专利名称：一种小型冲沟沟头形态及侵蚀量的监测方法
技术领域：
本发明涉及一种沟头形态的测量方法，具体涉及ー种小型冲沟沟头形态及侵蚀量的监测的方法。
背景技术：
我国黄土高原、东北黑土区、金沙江干热河谷区均分布有面积广大的冲沟，冲沟侵蚀量大、切割速度快，不但蚕食耕地，还毁坏道路，加速土地退化进程，冲沟侵蚀研究对江河泥沙控制和地方经济可持续发展意义深远。侵蚀产沙效应是冲沟侵蚀研究的关键ー环，现阶段研究普遍采用小流域泥沙监测的方法进行，但如何定量辨识坡面、沟壁、沟床的侵蚀产沙量，目前尚无简单、可靠的办法。如丁文峰等在发表的《地形测针板在坡面土壤侵蚀研究中的应用”》(中国水土保持，2006 (1):49-51)—文中应用地形测针板结合相关软件做出坡面侵蚀前后的三维立体图，较直观地反映了坡面各不同空间部位的侵蚀量大小，但由于地形测针板本身的局限性(规格小、只能用于宽度小于50cm的室内水槽实验)，还不能应用到野外较大尺度的径流小区土壤侵蚀试验研究中；张鹏等在发表的《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》一文中，应用三维激光扫描法监测坡面沟蚀发育过程，结果表明，激光扫描仪能很好地监测沟蚀演变过程，且对侵蚀量估算精度较高，但由于三维激光扫描仪价格昂贵、对测量人员技术要求高、野外携帯不便，限制其广泛应用。
发明内容
本发明的目的之ー在于提供一种简单、测量准确的冲沟沟头形态及侵蚀量的监测方法。本发明是这样实现的
ー种冲沟沟头形态及侵蚀量的监测方法，包括如下步骤
步骤一、在冲沟沟头集水区两侧径流侵蚀不到的地方各打入两个侵蚀桩，确保侵蚀桩顶端在同一个水平面上；
步骤ニ、将微地貌测量框进行水平摆放，具体摆放方法为
首先，将微地貌测量框摆放到两侵蚀桩之间，并确保微地貌測量框能够覆盖沟床的主要侵蚀区域；
其次，将一条形表面平滑、宽约5cm的不锈钢板放到两侵蚀桩上，当做两侵蚀桩固定的水平面中的一条直线；
再次，用适量的砖头和薄瓷砖将微地貌测量框的四个顶角垫起，直到微地貌测量框上表面紧挨到不锈钢板为止；
最后，用水平尺对微地貌测量框进行调平，直到微地貌测量框的四个边都水平为止；
其中，所述的微地貌测量框，由两层平行固定布置的网格面组成，两层网格面大小和每个网格面的网格数量完全相同，且同一待测点上对应的上下两层网格面上的两个网格，其垂直投影能完全重合。两层网格面之间通过位于网格面边上和角上的支撑柱固定连接；所述网格面是铁制网格面，网格由铁丝组成；所述两层网格面之间的垂直距离为15cm至25cm ;所述网格面为长方形网格面，网格面规格为2mXlm ;所述网格面各边的中点固定连接有两根十字交叉的钢条；钢条托住网格，以防止网格在长期的使用过程中变形；所述网格是正方形网格，网格大小规格为2. 5cmX2. 5cm ；
步骤三、进行沟头微地貌数据的測量
将钢尺垂直插入微地貌测量框的双层网格中，每次测量时钢尺都紧贴网格中的同一个夹角，分别测量冲沟沟头(集水区、沟壁或沟床)地表与微地貌测量框上层框的距离，记为该网格点的Z值；
每个微地貌测量面测量过程中，微地貌测量框最左下点的坐标定为(0、0、Z)，以此类 推，根据每个网格间隔距离和测量过程中取点特征(隔几个网格测I个点)，得到各个网格点的坐标(X、Y、Z)；
步骤四、通过上述測量之后，就能够得到冲沟沟头地表与微地貌測量框之间的高程距离，利用这些测量数据就能够测算出冲沟沟头的形态，利用两次不同时间的測量数据，就能够计算得到该时间段内该冲沟沟头的侵蚀量和地貌变化情況。更进一歩的方案是为了确保侵蚀桩顶端在同一个水平面上，采用如下的方法先固定ー个侵蚀桩，再在另ー侧打入另ー个侵蚀桩，打入的过程中，需要把宽5cm、长度足够的不锈钢板放到两个侵蚀桩顶端上，用水平尺进行调平，直到不锈钢板各个部位的水平角度为零度为止，即可确定两个侵蚀桩的顶端在同一水平面上，该平面作为每次測量时微地貌测量框摆放的參考平面。更进一歩的方案是步骤ニ中，在第一次固定好微地貌测量框后，记录固定位置的记号和数据，包括在微地貌测量框上表面标记其与不锈钢板上边缘接触点的位置，并测量这两个标记到侵蚀桩的距离，根据这两个标记和距离数据固定毎次试验后测量框的位置，确保每次测量的区域相同。更进ー步的方案是所述测算冲沟沟头的形态的具体方法为
