(xiàn)空中自動(dòng)三角測量, 提高攝影測量的效率和精度, 即利用安裝在飛行器上和設(shè)在地面多個(gè)基準(zhǔn)站的GPS獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo), 將其視為附加攝影測量觀測值引入攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差中, 以空中控制代替地面控制來進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。所攝影像是客觀物體或目標(biāo)的真實(shí)反映，信息豐富、形象直觀，適用于大范圍地形測繪，成圖快、效率高；產(chǎn)品形式多樣，3.1.4 差分雷達(dá)干涉測量合成孔徑雷達(dá)( SAR)以飛機(jī)或者衛(wèi)星為搭載平臺(tái), 通過接受能動(dòng)微波傳感器發(fā)射微波被地面反射的信息來判斷地表的起伏和特征。SAR 同時(shí)還記錄反射電磁波的相位信息。合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)( InSAR

9、)是將SAR 單視復(fù)數(shù)( SLC )影像中的相位信息提取出來, 進(jìn)行相位干涉處理得到目標(biāo)點(diǎn)三維信息。由于InSAR是相干成像系統(tǒng), 對每一地面像點(diǎn)都同時(shí)記錄雷達(dá)波的振幅和相位信息。差分雷達(dá)干涉測量利用重復(fù)軌道觀測獲取干涉相位,通過差分處理去除2 次觀測的共有量, 得到形變相位, 反算地形變化量。差分雷達(dá)干涉測量具有一定的穿透能力, 能克服不良天氣的影響, 對地形變化監(jiān)測精度可以達(dá)到厘米級(jí)或者更高, 具有連續(xù)空間覆蓋特征。3.1.5 低空無人飛行器遙感系統(tǒng)低空無人飛行器遙感是隨計(jì)算機(jī)、GPS 和飛行控制技術(shù)發(fā)展而興起的一種遙感測量系統(tǒng), 集飛行器控制技術(shù)、遙感傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS 差分定位

10、技術(shù)于一體, 以無人飛行器為飛行平臺(tái), 高分辨率數(shù)字遙感設(shè)備為機(jī)載傳感器, 獲取低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)。性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕的無人駕駛飛行平臺(tái)是該系統(tǒng)的基本硬件設(shè)施。遙感傳感器和控制系統(tǒng)用于獲取遙感影像, 是系統(tǒng)的重要組成部分。飛行控制系統(tǒng)用于飛行器控制和攜帶設(shè)備管理, 是系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。無線電遙測遙控系統(tǒng)則用于向地面發(fā)送飛行數(shù)據(jù)和遙感設(shè)備的狀態(tài)參數(shù), 遙控系統(tǒng)則是地面人員向飛行器及設(shè)備發(fā)出任務(wù)命令的傳輸系統(tǒng)。無人飛行器低空遙感系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢, 解決了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)對機(jī)場和天氣條件的依賴性、成本高、周期長等問題, 在土壤侵蝕監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景。3.1.6 光電侵蝕針系統(tǒng)光電侵

11、蝕針是在一個(gè)透明的聚丙烯管中依次排列的一組光電池感應(yīng)可見光, 入射子激光發(fā)出的光生載流子在外加偏壓下進(jìn)入外電路后, 將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào), 形成可測光電流, 根據(jù)探針傳感器產(chǎn)生的電壓與探針暴露長度正比例關(guān)系推算侵蝕深度。光電侵蝕針可自動(dòng)監(jiān)測土壤侵蝕和沉積過程, 連續(xù)記錄地貌變化。3.2 核素示蹤隨著核素分析技術(shù)的發(fā)展和利用, 核素示蹤成為土壤侵蝕監(jiān)測的一種新方法。核素示蹤在不改變原地貌、不需要固定的野外觀測設(shè)施的條件下對土壤侵蝕進(jìn)行定量表達(dá), 具有成本小, 勞動(dòng)強(qiáng)度低, 分析和量化精度高等特點(diǎn)。其基本原理是: 測定研究區(qū)土壤核素含量和空間分布, 比較其核素含量與環(huán)境核素的輸入量, 即本底值的差

12、異來表征該區(qū)的侵蝕或沉積。當(dāng)測量點(diǎn)的核素含量超過了本底值, 表明該點(diǎn)存在沉積過程; 當(dāng)測量點(diǎn)的核素含量低于本底值, 表明該點(diǎn)發(fā)生侵蝕過程。建立土壤侵蝕、泥沙沉積與核素含量之間的定量關(guān)系, 利用定量模型將測量點(diǎn)的核素含量轉(zhuǎn)換為土壤侵蝕或沉積量。核素示蹤的關(guān)鍵是核素本底值的確定, 可以通過長期核素沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到, 也可在研究區(qū)內(nèi)或附近選取本底值樣點(diǎn)測得。本底值樣點(diǎn)一般選取為既沒有發(fā)生侵蝕也沒有發(fā)生沉積的部位。目前, 應(yīng)用放射性核素示蹤土壤侵蝕成為研究熱點(diǎn)。常用的137 C s、210 Pbex和7 Be 都是大氣散落核素, 即分散于大氣中的核塵埃隨干濕沉降到達(dá)地表后快速、強(qiáng)烈地吸附在土壤顆粒

13、上, 形成土壤中的放射性核素。吸附于土壤顆粒上的核素隨土壤顆粒運(yùn)用發(fā)生遷移, 土壤中核素的運(yùn)動(dòng)和再分布能夠反映出土壤顆粒侵蝕和再分布的情況。3.3 沉積泥沙反演湖泊或塘庫沉積泥沙是流域侵蝕土壤的匯, 記錄流域近期環(huán)境變化。泥沙反演法利用保存在湖泊或塘庫泥沙沉積序列中的各種信息來重構(gòu)流域土壤侵蝕和沉積過程。沉積泥沙反演主要通過2種途徑實(shí)現(xiàn): 1)利用積沙量計(jì)算湖泊或塘庫淤沙模數(shù)、河流含沙量、泥沙輸移率、土壤侵蝕速率; 2)利用保存在泥沙中的各種物理、化學(xué)、生物和放射性性質(zhì)示蹤泥沙來源.沉積泥沙測量通過確定流域侵蝕面積、沉積面積和沉積時(shí)間, 用塘庫泥沙沉積量來推算淤沙模數(shù)。在不考慮泥沙輸移比或者泥沙輸移比已知的前提下, 計(jì)算流域土壤侵蝕模數(shù)。3.4 現(xiàn)代原位監(jiān)測隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和數(shù)據(jù)自動(dòng)分析技術(shù)的發(fā)展, 現(xiàn)代原位觀測成為土壤侵蝕監(jiān)測發(fā)展的新方向。不同于徑流小區(qū)、侵蝕針等傳統(tǒng)原位監(jiān)測技術(shù), 以土壤侵蝕自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)為代表的現(xiàn)代原位監(jiān)測滿足了監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)效性和完整性的要求, 適應(yīng)系統(tǒng)化、自動(dòng)化需求, 基于光電探測、無線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制等技術(shù), 集氣象、水文、土壤、泥沙、水質(zhì)數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、管理、評(píng)價(jià)和