CN105445137A - 一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法 - Google Patents

一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，本发明涉及基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法。本发明的目的是为了解决现有技术在土壤侵蚀监测中对坡面小区尺度细沟侵蚀的接触性破坏、表达不精确、成本高以及应用立体摄影技术测量坡面小区尺度细沟侵蚀中的技术不足的问题。具体是按照以下步骤进行的：一、坡面小区的选定；二、土壤容重的测定；三、对选定的坡面小区布设地面控制点并测定其三维坐标；四、制定拍照方案；五、根据制定的拍照方案，对坡面小区进行拍摄；六、建立坡面小区的数字地面模型；七、细沟侵蚀三维信息的获取。本发明应用于坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测。

Description

一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法
技术领域
本发明涉及基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法。
背景技术
土壤侵蚀是世界范围内的主要生态环境问题之一。水土流失降低土壤生产力，减少耕地面积，阻碍农业机械化作业，每年在我国造成的经济损失在1000亿以上。土壤侵蚀可分为坡面侵蚀和沟蚀两种表现形式，坡面侵蚀由片蚀和细沟侵蚀组成，大量研究结果表明细沟侵蚀占据坡面侵蚀的主导地位，其侵蚀平均加速度和平均侵蚀率均为片蚀的10倍以上。细沟侵蚀是沟蚀的起始阶段，随着上游来水的不断冲刷，部分发育演变为浅沟甚至大型切沟[1](蔡强国,朱远达,王石英.几种土壤的细沟侵蚀过程及其影响因素.《水科学进展》.2004，第15卷(第1期))。水力侵蚀降雨或融雪径流冲刷下形成的细沟，其不同沟位的宽度和深度是沿着沟长变化的；并且，相同沟位上的沟宽和沟深也会随着地表径流的变化而改变。因此，细沟的三维信息以及其在地表径流冲刷前后的变化是细沟研究中非常重要的参数。
目前常用的侵蚀沟三维测量方法有插钎测量法、地形测针板法、高精度GPS测量法和三维激光扫描法。
插钎测量法是先将侵蚀沟划分为若干个断面，在每个断面的沟岸上插细钎，以细钎为基准，在侵蚀发生的前后测量断面的沟宽与沟深，从而获得每次侵蚀导致断面上的沟岸侵蚀量与沟底下切量。插钎测量法的精度为半米，因此适用于大型切沟的测量及其动态监测。董一帆等[2](董一帆，伍永秋.利用虚拟插钎对切沟沟底不同部位短期变化的初步研究.《地理科学》.2010，第30卷(第6期))利用插钎测量法测量在东北黑土区测量切沟，沟长为199m，使用了200个插钎，测点密度为1点/m2。
地形测针板法的测量原理与插钎测量法相似，也是将侵蚀沟划分为若干个断面。不同的是使用刻度面板和测针立体测量侵蚀沟。测量时将刻度板架在侵蚀沟的沟岸上，坡面及细沟形态的高低起伏通过测针在面板上的刻度显示，较插钎测量法，测量精度可达厘米级。由于受刻度面板的限制，其适用性仍存在一定的局限性，诸如1)其精度虽可达厘米级，但受地形测针板法限制，适宜于浅沟侵蚀测量，不适于大型切沟或要求毫米级的坡面小区尺度细沟的测量；2)其为接触式测量，需要用刻度板和测针直接接触待测沟道表面，沟道形态易于受外力影响而改变，增大测量结果的不确定性；3)人工测量，每小时只能获取数百个测量点数据。张鹏等[3](张鹏等.高精度GPS，三维激光扫描和测针板三种测量技术监测沟蚀过程的对比研究.《水土保持通报》.2008，第28卷(第5期))使用地形测针板法测量了切沟侵蚀量，在40m2测量区域内测量了1640个点数据，测点密度为41点/m2，用时3h。
