三維激光掃描技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李萬(wàn)能 金平偉 向家平 張自軍 李嵐斌

(珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，各地各類(lèi)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目逐漸增多，人為水土流失現(xiàn)象日益突出，加強(qiáng)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持監(jiān)測(cè)，已成為一項(xiàng)重要任務(wù)。但在開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失定量化研究上，深度與精度不夠，侵蝕溝量測(cè)方法過(guò)于陳舊，難以適應(yīng)現(xiàn)階段開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求。隨著高新技術(shù)的發(fā)展與普及，水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步提高。本文采用先進(jìn)的激光掃描技術(shù)對(duì)侵蝕溝坡面進(jìn)行測(cè)量，為開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失定量監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)新的技術(shù)平臺(tái)。

1 地面三維激光掃描技術(shù)及其基本工作原理

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)［1］指采用高速激光掃描方法，快速獲取大面積被測(cè)目標(biāo)表面的高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并由系統(tǒng)后處理軟件對(duì)采集的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，且與已知坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)測(cè)后獲得絕對(duì)三維坐標(biāo)，以快速獲取空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源，為不同方面應(yīng)用需要提供了新的技術(shù)支撐［2］。

三維激光掃描技術(shù)在國(guó)外很多領(lǐng)域，如在土木工程、地面模型、地理數(shù)據(jù)采集等方面［4－6］，已得到廣泛應(yīng)用，但是在國(guó)內(nèi)尚處于應(yīng)用起步階段，研究領(lǐng)域主要覆蓋在工程、考古、醫(yī)學(xué)等方面［1，3，7－9］，在農(nóng)學(xué)尤其在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用研究則較少。

1.2 基本工作原理［10］

三維激光掃描儀是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器，采用非接觸高速激光測(cè)量方式，以點(diǎn)云形式獲取地形及復(fù)雜物體三維表面的陣列式集合圖形數(shù)據(jù)。儀器主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成了CCD數(shù)字影像和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。

1.2.1 激光測(cè)距系統(tǒng)

激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前激光測(cè)距原理主要有脈沖法測(cè)距、干涉法測(cè)距和相位差法測(cè)距三種。在微觀領(lǐng)域及短距離內(nèi)的三維激光掃描儀主要采用相位差法或干涉法測(cè)距。目前，地面三維激光影像掃描儀主要采用的是脈沖法測(cè)距。測(cè)距過(guò)程主要包括四個(gè)環(huán)節(jié):激光發(fā)射、激光探測(cè)、時(shí)延估計(jì)和時(shí)延測(cè)量。

1.2.2 激光掃描系統(tǒng)

對(duì)于激光掃描技術(shù)，目前用得最多的是光機(jī)掃描、電鏡掃描、多棱鏡掃描和全息光柵掃描。大范圍的掃描幅度、高精度的小角度掃描間隔及高幀頻成像技術(shù)是三維激光掃描技術(shù)的主要特點(diǎn)。地面三維激光掃描系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。

1.2.3 三維激光掃描測(cè)量原理

三維激光掃描儀通過(guò)數(shù)據(jù)采集獲取測(cè)距觀測(cè)值S，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值和縱向掃描角度觀測(cè)值。地面激光掃描三維測(cè)量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，由此可得到三維激光腳點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式:

式中，X、Y、Z為被測(cè)物三維坐標(biāo)，D為被測(cè)物與儀器之間的距離，β為垂直掃描角度，α為水平掃描角度。

2 開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.1 施工準(zhǔn)備期

該時(shí)期主要是以調(diào)查土壤侵蝕背景值、原地形地貌、植被的種類(lèi)和覆蓋度(郁閉度)、水土保持措施種類(lèi)和數(shù)量等為主。通過(guò)收集到的數(shù)據(jù)與施工期、植被恢復(fù)期監(jiān)測(cè)到結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，以論證其開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)對(duì)項(xiàng)目區(qū)水土保持的影響變化，從而能夠?qū)崟r(shí)反映該項(xiàng)目施工準(zhǔn)備期的水土流失情況。

2.2 施工期

施工期是高填深挖、土石方運(yùn)移的主要時(shí)期，產(chǎn)生大量的裸露邊坡，如路堤邊坡、路塹邊坡、取(棄)土(渣)場(chǎng)邊坡等，遇降雨可能產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失。本時(shí)期主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)水土流失量、水土流失災(zāi)害事件，同時(shí)監(jiān)測(cè)水土保持措施的實(shí)施情況等。

