基于点云数据的黄土坡面微地形曲面重构

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作为研究地表径流和土壤侵蚀过程的重要因子,微地形通过空间各点相对高程的变化与消长影响着径流的产生、流向,进而影响侵蚀类型的演变。为了高度定量化描述这一变化,需获取更精确的微地形DEM模型,这对于揭示黄土耕作坡面微地形土壤侵蚀机理具有重要的数据基础意义。目前,针对点云数据的黄土坡面微地形曲面重构和动态模拟的研究较少,且基于NURBS曲面重构DEM模型的应用仍处于探索阶段。为此,本文基于三维激光扫描仪获取60 mm/h雨强下、不同坡度(5°、10°、20°)等高耕作措施微地形水蚀发育各阶段黄土坡面高精度点云数据,探究了微地形NURBS曲面重构DEM过程中数据简化、最优移动分析窗口和地表糙度计算,并与IDW、Natural Neighbor和Kriging插值所生成的DEM精度进行了比较,最终获得黄土坡面微地形最佳DEM模拟方法与简化条件。主要结论如下:(1)微地形点云数据简化坡度对于点云数据的简化率和曲面创建时间有所影响。5°和10°坡下,当最小包围盒边长Lmin为4 mm时,点云数据简化率达70%左右,创建曲面时间2min,且不随Lmin的增大而改变;20°坡下,当Lmin=5 mm时,点云数据简化率达87%左右,创建曲面时间2min,且不随Lmin的增大而改变;Lmin为4-6 mm时,点云数据对于耕作措施和侵蚀沟等特征的呈现比较明显。(2)微地形曲面重构在任一坡度下,Lmin为4-6 mm时,微地形NURBS曲面对于耕作措施和侵蚀发育过程的展示非常清晰;当Lmin≦8 mm时,NURBS方法构建微地形DEM精度最佳;Lmin≧9 mm时,精度略有所降低。(3)地表三维形貌精度评价局部区域精度验证中,移动分析窗口越大,限定区域内所计算均方根高度和偏斜度越小,即当移动分析窗口为16×16时,对于误差控制和侵蚀状况的描述能力越强;当Lmin=5 mm时,偏斜度和陡度的值越接近于Lmin为1 mm时的取值。(4)微地形地表糙度基于NURBS曲面构建的DEM可用于微地形地表糙度特征值的评价。NURBS-DEM计算的地表糙度与Lmin的线性方程拟合度高于Kriging-DEM,表明NURBS方法较传统插值算法略优;采用表面线法计算地表糙度与Lmin的线性方程拟合度高于面积投影法,表明在微地形地表糙度计算时,表面线法不仅更趋稳定,而且在各侵蚀发育阶段变化更加明显,计算也更简便。基于八叉树法的点云数据简化和NURBS方法创建的DEM,有利于为微地形水蚀过程的量化提供更精确的模型数据。本文利用八叉树法对降雨前后获取的高精度点云数据进行简化研究,运用NURBS曲面拟合的方法获取较高精度DEM;同时,通过DEM模拟最优方法比较、局部区域精度评价和地表糙度的计算,以验证NURBS方法的优劣,最终获得黄土坡面微地形最佳DEM模拟方法与简化条件,对在微地形层面进一步揭示黄土耕作坡面土壤侵蚀机理具有重要指导意义。
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