随着GPS技术的发展和普及，高精度GPS成功应用于侵蚀沟的测量，较原有传统方法，显著提高了测量效率和精度。既适用于大型切沟也适用于浅沟的测量。其原理是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给GPS移动端，对GPS移动端的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。测量时使用手持杆将GPS置于沟道表面，减少对沟道表面的破坏，能够较好地获取浅沟和大型切沟的三维信息，可用于沟道侵蚀量的计算和侵蚀沟演变动态的监测。然而测量精度仅能达到厘米级，且受测量点数量的限制，尚未能获取诸如沟壁细沟的三维信息，未能应用于细沟侵蚀测量。张鹏等[3](张鹏等.高精度GPS，三维激光扫描和测针板三种测量技术监测沟蚀过程的对比研究.《水土保持通报》.2008，第28卷(第5期))使用地形测针板法测量了切沟侵蚀量，在40m2测量区域内测量了2000个点数据，测点密度为50点/m2，用时3h。
三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，能够以50000点/s的速度获取毫米级的侵蚀沟三维信息，且不需要直接接触待测目标，技术上适宜于坡面小区尺度细沟侵蚀测量。但三维激光扫描技术价格很高。目前常用的型号中，国外进口的徕卡C10单价一百余万，法如FOCUS3D为90万。因此过高的仪器购买成本限制了其在土壤侵蚀监测领域的应用。张姣等[4](张姣等.利用三维激光扫描技术动态监测沟蚀发育过程的方法研究.《水土保持通报》.2011，第31卷(第6期))使用三维激光扫描仪测量了试验土槽中的细沟侵蚀量，在15m2测量区域内测量了130000个点数据，测点密度为8667点/m2，用时0.7h。
近年来随着计算机软硬件的发展，立体摄影测量作为一种快速获取数字地面模型的方法已经得到广泛应用。它是基于人眼双目视觉原理，使用计算机软件对从不同角度拍摄同一物体的普通数码相片进行三维重建，从而建立待测物体或地面的三维数字表面模型。美国Karl等[5](Karletal.QuantifyingUncertaintyofMeasuringGullyMorphologicalEvolutionwithClose-RangeDigitalPhotogrammetry.《SoilScienceSocietyofAmericaJournal》.2014，第10卷)使用固定支架将相机固定在肩膀上来对农田浅沟拍照，镜头距离地面仅为2-3米，因此得到了毫米级的浅沟数字地面模型。但也存在许多不足，其仍然以浅沟为研究对象，且仅监测了浅沟特征部位的侵蚀发展，如沟头，沟中与沟尾处，但是没有对浅沟所有部位的侵蚀发育做监测，难以对浅沟整体的动态发育过程做研究。我国学者也尝试应用地面立体摄影技术测量不同尺度的土壤侵蚀量。但这些尝试尚未形成完整的坡面小区尺度细沟侵蚀动态监测技术实施方案，在应用中也有很多的弊端。
上世纪八十年代周佩华等[6](周佩华等.黄土高原的侵蚀沟及其摄影测量方法.《水土保持通报》.1984，第28卷(第5期))与徐国礼等[7](徐国礼，周佩华.地面立体摄影测量在监测沟蚀中的运用.《中国科学院西北水土保持研究所集刊》.1988，第1期)介绍了应用立体摄影测量技术测量侵蚀沟的原理，但问题是这些技术受限于当时的摄影方式及计算机软硬件的限制，尤其是立体摄影测量软件，其方法均已不能适用于现在的计算机使用。且当时的土壤侵蚀研究集中于沟深为数米的大型侵蚀沟，而不是本发明的坡面小区尺度细沟侵蚀。胡文生等[8](胡文生，蔡强国，陈浩.利用数字摄影测量方法估算半干旱区小流域沟谷侵蚀产沙.《地球信息科学》.2008，第10卷(第4期))介绍了基于航空照片估算侵蚀量的技术，使用1959年、1981年与1999年的历史航空影像建立流域尺度的三期数字地面模型，并计算了1959年到1981年和1981年到1999年的流域侵蚀量。但问题是其地面分辨率仅为2*2m，因此只能测量流域尺度的侵蚀量，而无法估算细沟的侵蚀量。胡云华等[9](胡云华等.近景摄影测量技术在三峡库区消落带土壤侵蚀调查中的应用.《测绘通报》.2014，增刊)使用三脚架架设单反相机监测了浅沟的整体发展。其首先使用三脚架架设单反相机获取了多个时期的浅沟影像，然后将侵蚀发生前后的多个时期的浅沟数字地面模型做叠加，从而计算浅沟土壤侵蚀量。