信息化技術(shù)在崩崗研究中的應(yīng)用進(jìn)展

劉 星 ，王石英，袁再健，鄭明國，廖義善，黃 斌，謝真越

(1.四川師范大學(xué) 地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610066；2.廣東省科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省面源污染防治工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510650；3.梅州市國際水土保持研究院，廣東 梅州 514000)

隨著科技的快速發(fā)展，信息化技術(shù)被應(yīng)用到水土保持監(jiān)測、監(jiān)督管理及治理等方面。崩崗是我國南方低山丘陵區(qū)特殊的水土流失地貌，崩崗侵蝕對區(qū)域居民居住、糧食生產(chǎn)、生態(tài)安全等構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。國外學(xué)者利用信息化技術(shù)對一些與崩崗類似的侵蝕地貌開展了研究。20世紀(jì)90年代以來，隨著遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)的快速發(fā)展，“3S”技術(shù)開始應(yīng)用于崩崗的相關(guān)研究。如，李昊潔、林敬蘭、謝頌華等[1-3]運(yùn)用“3S”技術(shù)基于不同空間分辨率遙感影像進(jìn)行了崩崗提取，分析了崩崗與地質(zhì)間的關(guān)系及崩崗的空間分布特征等。但由于崩崗侵蝕的復(fù)雜性，使用遙感技術(shù)進(jìn)行崩崗提取時(shí)，遙感數(shù)據(jù)的類型、分辨率、分類方法等對崩崗提取精度的影響還有待進(jìn)一步研究。近年來，無人機(jī)(UAV)也被應(yīng)用于崩崗研究中。如，梁釗雄、沈盛彧[4-5]等使用無人機(jī)技術(shù)開展了崩崗空間分布特征、崩崗調(diào)查方法等相關(guān)研究。另外，劉希林等[6]利用三維激光掃描技術(shù)對崩崗侵蝕進(jìn)行了定量研究。鑒于各種信息技術(shù)的特殊性與適用范圍，有必要對以上信息化技術(shù)在崩崗研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)梳理，并提出今后信息化技術(shù)在崩崗研究中的優(yōu)先方向，以期為未來崩崗研究提供技術(shù)支持。

1 崩崗研究信息化技術(shù)

學(xué)者們對崩崗的土體特性、裂隙發(fā)育、節(jié)理構(gòu)造、外部降雨、干濕循環(huán)條件及治理措施等進(jìn)行了廣泛的研究[7-8]。初期對崩崗形態(tài)及侵蝕量的測量，大多采用傳統(tǒng)的測量方法，即采用全站儀或經(jīng)緯儀對圖根控制點(diǎn)和碎部點(diǎn)進(jìn)行測量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。崩崗區(qū)地勢起伏大，地形復(fù)雜，常規(guī)測量中難以設(shè)置經(jīng)緯儀或全站儀進(jìn)行水準(zhǔn)測量，且有些崩崗植被太過茂盛不能通視，測量效果不好。近年來，隨著信息化技術(shù)飛速發(fā)展，相關(guān)學(xué)者逐漸將信息化技術(shù)應(yīng)用于崩崗研究中。RS技術(shù)在獲取宏觀信息方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，通過遙感進(jìn)行地學(xué)分析、解譯調(diào)查和制圖可以準(zhǔn)確快速查明區(qū)域崩崗侵蝕現(xiàn)狀。采用無人機(jī)低空飛行可得到高精度的崩崗研究區(qū)影像數(shù)據(jù)，與傾斜攝影技術(shù)結(jié)合后可以構(gòu)建崩崗三維模型，監(jiān)測崩崗地形的局部變化特征。GPS可由基準(zhǔn)站發(fā)送數(shù)據(jù)，用戶接收并對其測量結(jié)果進(jìn)行改正，獲得精確的崩崗定位?；谌S激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，也可構(gòu)建崩崗三維模型，分析地形地貌變化。此外，在崩崗研究中，GIS可用于地理數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和空間分析等，具有顯著優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)的研究手段，信息化技術(shù)在時(shí)空信息快速獲取、有效管理、實(shí)時(shí)分析等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。崩崗作為自然環(huán)境及人類活動(dòng)共同作用下的復(fù)雜侵蝕地貌，其本身就具有明顯的空間不確定性和地理復(fù)雜性特點(diǎn)，這為信息化技術(shù)應(yīng)用于崩崗研究提供了廣闊空間。

