土壤侵蚀监测新方法的新技术

土壤侵蚀监测新方法的新技术(一)中国土壤状况土壤是地球的皮肤,在自然力和人类活动的作用下土壤或其他地面组成物质被剥蚀、分离、搬运、沉积,形成土壤侵蚀。土壤侵蚀不仅造成诸如土壤养分流失、土地退化等原生问题,还带来诸如洪水泛滥、河道淤积、水体面源污染等次生环境问题,是当今世界普遍关注的环境问题。中国是土壤侵蚀最为严重的国家之一,全国的土壤侵蚀面积高达492万km2,占国土面积的51.2%.在漫长的时间里,由于遭到人类不当经济活动的干扰破坏,致使土壤侵蚀加剧.随着人口增长、资源缺乏、能源危机、粮食不足等问题的出现,人们为了满足人类社会发展之需,对土地资源的破坏越来越严重,破坏了生态环境的平衡,制约着经济的快速发展和社会的安定团结,土壤侵蚀问题显得更为严峻.（二）土壤监测的意义土壤侵蚀监测对土壤侵蚀发生、发展、危害及水土流失防治效益进行调查、观测和分析,为认识水土流失现状、研究土壤侵蚀规律、制订水土流失防治规划、设计水土保持措施、评价水土保持效益和行政监督执法提供指导。（三）土壤监测的方法及特点自开始土壤侵蚀研究以来,土壤侵蚀监测技术不断发展。1882年德国土壤学家建立了微型径流观测小区,开拓了土壤侵蚀定量监测的历史。径流观测小区的出现和迅速发展,积累了大量的观测数据,为土壤侵蚀预报模型的提出奠定了基础。常规土壤侵蚀监测方法主要包括调查法、径流小区法、侵蚀针法、水文法、模型估算法和遥感解译法等。常规方法野外工作量大、效率低、周期长,不能适应现代土壤侵蚀监测高时效性、自动化、系统化的发展趋势。随着现代认识和技术水平的发展,土壤侵蚀监测技术出现多学科的交叉结合,监测精度也由定性到半定量、定量和精确定量的提升。先进的多元数据遥感监测、航拍技术、多孔径雷达技术、光电探测技术等开始融入土壤侵蚀监测领域。这里主要介绍现代地形测量、核素示踪、沉积泥沙反演和现代原位监测等现代土壤侵蚀监测方法和技术,现代土壤侵蚀监测技术提升了土壤侵蚀监测为科学研究和实践服务的能力:基于土壤侵蚀地形演变的现代地形测量提供各种时空尺度高精度的监测数据;核素示踪成本较低、操作简单,能提供多年土壤侵蚀平均值;沉积泥沙反演根据侵蚀泥沙的沉积特性反推流域土壤侵蚀,成为回溯流域土壤侵蚀历史的有用手段;现代原位监测是基于传感器和无线数据传输等现代技术的土壤侵蚀监测新理念,是满足土壤侵蚀监测快速化、自动化和系统化发展的重要方向。通过介绍土壤侵蚀监测领域出现的新方法和新技术,以期促进其推广和应用。3.1现代地形测量土壤侵蚀和沉积在地形上表现出细微变化,现代地形测量技术监测土壤侵蚀和沉积的前提是能够甄别出这种微地形变化,即满足精度要求。传统土壤侵蚀调查借助地形图在野外目视判读勾绘侵蚀图斑,只能实现定性或半定量的评价。数字化测量技术的发展解决了传统方法费时费力,精度低的缺点。数字高程模型(DEM)的出现极大方便了现代地形景观演化研究。利用DEM进行土壤侵蚀监测主要分2类:1)直接利用数字高程模型计算土壤侵蚀量或沉积量;2)利用DEM提取地貌特征值(坡度、坡长、坡向等),结合相关模型和水沙统计资料分析土壤侵蚀或沉积。3.1.1三维激光扫描三维激光扫描仪在不接触被测目标,不对流域坡面产生人为干扰的情况下获取目标若干点数据,进行高精度的三维逆向模拟,重建目标的全景三维数据或模型。