但该方法也是以浅沟为研究对象，而不是本发明的坡面小区尺度细沟侵蚀。另该方法在拍照前需要设置专门的二维控制场与三维控制场对相机镜头畸变做校正，不便于野外实地应用。李俊利等[10](李俊利等.利用照片重建技术生成坡面侵蚀沟三维模型.《农业工程学报》.2015，第31卷(第1期))是首次见于文献的应用地面立体摄影测量技术测量坡面小区尺度细沟侵蚀的实例。该实例将试验土壤填装于宽1m，长3m，深0.5m的试验土槽中模拟自然坡面；并采取人工降雨的方式模拟细沟的发育。由于计算机自动生成的细沟数字地面模型的缩放比例与细沟真实缩放比例是不同的，因此照相时在细沟旁放置一刻度尺，从而给合成的细沟地面数字模型赋予真实比例。并以此来叠加多个时期的数字地面模型来计算细沟体积的变化。该实例的问题是其属于室内理想情况下的动态观测，即短时期(一天)内使用相同相机及相同拍摄方案情况下的细沟侵蚀发育监测，而并不适宜于野外复杂条件下长历时的细沟侵蚀动态监测。原因是该实例使用的刻度尺只能定义计算机自动生成的细沟数字地面模型与细沟真实缩放比例之间的转换关系，而不能定义不同时期细沟地面数字模型的空间旋转关系。当使用相同相机及相同拍摄方案(拍摄高度、照片拍摄顺序等)时，计算机软件自动生成的不同时期细沟数字地面模型之间的空间旋转角度一致。当使用不同相机或者不同拍摄方案(拍摄高度、照片拍摄顺序等)时，计算机软件自动生成的不同时期细沟数字地面模型之间会有不同的空间旋转角度。因此即使不同时期细沟数字地面模型缩放比例相同，也会因为各自的空间旋转角度不同而不能互相叠加，从而无法计算细沟土壤侵蚀量。该实例是基于室内短时期(一天)内使用相同相机及相同拍摄方案，即理想情况下对坡面小区尺度细沟侵蚀实施的动态监测，然而当野外实测条件复杂，或是做长历时(数月至数年以上)的动态发育过程监测时，难以保证所有时期的监测过程均使用相同相机及相同的拍摄方案，因此很难监测长历时的坡面小区尺度细沟侵蚀发育过程。
发明内容
本发明是为了解决现有方法在土壤侵蚀监测中对坡面小区尺度细沟侵蚀的接触性破坏、精度低、成本高的问题，而提出的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法。
一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法按以下步骤实现：
步骤一：坡面小区的选定，所述坡面小区应覆盖细沟最终可覆盖的区域；
步骤二：对步骤一选定的坡面小区进行土壤容重的测定，所述测定的土壤容重的深度与要测量的细沟生成的最大沟深相同；
步骤三：对步骤一选定的坡面小区布设地面控制点，并测量每个地面控制点的三维坐标；
步骤四：根据步骤一选定的坡面小区制定拍照方案，所述拍照方案包括设置地面分辨率、拍照时间、拍照高度、单幅照片场景大小、相邻照片间距、照片总数量及拍照方式；
步骤五：根据步骤四制定的拍照方案，对坡面小区进行拍照；
步骤六：将步骤五拍摄的照片与地面控制点三维坐标输入立体摄影测量软件，建立坡面小区的数字地面模型；
步骤七：将步骤六建立的坡面小区的数字地面模型导入地理信息系统软件，分析细沟的三维信息在地表径流冲刷前后细沟体积的变化，结合得到的地表径流冲刷前后细沟体积的变化量和土壤容重，计算细沟土壤侵蚀量；
细沟土壤侵蚀量＝地表径流冲刷前后细沟体积的变化量×土壤容重。
发明效果：
本发明是基于地面立体摄影技术动态监测坡面小区尺度细沟侵蚀(rillerosion)发育过程的研究方法，解决了已有立体摄影测量技术监测细沟侵蚀发育的不足，形成了一套完整的基于地面立体摄影技术动态监测坡面小区尺度细沟侵蚀发育过程的实施方案。与现有的坡面小区尺度细沟侵蚀研究方法相比，本发明具有以下的优点：
成本低：软件上，有免费或付费的地面立体摄影测量及地理信息系统软件可供应用；硬件上，地面立体摄影测量技术对照片来源要求不高，500万像素以上的相机即可满足建立数字地面模型的要求，单反更佳。配置I7处理器与8G内存的计算机即可满足运行所需软件的要求。全部成本不超过4万元。