2 信息化技術(shù)在崩崗研究中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 RS技術(shù)在崩崗研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，RS技術(shù)應(yīng)用于崩崗研究還相對單一。常用遙感影像數(shù)據(jù)來提取崩崗點(diǎn)位、面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)源是Word View-3高分辨率遙感影像[9-10]。李昊潔等[1]分別使用0.6 m的QuickBird、2.5 m的ALOS、10.0 m的ALOS三種分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行崩崗信息解譯，研究表明：0.6 m空間分辨率影像用于提取崩崗數(shù)據(jù)很容易，且重現(xiàn)性較好；2.5 m分辨率影像可以提取崩崗數(shù)據(jù)，但重現(xiàn)性不強(qiáng)；10.0 m分辨率影像則無法提取崩崗數(shù)據(jù)?？梢姡b感數(shù)據(jù)的空間分辨率決定著能否準(zhǔn)確地提取崩崗信息數(shù)據(jù)。相關(guān)學(xué)者將RS和GIS技術(shù)相結(jié)合對崩崗開展研究，利用RS技術(shù)建立崩崗遙感信息圖譜，通過人機(jī)交互目視解譯獲取崩崗信息，構(gòu)建崩崗編目數(shù)據(jù)庫，提取研究區(qū)的植被指數(shù)、坡度等指標(biāo)來評價(jià)崩崗的危險(xiǎn)性，分析影響崩崗侵蝕發(fā)育的關(guān)鍵因子，使用RS技術(shù)和GIS平臺選取高程因子、坡度因子、坡向因子、土壤因子、地質(zhì)因子等構(gòu)建崩崗敏感性評價(jià)空間信息管理系統(tǒng)[9-12]。總而言之，RS技術(shù)應(yīng)用于崩崗研究時(shí)，主要是用來獲取大范圍的崩崗區(qū)植被、土壤等因子或建立崩崗解譯標(biāo)志，從而進(jìn)行人機(jī)交互目視解譯，提取崩崗信息。

遙感技術(shù)發(fā)展至今，遙感自動(dòng)化、半自動(dòng)化數(shù)據(jù)提取技術(shù)有了長足發(fā)展，如何將其用來高效提取崩崗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是急需重視的研究方向。隨著我國衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，高分系列衛(wèi)星提供的高分辨率影像數(shù)據(jù)逐漸被應(yīng)用于崩崗研究[12]，這為今后崩崗數(shù)據(jù)提取提供了優(yōu)質(zhì)的影像。崩崗主要發(fā)生在我國南方，南方多雨多云等特點(diǎn)影響衛(wèi)星的對地觀測，而合成孔徑雷達(dá)(SAR)遙感自身具有的全天候、全天時(shí)、高分辨率、多極化、大幅度和有一定的地表穿透能力等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于崩崗研究。遙感圖像的崩崗數(shù)據(jù)提取方法，除常用的人工目視解譯方法和基于光譜特性分類方法外，采用綜合閾值法、專家系統(tǒng)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法等可以有效地減少誤分、漏分，從而提高分類精度。

2.2 GPS技術(shù)在崩崗研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

采用GPS定位技術(shù)，可以獲得高精度的定位。差分GPS法是目前崩崗研究中比較常用的一種方法。差分GPS的配置一般有基準(zhǔn)站、移動(dòng)站、基準(zhǔn)站電臺、手簿和兩臺GPS接收機(jī)。謝頌華等[3]采用GPS RTD技術(shù)對江西省的崩崗侵蝕進(jìn)行了調(diào)查。RTD(Real-Time Differential)是指實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)碼相位差分技術(shù)，精度在1～5 m，其彌補(bǔ)了單純使用手持機(jī)定位崩崗邊界精度不足15 m的問題。相關(guān)學(xué)者利用GPS RTK技術(shù)對崩崗進(jìn)行了調(diào)查研究[13-16]。RTK(Real-Time Kinematic)指載波相位差分技術(shù)，是一種處理兩個(gè)測點(diǎn)載波相位觀測量的實(shí)時(shí)差分方法，實(shí)時(shí)提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系下厘米級精度的三維定位結(jié)果。學(xué)者們利用GPS RTK定位技術(shù)獲取崩崗點(diǎn)位坐標(biāo)、數(shù)量及面積數(shù)據(jù)，研究崩崗空間分布、崩崗侵蝕特征等，以及洪積扇的基本理化性質(zhì)和洪積扇不同位點(diǎn)的養(yǎng)分分布情況，同時(shí)結(jié)合GIS技術(shù)對監(jiān)測調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫對崩崗數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和統(tǒng)計(jì)。研究表明，GPS RTK技術(shù)保證了崩崗數(shù)據(jù)的傳輸效率、范圍及定位的精準(zhǔn)性。謝金波等[17]在五華縣烏陂河小流域內(nèi)選取3條典型崩崗，利用GPS工具及人工插扦打樁觀測法進(jìn)行了侵蝕速率監(jiān)測，分別對溝頭后退、溝岸擴(kuò)張、溝床下切、崩積錐再侵蝕及洪積扇的擴(kuò)增等進(jìn)行了觀測試驗(yàn)；林敬蘭等[18]在手持GPS接收機(jī)的支持下，采用普查和典型調(diào)查相結(jié)合的方法進(jìn)行了崩崗侵蝕調(diào)查；李雙喜等[19]采用GPS和GIS技術(shù)手段，通過巖性、土壤、地形、降雨、氣溫等自然因子對崩崗分布數(shù)量的影響進(jìn)行了分析。從以上可以看出，崩崗研究中GPS技術(shù)主要是用于崩崗的定位和面積、高程及邊界的獲取，同時(shí)隨著研究的推進(jìn)，GPS技術(shù)和多種方法結(jié)合使用的情況更多。

