Geomorphometry and water erosion rates in different lithologies through drone-assisted digital photogrammetry | Geomorfometría y cálculo de erosión hídrica en diferentes litologías a través de fotogrametría digital con drones

Inglés. This study tests drone-assisted digital photogrammetry aimed at determining the erosive modeling of the landscape through detailed geomorphometric analysis and quantify erosion rates in volume (m3/area) and mass (ton/area) in different lithologies. To this end, we studied runoff length, catchment area, and vertical profile of three contrasting rock types on the same hillside in the valley of Yanhuitlán (Oaxaca): lacustrine clays, lithified volcanic ash, and andesitic lavas. Based on the assumption that the type of erosion in rocks depends on the lithologic type, our results show a larger incision in clays, larger catchment areas in volcanic ashes, and smaller runoff in andesites -- the most resistant type of the rocks studied. Likewise, the loss of volume in the rainy season (May to October) of 2016 are associated with the magnitude of the geomorphometric parameters in each lithological formation. This work compares how erosion models different lithological formations under similar conditions, and how high-resolution digital photogrammetry from drone-assisted aerial photography is a valid tool for calculating erosion rates.Objectives The objectives of this study are to analyze how erosion models different lithologies, and to calculate the erosion rate in volume (m3/area) and mass (ton/area) in three different lithologies in the valley of Yanhuitlán (Oaxaca). To this end, a high-resolution (10 cm) digital terrain model was constructed of a 200-m long hillside showing homogeneous features in terms of length, slope, orientation, climate, and vegetation cover, on which we analyzed the morphometry of the terrain and the erosion rate (volume and mass) before and after rains. The three lithologies are the following.1) Yanhuitan Formation: poorly consolidated clayey-silty layers with the lowest hardness, category 1 (USDA, 2012). Erosion type: ravines2) Llano de Lobos Tuff: Riodacitic and andesitic tuffs interbedded with limestone in a sandy matrix; hardness category 3 (USDA, 2012). Erosion type: laminar3) Yucudaac Andesite: Andesitic lava spills with a high degree of weathering through its cracks; hardness category 5(USDA, 2012). Erosion type: gulliesMaterials and Methods1) Photogrammetric survey with a high-resolution (10 cm) Digital Surface Model (DSM) drone (DSM).2) Surface water analysis of the DSM in shape format with the WATERSHED tool in GLOBALMAPPER 16, both of runoff and the respective catchment area; these were analyzed by lithology in 50x50-m plots placed in areas with no vegetation.3) Four morphometric parameters were analyzed In the software ARCGIS 10.2: runoff or channel length, runoff catchment area, vertical dissection and dissection density, as well as the ranks of drainage formed by lithology.4) Calculation of loss of soil by erosion, in volume and mass, through the overlapping of the models in two dates: 16 May 2016 and 25 September 2016, with a precipitation of 532 mm.Results1) Clays from the Yanhuitlán formation are the most friable (erosion prone) material due to their poor consolidation, with higher dissection density and vertical dissection rates. For this reason, it also has the largest number of catchments of minimum size. It differs broadly from all other lithologies, with a volume loss rate of 380-492 m3/ha and a mass loss rate of 532-689 ton/ha.2) The tuff shows the largest runoff catchment area and the lowest dissection density. Its erosion rate ranges between 100-128m3/haand 110-141 ton/ha.3) Andesite -- the hardest rock -- has the lowest vertical dissection, with an erosion rate of 37.48-48 m3/ha and 92-118 ton/ha/year.            The extrapolation of these data to obtain annual data based on total precipitation in 2016 (699 mm) yields rates of 701-898 ton/ha/year for the Yanhuitlán formation, 143.4-183.9 t/ha/year for tuff, and 128.4-164.6 t/ha/year for andesite.Conclusions Multi-temporal surveys by digital photogrammetry with drones allow the quantification actual (not estimated) erosion of a lithological unit, in volume and mass, and the analysis of the geomorfometric dynamics of erosion. Therefore, this method contributes to conduct more comprehensive, accurate and realistic studies on erosion, including the analysis of the evolution of hillsides, which are valid for risk analysis.