2.3 植被恢復(fù)期(或運(yùn)行期)

本時(shí)期主要監(jiān)測(cè)植物措施和工程措施的水土保持效果，包括植物措施的保存率、植被恢復(fù)率及林草植被覆蓋度、工程措施的運(yùn)行情況等。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文主要依托廣州市開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失定量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，選擇花都祈福赤泥黃金海岸房地產(chǎn)(項(xiàng)目I)、110kV富鵬輸變電工程(項(xiàng)目Ⅱ)、廣州黃埔至東莞麻涌高速公路及東莞麻涌至長(zhǎng)安高速公路工程(項(xiàng)目Ⅲ)等三個(gè)典型坡面為研究對(duì)象，采用兩期三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，通過(guò)徠卡系統(tǒng)軟件進(jìn)行全彩點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維實(shí)體模型分析以及三維實(shí)體點(diǎn)云疊加處理，得出該坡面侵蝕量及侵蝕模數(shù)(其中降雨量采用2011年度附近氣象站數(shù)據(jù)，土壤容重采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，且未考慮地面沉降)。實(shí)地監(jiān)測(cè)成果詳見(jiàn)表1和表2。原始數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1，掃描結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 原始數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖2 三維激光掃描儀掃描效果圖

表1 三維激光掃描法測(cè)定的土壤侵蝕模數(shù)

表2 簡(jiǎn)易觀測(cè)場(chǎng)測(cè)定土壤侵蝕模數(shù)表

由表1和表2可以看出，激光掃描儀測(cè)定結(jié)果與簡(jiǎn)易觀測(cè)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果在數(shù)量級(jí)上基本一致，基本已經(jīng)滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)建設(shè)水土保持監(jiān)測(cè)精度要求，為大范圍應(yīng)用于開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)提供了理論支持。但是，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定偏差，分析主要原因:(1)三維激光掃描儀與簡(jiǎn)易觀測(cè)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的位置不一致;(2)監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤理化性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致不同土壤質(zhì)地抗沖性與抗蝕性差異較大。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)，是對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的擴(kuò)展與補(bǔ)充，在快速提高工作效率的同時(shí)提高了開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)精度。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)可以看出，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以滿(mǎn)足水土保持監(jiān)測(cè)中侵蝕量測(cè)定的精度要求，為水土保持定量監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

(2)將這一先進(jìn)技術(shù)及時(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去，可大大改善水土保持監(jiān)測(cè)工作人員的作業(yè)環(huán)境，提高工作效率。伴隨我國(guó)正處于全面開(kāi)展基礎(chǔ)建設(shè)，綜合利用當(dāng)代的先進(jìn)科技，探索水土保持監(jiān)測(cè)的新手段，增強(qiáng)水土保持監(jiān)測(cè)預(yù)警能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2 建議

(1)應(yīng)用三維激光掃描儀開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)該注意兩點(diǎn):一是主要已知點(diǎn)在使用之前必須進(jìn)行儀器檢驗(yàn);二是掃描的范圍盡量控制在一定范圍內(nèi)，以免造成結(jié)果中物體邊緣難以識(shí)別。

(2)應(yīng)用激光掃描儀進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)，在提高測(cè)量精度上應(yīng)該注意兩點(diǎn):一是在監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，采用差分式測(cè)量方案，可以消除或減弱各種誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的影響;二是在測(cè)量時(shí)，要盡量采用強(qiáng)制對(duì)中裝置，認(rèn)真測(cè)量氣溫、氣壓，觀測(cè)時(shí)視線(xiàn)應(yīng)高于地面和旁離障礙物一定距離，以減弱旁折光差的影響。

(3)加強(qiáng)后期土壤侵蝕機(jī)理及對(duì)比研究，可保證在同一基準(zhǔn)下三維激光掃描儀精度的可靠性。

(4)三維激光掃描儀后期軟件數(shù)據(jù)處理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是結(jié)果正確性與否的重要基礎(chǔ)，因此，應(yīng)加強(qiáng)后續(xù)軟件數(shù)據(jù)處理模型方面的研究。

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