快速性：应用地面立体摄影测量获取坡面小区数字地面模型及三维信息，速度很快。以获取长度10m，均宽为2m的坡面小区细沟侵蚀三维信息为例，若使用单反相机获取其目标地面分辨率为0.5mm的数字地面模型，则所需照片数量为60张，拍照用时30min，合成数字地面模型用时1.5h。
高精度：应用单反相机，拍照高度为0.6m时即可获得0.2mm地面分辨率的，点密度大于400000点/m2的毫米级坡面小区尺度细沟侵蚀三维信息。
非直接接触：地面立体摄影测量不需要直接接触坡面小区。该技术可保证坡面侵蚀，尤其是细沟侵蚀的发育过程不因测量的人为接触而改变，从而保证实验的持续性，且能测量细沟不易被接触到的部位。
易操作：坡面小区的面积宜为1-100m2，以5-8个地面控制点为最佳，建立坡面小区测量坐标系统，至少为3个地面控制点；相机镜头不需要专门校正，可直接应用；地面立体摄影测量软件可利用照片直接合成数字地面模型；通过地理信息系统软件叠加相减即可获得坡面小区尺度细沟侵蚀三维信息变化及细沟土壤侵蚀量。
适宜于多种立地条件：本发明可监测由自然降雨、模拟降雨或融雪等产生的地表径流冲刷造成坡面小区尺度细沟侵蚀发育过程。
长历时动态观测：由于使用了半永久性的地面控制点，因此本发明适用于长历时动态观测(20年内)监测坡面小区尺度细沟侵蚀发育过程。
附图说明
图1为本发明采用的拍照方案设计示意图；
图2为实际过程操作图，其中(1)是相机，(2)是摄像杆，(3)是地面控制点；
图3为实例一中降雨径流前细沟三维立体图；
图4为实例一中降雨径流后细沟三维立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法包括以下步骤：
步骤一：坡面小区的选定，所述坡面小区应覆盖细沟最终可覆盖的区域；
步骤二：对步骤一选定的坡面小区进行土壤容重的测定，所述测定的土壤容重的深度与要测量的细沟生成的最大沟深相同；
步骤三：对步骤一选定的坡面小区布设地面控制点，并测量每个地面控制点的三维坐标；地面控制点是人为在地面布置的、位置固定的标志物，通常是由钢钎、PVC管或混凝土构成，一端埋入地下作为桩基，另一端露出地面并在上面用记号笔或钻头做十字标识；
步骤四：根据步骤一选定的坡面小区面积及地形复杂程度制定拍照方案，所述拍照方案包括设置地面分辨率(即预期数字地面模型上可被识别的最小地物的大小)、拍照时间、拍照高度、单幅照片场景大小、相邻照片距离、照片总数量、拍照方式及拍照路线；
步骤五：根据步骤四制定的拍照方案，对坡面小区进行拍照；
步骤六：将步骤五拍摄的照片与地面控制点坐标输入立体摄影测量软件，建立坡面小区的数字地面模型；
步骤七：将步骤六建立的坡面小区的数字地面模型导入地理信息系统软件，分析细沟的三维信息在地表径流冲刷前后细沟体积的变化，结合得到的地表径流冲刷前后细沟体积的变化量和土壤容重，计算细沟土壤侵蚀量；
细沟土壤侵蚀量＝地表径流冲刷前后细沟体积的变化量×土壤容重。
本发明所需要的设备有数码相机，平板或手机等智能设备，全站仪或RTK，装有立体摄影测量软件(PIX4D、PHOTOMODELER等立体摄影测量软件)与地理信息系统软件(ARCGIS、ERDAS、GLOBALMAPPER等地理信息系统软件)的电脑。电脑配置为酷睿I7处理器，内存8G或以上。相机照片大小应在4兆以上，像素在500万以上，单反相机最佳。相机应自带wifi功能，来使用智能设备通过wifi连接并控制相机拍照。相机若无wifi功能，使用外置wifi设备来连接相机与智能设备。相机应使用定焦镜头。如为变焦镜头，应保持拍照时焦距不变。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中坡面小区的面积为1-100m2。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中测量每个地面控制点的三维坐标具体为：
在坡面小区内布设地面控制点，使用相对精度为毫米级全站仪或RTK测量每个地面控制点的三维坐标，建立坡面小区测量坐标系统，所述RTK为实时差分GPS；