GPS與RTK、RTD等技術(shù)整合雖然可以更準(zhǔn)確地獲取崩崗地形變化和各侵蝕量信息，擁有全天候工作、定位精度高等優(yōu)勢，但是不適合高危地形。伴隨全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(shù)(GNSS)的逐步成熟，其在地質(zhì)災(zāi)害研究方面得到了廣泛應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)而言，GNSS主要利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)為地質(zhì)災(zāi)害研究提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[20]，提供全天候、高精度的位置、速度和時(shí)間信息。今后GNSS的使用可進(jìn)一步推進(jìn)崩崗研究。

2.3 GIS技術(shù)在崩崗研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

崩崗數(shù)據(jù)與信息分析涉及空間分析和信息管理系統(tǒng)建立，大多基于GIS平臺。劉瑞華[21]提出應(yīng)用GIS技術(shù)建立崩崗信息系統(tǒng)，對崩崗進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)測和管理。更多的學(xué)者[2,15,22-24]利用GIS技術(shù)對崩崗進(jìn)行定位、邊界確定和對地質(zhì)等因子與崩崗侵蝕的關(guān)系及空間分布進(jìn)行分析等。通過GIS技術(shù)勾畫崩崗邊界，可以將崩崗侵蝕從形態(tài)上歸類于學(xué)者們劃分的條形、瓢形、混合型等類型；還可將地質(zhì)圖和數(shù)字高程模型與崩崗分布圖進(jìn)行疊加分析，探討崩崗侵蝕的地質(zhì)地貌背景對崩崗發(fā)育的影響。利用GIS技術(shù)進(jìn)行了降雨、巖性對崩崗侵蝕影響的研究，并開展了空間關(guān)系分析，得出崩崗密度隨年平均降雨量、海拔和面積高程積分值的增加呈先增加后減小等結(jié)論。以上主要應(yīng)用了GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)編輯功能、疊加分析技術(shù)對崩崗進(jìn)行相關(guān)研究。溫美麗等[25]利用GIS技術(shù)與人工兩種方法對比驗(yàn)證崩崗分布及坡向選擇性問題，結(jié)果表明各坡向崩崗數(shù)量和面積采用GIS和人工兩種方法計(jì)算存在誤差，且崩崗分布均是陽坡多于陰坡，南坡多于北坡。杜贇、張鐵洋等[26-27]采用CORS-RTK動(dòng)態(tài)測量結(jié)合GIS空間分析的方法，對崩崗的形態(tài)、坡度、后退量等參數(shù)進(jìn)行了定量測量，并通過比較不同時(shí)相的崩崗數(shù)據(jù)結(jié)果監(jiān)測崩崗侵蝕變化。綜上，GIS技術(shù)在崩崗研究中的應(yīng)用主要還是集中在數(shù)據(jù)的空間分析上，常使用疊加分析方法。

在今后的研究中可以使用GIS技術(shù)對崩崗進(jìn)行二維和三維的研究，進(jìn)一步拓展二三維一體化崩崗數(shù)據(jù)模型，融合傾斜攝影、激光點(diǎn)云等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，推動(dòng)三維GIS實(shí)現(xiàn)崩崗宏觀微觀一體化等。

2.4 無人機(jī)技術(shù)在崩崗研究的應(yīng)用現(xiàn)狀

無人機(jī)是未來網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的空中移動(dòng)智能體，無人機(jī)遙感技術(shù)則是無人機(jī)應(yīng)用最重要的引領(lǐng)性產(chǎn)業(yè)。梁釗雄、沈盛彧、江學(xué)頂?shù)萚4-5,28-29]利用無人機(jī)航拍影像作為崩崗調(diào)查區(qū)域的數(shù)據(jù)源，和GIS技術(shù)結(jié)合重建出三維崩崗地貌，生成數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和三維模型，利用虛擬三維模型量測和人機(jī)交互判讀完成崩崗調(diào)查工作，并進(jìn)一步對崩崗空間分布規(guī)律進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)證明無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的質(zhì)量能夠滿足崩崗信息提取的基本要求，與傳統(tǒng)調(diào)查方法相比時(shí)效性更高、更方便、成本更低。李紹鑫[30]對運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)-多視點(diǎn)匹配攝影測量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)后在野外原位崩崗研究區(qū)進(jìn)行崩崗監(jiān)測，相較于改進(jìn)前的攝影測量技術(shù)，改進(jìn)后可以更精準(zhǔn)地得到崩崗細(xì)部數(shù)據(jù)。江學(xué)頂、周小荃等[28,31]利用無人機(jī)傾斜航空攝影技術(shù)對崩崗進(jìn)行了多方位多角度監(jiān)測，在ArcGIS中計(jì)算崩崗侵蝕量變化找到侵蝕嚴(yán)重部位，并進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測，研究崩崗在空間上的變化特征。綜上，無人機(jī)攝影測量技術(shù)可利用空中視角對崩崗研究區(qū)進(jìn)行全方位地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的收集，構(gòu)建崩崗三維模型分析崩崗地形變化情況。

