激光掃描技術(shù)在坡耕地土壤侵蝕監(jiān)測中的應(yīng)用

岳鵬，史明昌?，杜哲，王珊

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院，071001，河北保定)

激光掃描技術(shù)在坡耕地土壤侵蝕監(jiān)測中的應(yīng)用

岳鵬1，史明昌1?，杜哲2，王珊1

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，100083，北京;2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院，071001，河北保定)

為了研究激光掃描技術(shù)應(yīng)用于土壤侵蝕監(jiān)測的可靠性，利用3D激光地貌分析儀對黑龍江省水土保持科技示范園內(nèi)坡耕地徑流小區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行監(jiān)測。采用恒定降雨強(qiáng)度(20、40、60、80、100和120mm/h)對徑流小區(qū)進(jìn)行連續(xù)6次等歷時(30min)人工降雨，每場降雨前后使用3D激光地貌分析儀對小區(qū)內(nèi)不同位置的坡面形態(tài)進(jìn)行掃描，并與集流桶收集土壤侵蝕量進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：3D激光掃描分析法與集流桶測量法得到的土壤侵蝕量之間具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，3D激光地貌分析儀用于徑流小區(qū)內(nèi)土壤侵蝕測定具有較高的精度與可靠性。關(guān)鍵詞 激光掃描技術(shù);土壤侵蝕;徑流小區(qū);東北黑土區(qū)

黑土是一種性狀好、肥力高，適合植物生長的土壤［1］。我國黑土區(qū)面積約有103萬km2，集中分布在我國東北松遼流域內(nèi)(約75萬km2)，東北黑土區(qū)與烏克蘭大平原黑土區(qū)、美國密西西比河流域黑土區(qū)并稱全球的三大黑土區(qū)［1-2］;但是，由于近幾十年來的開墾及耕作，東北黑土資源受到嚴(yán)重破壞，水土流失十分嚴(yán)重，從而導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降、生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重制約了黑土區(qū)的經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，威脅著中國的糧食安全［3］。東北黑土區(qū)水土流失成因與防治研究學(xué)術(shù)界早有報道［1-6］，隨著新型遙感技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，激光掃描技術(shù)精度高、可移動、成本低等特點逐漸顯現(xiàn)［7-8］，其在水土流失研究領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為學(xué)科發(fā)展的前沿與新趨勢［9］。目前，激光掃描技術(shù)在大尺度水土流失監(jiān)測中已有一定應(yīng)用［10］，但在徑流小區(qū)水土流失研究中的應(yīng)用還鮮有報道。筆者以黑龍江省水土保持科技園示范園區(qū)為試驗基地，利用3D激光地貌分析儀對東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕狀況進(jìn)行系統(tǒng)觀測，分析比較不同降雨強(qiáng)度下黑土土壤侵蝕變化，以期為東北黑土區(qū)水土保持工作提供理論和科技支持，并為相關(guān)研究者提供參考借鑒。

1 3D激光地貌分析儀原理

3D激光地貌分析儀是基于相位式的激光測距系統(tǒng)，用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。即用間接方法測定出光經(jīng)往返測線所需的時間。該方法最大測程較小，但精度較高，可以達(dá)到毫米級。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行掃描，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后得到各測點(x，y，z)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)是大量懸浮在空中沒有屬性的離散點陣數(shù)據(jù)，形象地稱之為“點云”。通常存在激光測距點無明顯的回波信號和具有鏡面反射的地面無回波測距值的情況。此外，由于電路等原因，也會使數(shù)據(jù)中產(chǎn)生異常距離值，在處理激光測距原始數(shù)據(jù)時必須先進(jìn)行濾波(剔除異常點)。濾波結(jié)果可在GIS平臺中生成數(shù)字高程模型(DEM)，用于進(jìn)行專業(yè)分析［11-14］。