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中的地面控制点大于3个小于10个。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤三中的地面控制点为5-8个。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤三中的地面控制点可进行0—20年的观测(地面控制点为半永久性)。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤四中的拍照方案的制定具体为：
拍照方案设计示意图如图1所示；
(1)拍照时间应选择为模拟降雨、自然降雨或降雪前以及模拟降雨、自然降雨或融雪地表径流冲刷结束后，即细沟侵蚀发生的前后，各拍摄一次；
(2)拍照高度的计算过程为：设相机电荷耦合元件在X方向长度为lX，相机电荷耦合元件在X方向像素数为NX，相机镜头焦距为f，在X方向地面分辨率的长度为G，由数学模型1：H＝f×G÷(lX÷NX)得到相机拍照高度H；
(3)单幅照片场景大小的计算过程为：设相机电荷耦合元件的Y方向像素数为NY，由数学模型2：LX＝NX×G和LY＝NY×G得到单幅照片场景X方向的长度LX，单幅照片场景Y方向的长度LY；
(4)相邻照片间距的计算过程为：相邻照片在X方向与Y方向上的重叠度应大于80％小于100％，在得到了单幅照片场景X方向的长度LX和单幅照片场景Y方向的长度LY的情况下，由数学模型3：ΔLX＝0.2×LX和ΔLY＝0.2×LY得到X方向上相邻照片间距ΔLX和Y方向上相邻照片间距ΔLY；
(5)拍照照片总数量的计算过程为：设拍照区域(即选定的坡面小区)X方向长度L'X，拍照区域Y方向长度L'Y，由数学模型4:SX＝INT{(L'X-LX)÷ΔLX}+2和SY＝INT{(L'Y-LY)÷ΔLY}+2得到X方向上拍照照片数量SX和Y方向上拍照照片数量SY，由数学模型5：S＝SX×SY得到可覆盖坡面小区所需的照片总数量S；
(6)拍照方式包括三种方式：
实际过程操作图如图2所示；
手持相机，保持相机镜头垂直向下并拍照，拍照高度范围0.5-1.2m；
手持摄像杆，摄像杆另一端固定具有wifi功能相机，利用相机wifi功能连接平板或智能手机等智能设备与相机，保持相机镜头垂直向下并用智能设备操作相机拍照，拍照高度范围0.5-4m；
手持摄像杆，摄像杆另一端固定不具有wifi功能相机，利用外置wifi传输设备连接平板或智能手机等智能设备与相机，保持相机镜头垂直向下并用智能设备操作相机拍照，拍照高度范围0.5-4m。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤五中对坡面小区进行拍照，拍照时可使用宽度大于坡面小区宽度的悬空踏板，拍照人员站在悬空踏板上对坡面小区拍照，防止对坡面小区的踩踏。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤五中对坡面小区进行拍照，拍照时应确保每个地面控制点能够在大于等于5张照片中被识别。
实施例一：
本实例选择设置在黑龙江省海伦市中国科学院海伦黑土水土保持监测研究站的标准小区，以2015年7月13日的一场降雨为例，介绍应用基于地面立体摄影测量技术监测自然降雨径流冲刷的细沟侵蚀发育过程。该标准小区长度为22.1m，宽度为4.5m，投影面积为90m2，坡度为5°，是东北漫川漫岗黑土区的典型坡度。试验用土为东北典型黑土区的黑钙土。每年春季将标准小区20cm的表层土壤翻耕整平，不种植作物。2015年7月13日的降雨量为25mm，历时1.2h。降雨径流前细沟三维立体图和降雨径流后细沟三维立体图如图3和图4所示；
具体过程如下：
步骤一：坡面小区的选定，即标准小区。
步骤二：土壤容重的测定。在7月13日次降雨前，使用环刀法(公知方法)对深度为0-5cm土壤容重进行测量，得到土壤容重为1.18g/cm3。
步骤三：地面控制点的布设。在春季整地结束后与雨季到来前在坡面小区外围0.5m内均匀布置了5个半永久性地面控制点(推荐使用5-8个地面控制点)，将直径为1cm，长度为60cm的钢钎埋入地面以下50cm，在地面上保留10cm；在钢钎的露出地面的端头用记号笔标记十字的标志，以此作为地面控制点。确保每个地面控制点在一个实验周期(降雨侵蚀开始到融雪侵蚀结束)内不会发生位移。使用全站仪测量每个地面控制点的三维坐标，建立坡面小区测量坐标系统。全站仪的位置没有特殊要求。