近幾年，無人機(jī)技術(shù)在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。相較于航空遙感監(jiān)測存在的周期長和精度較低等問題，無人機(jī)技術(shù)在小范圍數(shù)據(jù)收集方面具有顯著優(yōu)勢，所以其在小范圍崩崗侵蝕地貌監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際使用價(jià)值。

2.5 三維激光掃描技術(shù)在崩崗研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

三維激光掃描技術(shù)是繼GPS之后出現(xiàn)的又一次革命性測繪技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量。三維激光掃描儀采用激光脈沖作為測量介質(zhì)，可高效采集大量三維點(diǎn)，快速重構(gòu)三維點(diǎn)云模型。劉希林和張大林[6,32-34]利用三維激光掃描技術(shù)開展了大量崩崗研究。他們利用Leica ScanStation 2三維激光掃描儀，對五華縣一處崩崗進(jìn)行了連續(xù)3年共6次激光掃描監(jiān)測，分析崩崗侵蝕量、侵蝕強(qiáng)度、侵蝕地貌變化、溝道侵蝕發(fā)育、溝道走向?qū)ζ旅婧推孪虻闹厮茏饔玫?，得到崩崗中下部位侵蝕強(qiáng)度高于上部，溝道侵蝕是崩崗流域主要侵蝕方式之一，溝道走向?qū)Ρ缻徠旅娴钠孪虬l(fā)育具有控制作用，崩積錐土體松散，在片流和股流的作用下極易使崩崗出現(xiàn)侵蝕等成果。

使用三維激光掃描技術(shù)對崩崗進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測不但可以得到定量的崩崗侵蝕量及地形變化信息，還可以探究侵蝕泥沙的來源及精細(xì)化的空間形態(tài)特征，是應(yīng)用于崩崗監(jiān)測比較理想的信息化技術(shù)。但其作為地面近景掃描很難固定掃描位置完成持續(xù)長期的掃描任務(wù)，同時(shí)仍存在有掃描死角、數(shù)據(jù)處理煩瑣、結(jié)果校驗(yàn)困難、儀器價(jià)格高和不方便攜帶等問題。

3 總結(jié)與展望

崩崗侵蝕是南方侵蝕強(qiáng)度最大且侵蝕機(jī)理復(fù)雜的侵蝕類型，信息化技術(shù)是現(xiàn)今應(yīng)用廣泛、高效、節(jié)省財(cái)力物力的有效技術(shù)方法，相關(guān)學(xué)者使用信息化技術(shù)對崩崗侵蝕進(jìn)行了大量的研究。無人機(jī)遙感影像和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是當(dāng)前小范圍崩崗研究中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要獲取方式，GIS技術(shù)主要用于崩崗數(shù)據(jù)的空間分析和三維模型構(gòu)建。就目前信息化技術(shù)在崩崗上的應(yīng)用研究來說，尚處于初始階段，還有很大的探索空間：

(1)如何運(yùn)用遙感分類技術(shù)進(jìn)行崩崗提取是當(dāng)前崩崗研究的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，也是目前學(xué)者們關(guān)注比較少的方向。針對崩崗發(fā)生的條件和發(fā)生后在影像上的表現(xiàn)情況，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行崩崗遙感提取是今后研究的一個(gè)重要方向。

(2)隨著信息化技術(shù)的發(fā)展及相互融合，可構(gòu)建“天地空一體化”崩崗監(jiān)測信息系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可對崩崗進(jìn)行全國全域監(jiān)測研究，是崩崗研究需要深入探索的問題之一。

(3)當(dāng)前信息化技術(shù)主要應(yīng)用于研究崩崗發(fā)生后的地貌形態(tài)變化、空間分布等，雖然學(xué)者們對崩崗的誘因也進(jìn)行了較多研究，但至今還未有明確的證據(jù)來證明各誘因的準(zhǔn)確性，因此信息化技術(shù)可為崩崗誘因研究提供一種方便而強(qiáng)大的方式。