①每次测量的地形数据输入Excel表格中，按照微地貌测量框网格顺序和测量过程中取点特征(隔几个网格测I个点)设置测量网格(X，Y，Z)值；
②监测时段集水区、沟壁、沟床土壤侵蚀量的计算，以监测时段起点时沟床地表与微地貌测量框上表层之间的空间体积计算为例
i, Arcgis9. 3 — Tools — Add XY Data,选中要处理的 Excel 数据；
ii, Export Data,生成.shp 数据；
iii, 3D Analyst — Create/Modify Tin —Create Tin From Features,利用上步生成的.shp数据生成带有高程数据的TIN ；
IV, 3D Analyst — Surface Analyst —Area and Volume...,计算沟床地表与微地貌测量框上表面之间的空间体积。同样方法，得到监测时段终点沟床地表与微地貌测量框上表层的空间体积，两体积的差值即为该次监测时段内监测沟床的土壤侵蚀量。应用本发明的方法，可以十分方便地进行小型冲沟沟头形态的监测，且测量结果准确，本发明采用的微地貌測量框结构简单，具有较强的推广应用价值。适合用于野外或室内模拟的小型冲沟沟头的形态监测和土壤侵蚀量计算。尤其是利用微地貌測量框，由于微地貌测量框上下网格面之间设有一定间距、两网格面上的相应网格重叠对齐，保证在测量过程中钢尺垂直接触于待测地表并且不同时间测量的是同一个位置点；并且能够制作測量数据的坐标系统，利用Arcgis软件方便地处理数据，得到试验前后土壤侵蚀量；利用Surfer软件得到冲沟沟头微地貌表面图，更直观地展示微地貌变化。
图I :微地貌测量框结构示意图。图2 :沟床微地貌Excel数据示意图。图3 :微地貌Excel数据导入Arcgis后的示意图。 图4 :微地貌Excel数据转成Arcgis的· shp数据的示意图。图5 :试验前沟床微地貌不规则三角网数据的示意图。图6 :试验前沟床表面与微地貌測量框之间的空间体积查询示意图。图7 :试验如沟床表面图的不意图。图8 :试验后沟床表面图的不意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进ー步的说明。如附图I所示，一种用于小型冲沟沟头形态监测的微地貌測量框，由两层平行固定布置的网格面I和网格面I’组成，两层网格面大小和每个网格面的网格数量完全相同，网格面I和网格面I’通过位于网格面边上和角上的支撑柱2固定连接。所述网格面是铁制网格面，网格由铁丝组成。所述两层网格面之间的垂直距离为15cm至25cm。所述网格面为长方形网格面，网格面规格为2mXlm。所述网格面各边的中点固定连接有两根十字交叉的钢条3。钢条托住网格，以防止网格在长期的使用过程中变形。所述网格是正方形网格，网格大小规格为2. 5cmX2. 5cm。本发明在使用过程中，首先需要对微地貌测量框的位置进行固定，固定采用如下方式
在冲沟沟头集水区两侧(径流侵蚀不到的地方)各打入两个侵蚀桩(一定长度的钢钎)、在沟壁与沟床之间的转折区域两侧各打入ー个侵蚀桩，并确保侵蚀桩顶端在同一个水平面上。侵蚀桩布设的方法是，先固定ー个侵蚀桩，再在另ー侧打入另ー个侵蚀桩，打入的过程中，需要把一条表面平滑、宽约5cm的不锈钢板放到两个侵蚀桩顶端上，用水平尺进行调平，直到不锈钢板各个部位的水平角度为零度为止，即可确定两个侵蚀桩的顶端在同一水平面上，该平面作为每次測量时微地貌测量框摆放的參考平面。侵蚀桩固定好以后，进行微地貌测量框的摆放。首先，将微地貌测量框摆放到两侵蚀桩之间，并确保微地貌測量框能够覆盖沟床的主要侵蚀区域；
其次，将不锈钢板放到两侵蚀桩上，当做两侵蚀桩固定的水平面中的一条直线；