步骤四：拍照方案的制定。本实例使用的是具有wifi功能的索尼微单NEX-6，带有16mm的定焦镜头，目标地物分辨率为0.5mm，即预期数字地面模型上可被识别的最小地物的大小是0.5mm*0.5mm。NEX-6的电荷耦合元件(CCD)大小为23.3mm*15.5mm，像素分辨率为4912*3264。由数学模型1：H＝f×G÷(lX÷NX)得到相机拍照高度H为1.7m；由数学模型2：LX＝NX×G和LY＝NY×G得到单幅照片场景X方向长度LX为2.5m，以及单幅照片场景Y方向长度LY为1.6m；由数学模型3:ΔLX＝0.2×LX和ΔLY＝0.2×LY得到单幅照片场景X方向上相邻照片间隔为ΔLX为0.5m，以及单幅照片场景Y方向上相邻照片间隔ΔLY为0.3m。坡面小区X方向长度LX’与Y方向长度LY’分别为4.5m与22.1m，因此由数学模型4:SX＝INT{(L'X-LX)÷ΔLX}+2和SY＝INT{(L'Y-LY)÷ΔLY}+2得到X方向拍照照片数量SX为6张，以及Y方向拍照照片数量SY为70张。因此，由数学模型5：S＝SX×SY得到可覆盖坡面小区所需的照片总数量S为420张。在降雨前的7月11日，以及降雨后的7月14日各拍照一次。
步骤五：照片的拍摄。依据拍照方案，对坡面小区进行拍照。用长约5m，高约0.4m的悬空踏板，架在标准小区X方向的两侧。先从标准小区的顶端处开始拍照。一人手持摄像杆站在悬空踏板上，摄像杆另一端固定具有wifi功能相机；另一人使用平板或智能手机等连接相机，利用相机的wifi功能控制相机的拍照。拍照时尽量保持镜头垂直向下。拍完一张照片后，手持摄像杆沿悬空踏板，即小区的X方向移动0.5m，拍照第二张照片。直至拍照6张照片，到达悬空踏板另一端，结束标准小区X方向上的该组拍照。沿标准小区Y方向移动悬空踏板0.3m，依照相同的方法，完成标准小区X方向上另一组的6张照片。每个地面控制点应能够在至少5张的照片中被识别，以便于为建立的地面数字模型添加坐标系。因此当拍到包含有地面控制点的照片时，可变换相机拍照角度，增加包含有地面控制点照片的数量。
步骤六：数字地面模型的建立。将所有照片以及地面控制点坐标输入立体摄影测量软件，建立带有坐标系的坡面小区地面数字模型。
步骤七：细沟侵蚀三维信息的获取。将降雨径流冲刷前后的两期数字地面模型导入到地理信息系软件ARCGIS10.2中进行空间计算。由于每一期的坡面小区数字地面模型的空间坐标系是一致的，因此可以自动互相叠加。叠加的两期地面数字模型在ARCGIS10.2中经相减计算后，求得降雨前后坡面小区有4条细沟的体积增加，侵蚀量增大。4条细沟的沟头分别前进了355mm、482mm、150mm与92mm；沟深分别增加了11mm、21mm、10mm与15mm；体积分别增加了3928mm3、5488mm3、2493mm3与2577mm3。根据土壤容重进一步求得4条细沟的侵蚀量分别为4635g、6476g、2917g与3041g。
本实例使用酷睿I7处理器，32G内存的台式机处理数据。每期拍摄照片420张，用时2h；合成坡面小区数字地面模型用时8h；细沟数字地面模型点密度为415000点/m2。

Claims (9)

1.一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于，所述基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法包括以下步骤：
步骤一：坡面小区的选定，所述坡面小区应覆盖细沟最终可覆盖的区域；
步骤二：对步骤一选定的坡面小区进行土壤容重的测定，所述测定的土壤容重的深度与要测量的细沟生成的最大沟深相同；
步骤三：对步骤一选定的坡面小区布设地面控制点，并测量每个地面控制点的三维坐标；
步骤四：根据步骤一选定的坡面小区制定拍照方案，所述拍照方案包括设置地面分辨率、拍照时间、拍照高度、单幅照片场景大小、相邻照片间距、照片总数量及拍照方式；
步骤五：根据步骤四制定的拍照方案，对坡面小区进行拍照；