基本原理是由激光脉冲二极管周期性发射出激光脉冲经旋转棱镜射向目标,电子扫描探测器接受并记录反射回来的激光脉冲,产生接受信号,光学编码器记录整个过程的时间差和激光脉冲角度,微电脑根据距离和角度计算采集点三维信息。目标范围内连续扫描便形成“点云”数据,经后处理软件对“点云”处理,转换成绝对坐标系中的模型并以多种格式输出。土壤侵蚀监测对2个时相的目标扫描数据进行配准和叠加处理,分析计算土壤侵蚀和沉积量。侵蚀体积与侵蚀投影面积的关系:坡度越小,侵蚀面积越大,沟蚀体积越小。3.1.2差分GPS全球定位系统(GPS)的实时动态测量技术采用实时处理2个测站载波相位观测量的差分方法,实时三维定位,精度可达到厘米级。基本原理是:2台GPS接收机分别作为基准站和流动站并同时保持对5颗以上卫星的跟踪。基准站接收机将所有可见卫星观测值通过无线电实时发送给流动站接收机。流动站根据相对定位原理处理本机和来自基准站接收机的卫星观测数据,计算用户站的三维坐标。利用GPS获取目标多时相DEM并将其配准到同一坐标系,对比获取目标的土壤侵蚀量或沉积量。高精度GPS在切沟侵蚀监测中全天候不受任何天气的影响，全球覆盖（高达98%），三维定点定速定时高精度，快速、省时、高效率，应用广泛、多功能，可移动定位。3.1.3摄影测量摄影测量技术发展到当代,经历了模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量3个发展阶段。特别是数字摄影测量的出现,融合了摄影测量和数字影像的基本原理,应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等技术,将摄取对象以数字方式表达。GPS辅助动态精密定位,实现空中自动三角测量,提高摄影测量的效率和精度,即利用安装在飞行器上和设在地面多个基准站的GPS获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标,将其视为附加摄影测量观测值引入摄影测量区域网平差中,以空中控制代替地面控制来进行区域网平差。所摄影像是客观物体或目标的真实反映，信息丰富、形象直观，适用于大范围地形测绘，成图快、效率高；产品形式多样，3.1.4差分雷达干涉测量合成孔径雷达(SAR)以飞机或者卫星为搭载平台,通过接受能动微波传感器发射微波被地面反射的信息来判断地表的起伏和特征。SAR同时还记录反射电磁波的相位信息。合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是将SAR单视复数(SLC)影像中的相位信息提取出来,进行相位干涉处理得到目标点三维信息。由于InSAR是相干成像系统,对每一地面像点都同时记录雷达波的振幅和相位信息。差分雷达干涉测量利用重复轨道观测获取干涉相位,通过差分处理去除2次观测的共有量,得到形变相位,反算地形变化量。差分雷达干涉测量具有一定的穿透能力,能克服不良天气的影响,对地形变化监测精度可以达到厘米级或者更高,具有连续空间覆盖特征。3.1.5低空无人飞行器遥感系统低空无人飞行器遥感是随计算机、GPS和飞行控制技术发展而兴起的一种遥感测量系统,集飞行器控制技术、遥感传感技术、通讯技术、GPS差分定位技术于一体,以无人飞行器为飞行平台,高分辨率数字遥感设备为机载传感器,获取低空高分辨率遥感数据。性能稳定、质量轻的无人驾驶飞行平台是该系统的基本硬件设施。遥感传感器和控制系统用于获取遥感影像,是系统的重要组成部分。飞行控制系统用于飞行器控制和携带设备管理,是系统的中枢神经。