坡面侵蚀过程及其微地形演变的试验和元胞模拟研究

摘要

坡面侵蚀是流域水土流失的重要原因之一。研究坡面侵蚀过程中水沙要素变化规律及相应坡面地形的演化过程，是土壤侵蚀研究中的关键科学问题。自然条件下，坡面侵蚀过程受到地形、土壤特性、植被、气候乃至人类活动等多种因素的影响。而由于上述影响因素的时空变异性、不均一性及多层次反馈机制(如：水流侵蚀-土壤抗蚀-地形演变-水流侵蚀特性改变)，使得坡面侵蚀成为一个非线性的复杂动力学过程。要对这一过程进行研究，较为有效的研究手段是利用物理模型试验对该过程中的各要素进行详细测量，以获取坡面侵蚀系统中的输入条件(如冲刷流量等)与输出结果(如含沙量过程及坡面侵蚀地形)之间的动力学关系。此外，通过引入适当的非线性模拟方法，刻画坡面侵蚀过程中的多层次反馈机制及宏观上所表现出的侵蚀过程和坡面地形演变规律，也是坡面侵蚀理论研究的重要研究途径。
　　本研究首先在试验土槽中，对5种流量和5种坡度工况组合情况下的坡面侵蚀过程进行试验研究，观察在径流冲刷作用下坡面微地形的演变过程，同时记录相应过程中水力学及泥沙要素的时间变化情况。并以此为依据，分析了后者变化与前者演变之间的内在联系。
　　在坡面微地形演变研究部分，为快速获取关键时间节点上的全坡面地形三维信息，引入了基于单反数码相机近景摄影量测技术，根据计算机双目视觉的三维重构方法提取坡面径流侵蚀后的坡面三维地形，其中同名点匹配和镜头畸变处理过程直接影响空间特征点三维重建的精度。该方法克服了传统方法无法瞬时获得坡面高精度三维地形以及三维激光扫描仪试验成本过高的问题，为坡面侵蚀三维地形演变及后续分析提供了重要的研究手段。
　　理论研究方面，在分析和对比现有坡面侵蚀模型的基础上，将元胞模拟方法引入到侵蚀模型的构建中。利用元胞方法“自下而上”的研究思路，在与坡面侵蚀空间对应的元胞空间上，制定包括径流流路规则、纵向沟道生成规则、纵向沟道展宽规则、沟道横向袭夺规则等在内的元胞互作用机制，通过程序使元胞在上述规则作用下不断迭代从而完成由“简单的局部作用”到“复杂的宏观现象”的模拟过程。模拟结果表明，元胞方法用于坡面土壤侵蚀模拟，能够较好地反映侵蚀过程，特别是坡面微地形的宏观演变规律，在对模型参数及作用规则进一步细化后，可以作为坡面侵蚀模拟的有力工具。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 坡面试验研究

1.2.2 土壤侵蚀模型研究

1.2.3 元胞自动机方法研究

1.3 研究的内容与方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 坡面侵蚀物理试验

2.1 试验设计及试验方法

2.1.1 试验设计及试验装置

2.1.2 试验观测内容及试验方法

2.2 试验结果及分析

2.2.1 坡面流速沿程变化规律

2.2.2 坡面侵蚀试验中含沙量变化规律

2.2.3 坡面侵蚀过程中坡面地形形态变化

3 摄影三维重构及其在坡面侵蚀地形提取中的应用

3.1 数码相机成像原理

3.1.1 数码相机成像模型

3.1.2 数码相机镜头畸变

3.2 照相机参数标定

3.2.1 数码相机标定内容

3.2.2 相机参数标定的方法

3.3 基于双目视觉的三维重构方法

3.3.1 三维空间点与图片像点的几何关系

3.3.2 相片特征点的匹配

3.4 三维重构的实例应用

3.4.1 坡面试验特征点重构

3.4.1 坡面地形点云数据的生成

4 元胞自动机理论与坡面元胞模型

4.1 坡面侵蚀微地形演变的元胞模型

4.1.1 元胞模型及其坡面侵蚀模拟概述

4.1.2 模型流程

4.1.3 概化模型及元胞空间

4.1.4 坡面侵蚀的元胞作用规则

4.2 坡面侵蚀微地形的元胞演化结果

4.2.1 坡面微地形演变过程

4.2.2 不同初始非均匀性的演化最终地形的横向对比

4.3 模拟结果的认识

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目目录

致谢

参考文献