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在地形复杂的黄土丘陵沟壑区，高分辨率数字高程模型（DEMs）对侵蚀建模至关重要，但不同高分辨率对其结果影响不明。研究人员用无人机 LiDAR 获取不同分辨率 DEMs，借助 WaTEM/SEDEM 模拟。结果显示，分辨率变化影响地形因子和侵蚀模拟。该研究助力精准侵蚀建模。
土壤侵蚀是全球面临的严峻环境问题，在地形复杂的区域，如黄土丘陵沟壑区，情况更为严重。水蚀是主要的侵蚀类型，地形在其中起着关键作用。地形影响着径流的方向和动力，进而左右着土壤侵蚀、搬运和沉积的整个过程。因此，准确刻画地形对于理解和模拟侵蚀动态十分关键。
数字高程模型（DEM）为描述地表形态和推导地形变量提供了有力工具。然而，以往研究大多使用分辨率大于 30m 的开源数据库 DEM，这种低分辨率数据容易忽略复杂地形环境中的精细地形变化。随着激光雷达（LiDAR）技术和无人机（UAV）摄影测量技术的发展，获取高分辨率（<10m）DEM 变得更为容易，但高分辨率 DEM 对侵蚀建模结果的影响尚不明确。
在众多侵蚀模型中，通用土壤流失方程（USLE）及其变体虽能研究 DEM 分辨率对侵蚀建模结果的影响，但常忽略泥沙输移和沉积的空间变异性。基于物理过程的模型，如 Water Erosion Prediction Project（WEPP）、Soil and Water Assessment Tool（SWAT）和 LImburg Soil Erosion Model（LISEM）等，虽能考虑这些过程，但往往需要大量数据和校准。而 Water and Tillage Erosion Model and Sediment Delivery Model（WaTEM/SEDEM）将修正通用土壤流失方程（RUSLE）与空间分布式泥沙输移方程相结合，在简单性和复杂性之间取得了较好平衡。不过，关于 DEM 分辨率对 WaTEM/SEDEM 模拟结果影响的研究较少，尤其是基于无人机 LiDAR 获取的高分辨率 DEM 的研究更为缺乏。
为了解决这些问题，来自国内的研究人员针对黄土丘陵沟壑区这一复杂地形环境，开展了关于高分辨率 DEM 变化对土壤侵蚀、泥沙沉积和泥沙产量估计建模影响的研究。该研究成果发表在《CATENA》上，为深入理解地形与侵蚀的关系提供了重要依据。
研究方法
研究人员首先利用无人机摄影测量（UAV-P）和无人机 LiDAR 技术获取高分辨率（0.1m×0.1m）正射影像和 DEM。通过两次无人机 LiDAR 测量数据，采用差分数字高程模型（DoD）方法计算侵蚀和泥沙沉积量，以此作为验证数据。
研究结果
- 对坡度的影响：随着 DEM 分辨率变粗，桥沟流域和沟壑坡度的平均坡度总体呈下降趋势，山坡坡度变化相对较小，渠道平均坡度则先呈某种趋势变化，整体也呈下降趋势。在分辨率为 5m 至 20m 的 DEM 中，坡度大于 60° 的区域几乎不存在，表明分辨率变粗使地形看起来更平滑，导致坡度被低估。
- 对地形因子估计的影响：研究发现，随着 DEM 分辨率变粗，平均坡度估计值减小，平均坡长和坡度坡长因子（LS 因子）估计值增加。DEM 分辨率对流域内平均坡度、坡长和 LS 因子估计值的影响大于山坡，小于沟壑坡度。
- 对侵蚀和沉积模拟的影响：利用 WaTEM/SEDEM 模拟不同分辨率下的侵蚀过程，结果表明该模型能较好地模拟研究流域的土壤侵蚀和沉积（0.51≤NSE<0.6，r = 0.75）。随着 DEM 分辨率变粗，土壤侵蚀量增加，泥沙沉积量先增加后减少。不同分辨率下模拟的侵蚀和沉积空间格局与基准分辨率（20m）下的格局有一定一致性（0.46<Kappa 系数 < 0.51），且分辨率越接近基准分辨率，一致性越高。DEM 分辨率对沟壑坡度上沉积的影响大于对整个流域的影响。
- 对泥沙产量的影响：DEM 分辨率对泥沙产量的影响较为复杂，是对侵蚀和沉积综合影响的结果。
研究结论与意义
研究表明，DEM 分辨率的变化显著影响地形因子的提取和侵蚀建模结果。在黄土丘陵沟壑区这种地形复杂的区域，高分辨率 DEM 能更准确地刻画地形，为土壤侵蚀模拟提供更可靠的数据支持。该研究有助于提高对复杂地形环境下土壤侵蚀过程的理解，为制定更有效的土壤侵蚀防治措施提供科学依据。同时，研究中使用的方法和得到的结论，也为其他类似地形区域的相关研究提供了参考，推动了土壤侵蚀研究领域的发展。