Español; castellano. En esta investigación se pone a prueba la fotogrametría digital con drones cuyos objetivos son conocer el modelado erosivo del paisaje a través de análisis geomorfométricos a gran detalle y cuantificar tasas de erosión en volumen (m3/área) y masa (t/área) en diferentes litologías. Para ello se estudiaron la longitud, el área de captación y la disección vertical de los escurrimientos de tres tipos contrastantes de rocas sobre una misma ladera en el valle de Yanhuitlán, Oaxaca: arcillas lacustres, cenizas volcánicas litificadas y lavas andesíticas. A partir de la hipótesis de que el tipo de erosión en rocas depende del tipo litológico, los resultados muestran una mayor incisión en las arcillas, mayores áreas de captación en las cenizas volcánicas y escurrimientos de menor tamaño en la andesita, la roca más resistente. Del mismo modo, se obtuvieron resultados de pérdida de volumen en el periodo de lluvias (mayo-octubre) de 2016, los cuales están asociados a los valores que muestran los parámetros geomorfométricos en cada formación litológica. Este trabajo compara la manera en que la erosión hídrica modela diferentes formaciones litológicas bajo condiciones similares y la forma en que la fotogrametría digital de alta resolución, a partir de fotografía aérea tomada con drones, es una herramienta válida para calcular tasas de erosión.Objetivos. Los objetivos de este trabajo son analizar la manera en que la erosión modela diferentes litologías y calcular la tasa de erosión en volumen (m3/área) y masa (t/área) en tres litologías diferentes en el valle de Yanhuitlán, Oaxaca. Para ello se levantó un modelo digital del terreno de alta resolución (10 cm) de una ladera de 200 m de longitud con similares condiciones de pendiente, orientación, clima y cubierta vegetal, sobre la cual se analizó la morfometría del terreno y la tasa de erosión en volumen, así como la masa antes y después de las lluvias. Las tres litologías son las siguientes.1) Formación Yanhuitán: capas arcillo-limosas con poca consolidación de origen y la menor dureza categoría 1 (USDA, 2012). Tipo de erosión: cárcavas.2) Toba Llano de Lobos: tobas riodacíticas y andesíticas con intercalaciones de calizas en una matriz arenosa con una dureza categoría 3 (USDA, 2012). Tipo de erosión: laminar.3) Andesita Yucudaac: derrames lávicos andesíticos con alto grado de intemperismo a través de sus fisuras con dureza categoría 5 (USDA, 2012). Tipo de erosión: surcos.Materiales y métodos1) Levantamiento fotogramétrico con dron de un Modelo Digital de Superficie (MDS) de alta resolución (10 cm).2) Análisis hídrico superficial del MDS en formato shape con la herramienta Watershed en Global Mapper 16, tanto de los escurrimientos como de su área de captación, los cuales fueron analizados por litología en parcelas de 50 x 50 m establecidas en zonas sin vegetación.3) En el software ArcGIS 10.2 se analizaron cuatro parámetros morfométricos: longitud de los escurrimientos o cauces, área de captación de los escurrimientos, disección vertical y densidad de disección, así como los órdenes de drenaje que se forman por litología.4) Cálculo de pérdida de erosión en volumen y masa a través de la sobreposición de modelos en dos fechas: 16 de mayo de 2016 y 25 de septiembre de 2016, con una precipitación de 532 mm.Resultados1) Las arcillas de la formación Yanhuitlán son el material más deleznable (erosionable), por su escasa consolidación, con mayores índices de densidad de disección y disección vertical. Por ello también tiene el mayor número de cuencas de captación de mínimo tamaño. Se diferencia ampliamente de las demás litologías por una tasa de pérdida de volumen entre 380-492 m3/ha y masa de 532-689 t/ha.2) La toba es la que mayor superficie de captación genera para los escurrimientos y menor densidad de disección. Su tasa de erosión en volumen se sitúa entre 100-128m3/ha y 110-141 t/ha.3) La andesita, la roca más dura, tiene la menor disección vertical, con una tasa de erosión en volumen de 37.48-48 m3/ha y en masa de 92-118 t/ha/año.            Si se extrapolan estos datos al periodo anual con base en el total de lluvia en 2016 (699 mm), resultan tasas de 701-898 t/ha/año para la formación Yanhuitlán, 143.4-183.9 t/ha/año para la toba y 128.4-164.6 t/ha/año para la andesita.Conclusiones. Con levantamientos multitemporales por medio de fotogrametría digital con drones es posible cuantificar la erosión real (no estimada) en volumen y masa de una unidad litológica, así como analizar la dinámica geomorfométrica de la erosión. Por tanto, este método contribuye a estudios de erosión en cuencas más integrales, precisos y realistas, que incluyen el análisis de la evolución de laderas, válido para estudios de análisis de riesgo.