再次，用适量的砖头和薄瓷砖将微地貌测量框的四个顶角垫起，直到微地貌测量框上表面紧挨到不锈钢板为止；
最后，用水平尺对微地貌测量框进行调平，直到微地貌测量框的四个边都水平为止，在此过程中微地貌测量框四个顶角处砖头和瓷砖的高度根据需要进行增加或減少。第一次固定好微地貌测量框后，记录固定位置的记号和数据，包括在微地貌測量框上表面标记其与不锈钢板上边缘(或下边缘)接触点的位置，并测量这两个标记到侵蚀桩(外边缘或内边缘)的距离，根据这两个标记和距离数据固定毎次试验后测量框的位置，确保每次测量的区域相同。在微地貌测量框固定好之后，进行沟头微地貌数据的測量。冲沟沟头形态数据的测量利用钢尺进行。钢尺垂直插入微地貌测量框的网格中(为确保钢尺测量时始终垂直于待测表面，需要将钢尺毎次测量时都紧贴网格中的同一个夹角)，分别测量冲沟沟头集水区(沟壁或沟床)表面与微地貌测量框上层框的距离，记为该网格点的Z值。每个微地貌测量面(集水区、沟壁或沟床)测量过程中，微地貌测量框最左下点的坐标定为(0、0、Z)，以此类推，根据每个网格间隔距离和测量过程中取点特征(隔几个网格测I个点)，得到各个网格点的坐标(Χ、γ、ζ)。需要注意的是，要保证在测量过程中，每个网格的測量位置(如左下角或右上角)必须相同。通过上述測量之后，就能够得到冲沟沟头地表与微地貌測量框之间的高程距离，利用这些测量数据就能够测算出冲沟沟头的形态，利用两次不同时间的測量数据，就能够计算得到该时间段内该冲沟沟头的侵蚀量和地貌变化情況。具体的计算过程可以參考如下方式
①每次测量的地形数据输入Excel表格中，按照微地貌测量框网格顺序设置测量网格(X，Y，Z)值，如附图2所示；
监测时段沟头土壤侵蚀量的计算，以监测时段起点时沟床地表与微地貌测量框上表层之间的空间体积计算为例
i,Arcgis9.3— Tools (工具栏)一Add XY Data,选中要处理的Excel数据，如附图3所示；
ii, Export Data (使数据成为.shp数据),如附图4所示；
iii,3DAnalyst (工具栏)一Create/Modify Tin — Create Tin From Features,利用上步生成的.shp数据生成带有高程数据的TIN (不规则三角网)，如附图5所示；
iv,3D Analyst — Surface Analyst —Area and Volume...,计算该沟床地表距离微地貌测量框上表面之间空间的体积，如附图6所示。同样方法，得到监测时段终点沟床地表与微地貌测量框上表层的空间体积，两体积的差值即为该次监测时段内监测沟床的土壤侵蚀量。 另外，可以应用Surfer软件处理形态数据，生成沟床微地貌表面图，如图7、图8所示。从图中看出沟床表面变化较剧烈，已经被径流冲刷出沟道。
权利要求
1.ー种小型冲沟沟头形态及侵蚀量的监测方法，其特征在于包括如下步骤 步骤一、在冲沟沟头集水区两侧径流侵蚀不到的地方各打入两个侵蚀桩，确保侵蚀桩顶端在同一个水平面上； 步骤ニ、将微地貌测量框进行水平摆放，具体摆放方法为 首先，将微地貌测量框摆放到两侵蚀桩之间，并确保微地貌測量框能够覆盖沟床的主要侵蚀区域； 其次，将不锈钢板放到两侵蚀桩上，当做两侵蚀桩固定的水平面中的一条直线； 再次，用砖头和瓷砖将微地貌测量框的四个顶角垫起，直到微地貌测量框上表面紧挨到不锈钢板为止； 最后，用水平尺对微地貌测量框进行调平，直到微地貌测量框的四个边都水平为止； 其中，所述的微地貌测量框，由两层平行固定布置的网格面组成，两层网格面大小和每个网格面的网格数量完全相同，两层网格面上对应两个网格的垂直投影能完全重叠，网格面和网格面通过位于网格面边上和角上的支撑柱固定连接；所述网格面是铁制网格面，网格由铁丝组成；所述两层网格面之间的垂直距离为15cm至25cm ;所述网格面为长方形网格面，网格面规格为2mX Im ;所述网格面上各边中点固定连接有两根十子交叉的钢条；钢条托住网格，以防止网格在长期的使用过程中变形；所述网格是正方形网格，网格大小规格为2. 