土壤侵蝕監(jiān)測(cè)新方法的新技術(shù)

1、土壤侵蝕監(jiān)測(cè)新方法的新技術(shù) (一)中國(guó)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(wèn)題, 還帶來(lái)諸如洪水泛濫、河道淤積、水體面源污染等次生環(huán)境問(wèn)題, 是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。中國(guó)是土壤侵蝕最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,全國(guó)的土壤侵蝕面積高達(dá)492萬(wàn)km2,占國(guó)土面積的51.2%.在漫長(zhǎng)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(zhǎng)、資源缺乏、能源危機(jī)、糧食不足等問(wèn)題的出現(xiàn),人們?yōu)榱藵M足人類社會(huì)發(fā)展之需,對(duì)土地資源的破壞越來(lái)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(wèn)題顯得更為嚴(yán)峻.（二）土壤監(jiān)測(cè)的意義土壤侵蝕監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)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(cè)的方法及特點(diǎn)自開始土壤侵蝕研究以來(lái), 土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展。1882 年德國(guó)土壤學(xué)家建立了微型徑流觀測(cè)小區(qū), 開拓了土壤侵蝕定量監(jiān)測(cè)的歷史。徑流觀測(cè)小區(qū)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展, 積累了大量的觀測(cè)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(cè)方法主要包括調(diào)查法、徑流小區(qū)法、侵蝕針?lè)?、水文?/p>

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(zhǎng), 不能適應(yīng)現(xiàn)代土壤侵蝕監(jiān)測(cè)高時(shí)效性、自動(dòng)化、系統(tǒng)化的發(fā)展趨勢(shì)。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(cè)技術(shù)出現(xiàn)多學(xué)科的交叉結(jié)合, 監(jiān)測(cè)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(cè)、航拍技術(shù)、多孔徑雷達(dá)技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)等開始融入土壤侵蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。這里主要介紹現(xiàn)代地形測(cè)量、核素示蹤、沉積泥沙反演和現(xiàn)代原位監(jiān)測(cè)等現(xiàn)代土壤侵蝕監(jiān)測(cè)方法和技術(shù),現(xiàn)代土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)提升了土壤侵蝕監(jiān)測(cè)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(cè)量提供各種時(shí)空尺度高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù); 核素示蹤成本較低、操作簡(jiǎn)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(cè)是基于傳感器和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)痊F(xiàn)代技術(shù)的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)新理念,是滿足土壤侵蝕監(jiān)測(cè)快速化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化發(fā)展的重要方向。通過(guò)介紹土壤侵蝕監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)、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(cè)目標(biāo), 不對(duì)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(cè)器接受并記錄反射回來(lái)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(guò)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(duì)“點(diǎn)云”處理, 轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的模型并以多種格式輸出。土壤侵蝕監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)量技術(shù)采用實(shí)時(shí)處理2個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法, 實(shí)時(shí)三維定位, 精度可達(dá)到厘米級(jí)?；驹硎? 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(duì)5顆以上衛(wèi)星的跟蹤?；鶞?zhǔn)站接收機(jī)將所有可見衛(wèi)星觀測(cè)值通過(guò)無(wú)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(duì)定位原理處理本機(jī)和來(lái)自基準(zhǔn)站接收機(jī)的衛(wèi)星觀測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展到當(dāng)代, 經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量3個(gè)發(fā)展階段。特別是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的出現(xiàn), 融合了攝影測(cè)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(duì)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(cè)量, 提高攝影測(cè)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(cè)量觀測(cè)值引入攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差中, 以空中控制代替地面控制來(lái)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(cè)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(cè)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(guò)接受能動(dòng)微波傳感器發(fā)射微波被地面反射的信息來(lái)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(cè)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(lái), 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(duì)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(cè)量利用重復(fù)軌道觀測(cè)獲取干涉相位,通過(guò)差分處理去除2 次觀測(cè)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(cè)量具有一定的穿透能力, 能克服不良天氣的影響, 對(duì)地形變化監(jiān)測(cè)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(wú)人飛行器遙感系統(tǒng)低空無(wú)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(cè)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(wú)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(wú)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(wú)線電遙測(cè)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(wú)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(shì), 解決了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)和天氣條件的依賴性、成本高、周期長(zhǎng)等問(wèn)題, 在土壤侵蝕監(jiān)測(cè)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(cè)光電流, 根據(jù)探針傳感器產(chǎn)生的電壓與探針暴露長(zhǎng)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(cè)土壤侵蝕和沉積過(guò)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(cè)的一種新方法。核素示蹤在不改變?cè)孛?、不需要固定的野外觀測(cè)設(shè)施的條件下對(duì)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(cè)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(lái)表征該區(qū)的侵蝕或沉積。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)的核素含量超過(guò)了本底值, 表明該點(diǎn)存在沉積過(guò)程; 當(dāng)測(cè)量點(diǎn)的核素含量低于本底值, 表明該點(diǎn)發(fā)生侵蝕過(guò)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(cè)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(guò)長(zhǎng)期核素沉降監(jiān)測(cè)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(cè)得。本底值樣點(diǎn)一般選取為既沒(méi)有發(fā)生侵蝕也沒(méi)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(kù)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(kù)泥沙沉積序列中的各種信息來(lái)重構(gòu)流域土壤侵蝕和沉積過(guò)程。沉積泥沙反演主要通過(guò)2種途徑實(shí)現(xiàn): 1)利用積沙量計(jì)算湖泊或塘庫(kù)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(lái)源.沉積泥沙測(cè)量通過(guò)確定流域侵蝕面積、沉積面積和沉積時(shí)間, 用塘庫(kù)泥沙沉積量來(lái)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(cè)隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集、無(wú)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(cè)成為土壤侵蝕監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù), 以土壤侵蝕自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為代表的現(xiàn)代原位監(jiān)測(cè)滿足了監(jiān)測(cè)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(cè)、無(wú)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