无线电遥测遥控系统则用于向地面发送飞行数据和遥感设备的状态参数,遥控系统则是地面人员向飞行器及设备发出任务命令的传输系统。无人飞行器低空遥感系统具有机动、快速、经济等优势,解决了传统航空摄影技术对机场和天气条件的依赖性、成本高、周期长等问题,在土壤侵蚀监测中具有广泛的应用前景。3.1.6光电侵蚀针系统光电侵蚀针是在一个透明的聚丙烯管中依次排列的一组光电池感应可见光,入射子激光发出的光生载流子在外加偏压下进入外电路后,将光信号转变为电信号,形成可测光电流,根据探针传感器产生的电压与探针暴露长度正比例关系推算侵蚀深度。光电侵蚀针可自动监测土壤侵蚀和沉积过程,连续记录地貌变化。3.2核素示踪随着核素分析技术的发展和利用,核素示踪成为土壤侵蚀监测的一种新方法。核素示踪在不改变原地貌、不需要固定的野外观测设施的条件下对土壤侵蚀进行定量表达,具有成本小,劳动强度低,分析和量化精度高等特点。其基本原理是:测定研究区土壤核素含量和空间分布,比较其核素含量与环境核素的输入量,即本底值的差异来表征该区的侵蚀或沉积。当测量点的核素含量超过了本底值,表明该点存在沉积过程;当测量点的核素含量低于本底值,表明该点发生侵蚀过程。建立土壤侵蚀、泥沙沉积与核素含量之间的定量关系,利用定量模型将测量点的核素含量转换为土壤侵蚀或沉积量。核素示踪的关键是核素本底值的确定,可以通过长期核素沉降监测数据计算得到,也可在研究区内或附近选取本底值样点测得。本底值样点一般选取为既没有发生侵蚀也没有发生沉积的部位。目前,应用放射性核素示踪土壤侵蚀成为研究热点。常用的137Cs、210Pbex和7Be都是大气散落核素,即分散于大气中的核尘埃随干湿沉降到达地表后快速、强烈地吸附在土壤颗粒上,形成土壤中的放射性核素。吸附于土壤颗粒上的核素随土壤颗粒运用发生迁移,土壤中核素的运动和再分布能够反映出土壤颗粒侵蚀和再分布的情况。3.3沉积泥沙反演湖泊或塘库沉积泥沙是流域侵蚀土壤的汇,记录流域近期环境变化。泥沙反演法利用保存在湖泊或塘库泥沙沉积序列中的各种信息来重构流域土壤侵蚀和沉积过程。沉积泥沙反演主要通过2种途径实现:1)利用积沙量计算湖泊或塘库淤沙模数、河流含沙量、泥沙输移率、土壤侵蚀速率;2)利用保存在泥沙中的各种物理、化学、生物和放射性性质示踪泥沙来源.沉积泥沙测量通过确定流域侵蚀面积、沉积面积和沉积时间,用塘库泥沙沉积量来推算淤沙模数。在不考虑泥沙输移比或者泥沙输移比已知的前提下,计算流域土壤侵蚀模数。3.4现代原位监测随着现代数据采集、无线传输和数据自动分析技术的发展,现代原位观测成为土壤侵蚀监测发展的新方向。不同于径流小区、侵蚀针等传统原位监测技术,以土壤侵蚀自动监测系统为代表的现代原位监测满足了监测数据时效性和完整性的要求,适应系统化、自动化需求,基于光电探测、无线数据传输和远程控制等技术,集气象、水文、土壤、泥沙、水质数据采集、传输、分析、管理、评价和输出为一体的立体监测平台。四结语土壤侵蚀监测技术众多,不同的方法有其适用的时空尺度和前提。实践证明,三维激光扫描、差分GPS、核素示踪、沉积泥沙反演、自动测量系统等一批新方法和新技术适应土壤侵蚀监测的理论发展和实际需要,具有巨大的潜力,是今后土壤侵蚀监测研究的方向。在选择土壤侵蚀监测方法时,必须根据研究区具体特征(尺度,气候、水文、地形、植被、土地利用等)和任务要求(时间、成本、精度)等综合考虑,选取适当的方法。