步骤六：将步骤五拍摄的照片与地面控制点三维坐标输入立体摄影测量软件，建立坡面小区的数字地面模型；
步骤七：将步骤六建立的坡面小区的数字地面模型导入地理信息系统软件，分析细沟的三维信息在地表径流冲刷前后细沟体积的变化，结合得到的地表径流冲刷前后细沟体积的变化量和土壤容重，计算细沟土壤侵蚀量；
细沟土壤侵蚀量＝地表径流冲刷前后细沟体积的变化量×土壤容重。
2.根据权利要求1所述的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于所述步骤一中坡面小区的面积为1-100m2。
3.根据权利要求2所述的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于所述步骤三中测量每个地面控制点的三维坐标具体为：
使用相对精度为毫米级全站仪或RTK测量每个地面控制点的三维坐标，所述RTK为实时差分GPS。
4.根据权利要求3所述的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于所述步骤三中的地面控制点大于等于3个小于10个。
5.根据权利要求4所述的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于所述步骤三中的地面控制点为5-8个。
6.根据权利要求5所述的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于所述步骤三中的地面控制点可进行0—20年的观测。
7.根据权利要求6所述的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于所述步骤四中的制定拍照方案具体为：
(1)拍照时间应选择为降雨或降雪前以及降雨或融雪地表径流冲刷结束后，即细沟侵蚀发生的前后，各拍摄一次；
(2)拍照高度的计算过程为：设相机电荷耦合元件在X方向长度为lX，相机电荷耦合元件在X方向像素数为NX，相机镜头焦距为f，在X方向地面分辨率的长度为G，由数学模型1：H＝f×G÷(lX÷NX)得到相机拍照高度H；
(3)单幅照片场景大小的计算过程为：设相机电荷耦合元件的Y方向像素数为NY，由数学模型2：LX＝NX×G和LY＝NY×G得到单幅照片场景X方向的长度LX，单幅照片场景Y方向的长度LY；
(4)相邻照片间距的计算过程为：相邻照片在X方向与Y方向上的重叠度应大于80％小于100％，由数学模型3：ΔLX＝0.2×LX和ΔLY＝0.2×LY得到X方向上相邻照片间距ΔLX和Y方向上相邻照片间距ΔLY；
(5)拍照照片总数量的计算过程为：拍照区域X方向长度L′X，拍照区域Y方向长度L'Y由数学模型4:SX＝INT{(L'X-LX)÷ΔLX}+2和SY＝INT{(L'Y-LY)÷ΔLY}+2得到X方向上拍照照片数量SX和Y方向上拍照照片数量SY，由数学模型5：S＝SX×SY得到可覆盖坡面小区所需的照片总数量S；
(6)拍照方式包括三种方式：
手持相机，保持相机镜头垂直向下并拍照，拍照高度范围0.5-1.2m；
手持摄像杆，摄像杆另一端固定具有wifi功能相机，利用相机wifi功能连接平板或智能手机等智能设备与相机，保持相机镜头垂直向下并用智能设备操作相机拍照，拍照高度范围0.5-4m；
手持摄像杆，摄像杆另一端固定不具有wifi功能相机，利用外置wifi传输设备连接平板或智能手机等智能设备与相机，保持相机镜头垂直向下并用智能设备操作相机拍照，拍照高度范围0.5-4m。
8.根据权利要求7所述的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于所述步骤五中对坡面小区进行拍照，拍照时可使用宽度大于坡面小区宽度的悬空踏板，拍照人员站在悬空踏板上对坡面小区拍照。
9.根据权利要求8所述的一种基于摄影的坡面小区尺度细沟侵蚀三维动态监测方法，其特征在于所述步骤五中对坡面小区进行拍照，拍照时应确保每个地面控制点能够在大于等于5张照片中被识别。
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