基于无人机系统的山地草甸溪流地貌变化检测与低技术过程修复效果评估

本研究针对山地草甸溪流因历史土地利用导致的河道下切退化问题，采用无人机(UAS)摄影测量技术，结合地貌单元(GU)分类和香农多样性指数(SHDI)，对加利福尼亚州红三叶草谷实施河狸坝模拟结构(BDA)修复的两条下切溪流进行三年期(2021-2023)地貌变化监测。研究发现BDA结构通过促进沉积(SCB站点净沉积量38.36 m3)和局部侵蚀(LDC站点净侵蚀量617.42 m3)增强地貌活跃度，且侵蚀过程与GU多样性呈正相关(R2=0.341)。该研究为低技术过程修复(LT-PBR)效果评估提供了高分辨率监测方法，发表于《Landscape Ecology》。

　　

山地草甸作为水源涵养区的关键生态系统，长期面临因过度放牧、采矿等人类活动导致的河道下切、水文连通性丧失等生态退化问题。美国地质调查局西部地理科学中心的Raymond L. LeBeau团队联合旧金山州立大学，在《Landscape Ecology》发表研究，通过无人机(UAS)搭载结构光运动(SfM)摄影测量技术，对加州红三叶草谷两条实施河狸坝模拟结构(BDA)修复的溪流进行高精度监测，揭示了低技术过程修复(LT-PBR)对地貌复杂性的调控机制。

研究采用UAS-SfM生成厘米级数字高程模型(DEM)，结合地貌变化检测(GCD)软件和地貌单元(GUT)三级分类体系，量化了2021-2023年间侵蚀-沉积动态。通过香农多样性指数(SHDI)评估GU空间异质性，并设置近BDA区与对照区进行对比分析。

地貌响应差异
SCB站点呈现净沉积主导(73%变化为沉积)，沉积主要发生在BDA上游池体(占总量42%)；LDC站点则以侵蚀为主(84%)，近BDA区侵蚀量(~350 m³)显著高于对照区(p=0.022)。

BDA的结构效应
BDAs通过溃决过程形成跌水潭，促进河岸侵蚀与局部沉积。LDC站点近BDA区沉积量较对照区高67%，且沉积多分布于中河道沙洲(middle-channel bars)和过渡带(transition zones)。

地貌多样性机制
侵蚀体积与SHDI变化呈显著正相关(SCB站点R²=0.407，LDC站点R²=0.341)，表明侵蚀过程通过重塑GU空间构型增强地貌复杂性。

植被介导过程
高分辨率影像捕捉到湿草甸(Carex spp.)根系加固的河岸块体崩塌，以及沉积物在植被化沙洲表面的优先堆积，印证了生物地貌反馈对修复效果的影响。

该研究创新性地将GU分类框架与UAS监测结合，证实LT-PBR能通过激发自组织地貌过程逐步恢复河流景观韧性。方法论上提出的混合3D工作流(如CloudCompare的M3C2-PM插件)为厘米级沉积过程检测树立了新标准。研究成果为干旱区河流修复提供了可推广的监测范式，对应对气候变化下的水文极端事件具有重要实践价值。