5cmX 2. 5cm ； 步骤三、进行沟头微地貌数据的測量 将钢尺垂直插入微地貌测量框的网格中，钢尺每次测量时都紧贴网格的同一个角，分别测量冲沟沟头(集水区、沟壁或沟床)地表与微地貌測量框上层框之间的距离，记为该网格点的Z值； 每个微地貌测量面测量过程中，最左下点的坐标定为(0、0、Z)，以此类推，根据每个网格间隔距离和测量过程中取点特征(隔几个网格测I个点)，得到各个网格点的坐标(X、Y、Z)； 在测量过程中，每个网格的測量位置相同； 步骤四、通过上述測量之后，就能够得到冲沟沟头地表与微地貌測量框之间的高程距离，利用这些测量数据就能够测算出冲沟沟头的形态，利用两次不同时间的測量数据，就能够计算得到该时间段内该冲沟沟头的侵蚀量和地貌变化情況。
2.根据权利要求I所述小型冲沟沟头形态及侵蚀量的监测方法，其特征在于为了确保侵蚀桩顶端在同一个水平面上，采用如下的方法先固定ー个侵蚀桩，再在另ー侧打入另ー个侵蚀桩，打入的过程中，需要把一条表面平滑、宽约5cm的不锈钢板放到两个侵蚀桩顶端上，用水平尺进行调平，直到不锈钢板各个部位的水平角度为零度为止，即可确定两个侵蚀桩的顶端在同一水平面上，该平面作为每次測量时微地貌测量框摆放的參考平面。
3.根据权利要求I所述小型冲沟沟头形态及侵蚀量的监测方法，其特征在于步骤ニ中，在第一次固定好微地貌测量框后，记录固定位置的记号和数据，包括在微地貌测量框上表面标记其与不锈钢板上边缘的接触点，并测量这两个标记到侵蚀桩的距离，根据这两个标记和距离数据固定毎次试验后测量框的位置，使得每次测量的区域相同。
4.根据权利要求I所述小型冲沟沟头形态及侵蚀量的监测方法，其特征在于所述计算出冲沟沟头的形态的计算方法为①每次测量的地形数据输入Excel表格中，按照微地貌测量框网格顺序和测量过程中取点特征(隔几个网格测I个点)设置测量网格(X，Y，Z)值； ②监测时段集水区、沟壁、沟床土壤侵蚀量的计算，以监测时段起点时沟床地表与微地貌测量框上表面之间的空间体积计算为例 i，Arcgis9.3— Tools — Add XY Data，选中要处理的 Excel 数据; ii，Export Data，生成· shp 数据；iii，3D Analyst — Create/Modify Tin — Create Tin From Features，利用上步生成的.shp数据生成带有高程数据的TIN ； , 3D Analyst — Surface Analyst — Area and Volume···，计算该沟床地表距离微地 貌测重椎上表面之间的体积； 同样方法，得到监测时段终点沟床地表与微地貌测量框上表层的空间的体积，两体积的差值即为该次监测时段内监测沟床的土壤侵蚀量。
全文摘要
本发明涉及一种小型冲沟沟头形态及侵蚀量的监测方法，包括如下步骤步骤一、在冲沟沟头集水区两侧径流侵蚀不到的地方各打入两个侵蚀桩，确保侵蚀桩顶端在同一个水平面上；步骤二、将微地貌测量框进行水平摆放；步骤三、进行沟头微地貌数据的测量；步骤四、通过上述测量之后，就能够得到微地貌测量面与微地貌测量框之间的高程距离，测算出冲沟沟头的形态，利用两次不同时间的测量数据，就能够计算得到该时间段内该冲沟沟头的侵蚀量和地貌变化情况。应用本发明的方法，可以十分方便地进行冲沟沟头形态的监测，且测量结果准确，本发明采用的微地貌测量框结构简单，具有较强的推广应用价值。适合用于野外或室内模拟的小型冲沟沟头的形态监测和土壤侵蚀量计算。
文档编号G01C15/00GK102661741SQ201210127520
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者李佳佳, 杨丹, 熊东红, 翟娟, 苏正安, 董一帆 申请人:中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所