2 研究區(qū)概況

東北黑土區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫-7～11℃，冬季漫長寒冷，春季多風(fēng)，且干燥少雨，夏季氣溫較高;多年平均降水量為350～1 000mm，山區(qū)降水多于平原，吉林、遼寧東部的長白山區(qū)年降水量為600～1 000mm，松嫩平原本部和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部為350～450mm;無霜期較短，為100～150 d，絕大部分地區(qū)可以滿足一年一熟作物的需要。

本研究實驗樣地位于黑龍江省水土保持科技示范園區(qū)內(nèi)。該園區(qū)地貌屬丘陵漫崗類型，地表組成物質(zhì)以花崗巖風(fēng)化物為主，主要土壤為黑鈣土、白漿土。園區(qū)內(nèi)地形平緩，坡度均在10°以下，坡長為500～1 000m。園區(qū)林種主要有人工林和天然次生林，糧食作物有玉米(Zeamays)和大豆(Glycinemax)，植被覆蓋率42.0%。園區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為-7～11℃，降水分布不均，主要集中于5—9月，多年平均降雨量為590mm，地質(zhì)、地貌在東北黑土區(qū)內(nèi)具有一定的代表性。

3 研究方法

3.1 3D激光地貌分析儀組成

本研究所采用3D激光地貌分析儀為德國UMS公司生產(chǎn)，儀器主要由激光掃描組件及控制操作平臺組成(圖1)。設(shè)備最大測量面積為1m2，最小掃描步長為5mm，測距精度為±1mm。系統(tǒng)采用12 V直流電源供電。儀器鋁制框架及移動機(jī)械臂上安裝有3個固定水平儀，通過調(diào)節(jié)4個支腳的高度對整個儀器進(jìn)行水平調(diào)節(jié)。激光掃描頭安裝在移動機(jī)械臂上，根據(jù)控制軟件中設(shè)定的掃描范圍及掃描步長在x、y方向上移動，進(jìn)行逐行掃描。

3.2 人工降雨系統(tǒng)

本研究人工降雨系統(tǒng)采用黑龍江省水土保持科學(xué)研究所自主研發(fā)的HLJSB-J型人工模擬降雨系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有3組噴頭，每組25個，降雨高度6m，降雨強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍為10～160mm/h，降雨均勻度大于80%。水箱體積為20m3，可滿足最大降雨強(qiáng)度連續(xù)4 h降雨。

3.3 實驗樣地布設(shè)

2010年，在園區(qū)內(nèi)選擇2個坡面徑流小區(qū)分別用于3D激光地貌分析儀標(biāo)定與連續(xù)降雨過程中土壤侵蝕變化規(guī)律研究，小區(qū)規(guī)格均為2m×10m，坡度為5°。小區(qū)內(nèi)土層厚度為60 cm，為原狀白漿土，無作物措施。分別在每個徑流小區(qū)內(nèi)距離小區(qū)頂端1、4和7m的位置處布置掃描區(qū)域，即樣點A、B、C。由于3D激光地貌分析儀在每次搬運與安裝的過程中位置與高度會發(fā)生變化，因此在每個區(qū)域內(nèi)設(shè)置2處定位標(biāo)志，即直徑3～5 cm木樁，埋入地下50 cm、地上15 cm，用于掃描數(shù)據(jù)間的匹配及校正。

3.4 實驗方法

本研究中，利用HLJSB-J型人工模擬降雨系統(tǒng)對徑流小區(qū)內(nèi)共進(jìn)行6次人工降雨，降雨強(qiáng)度分別為20、40、60、80、100 和120mm/h，降雨歷時均為30min。降雨前用3D激光地貌分析儀對各樣點進(jìn)行掃描，獲取原始DEM數(shù)據(jù)。隨后進(jìn)行第1次人工降雨，降雨結(jié)束后再次掃描獲取DEM數(shù)據(jù)，之后繼續(xù)進(jìn)行第2次人工降雨。如此反復(fù)進(jìn)行，直至所有降雨進(jìn)行完畢，獲取每場降雨前后各樣點的 DEM數(shù)據(jù)。

圖1 3D激光地貌分析儀構(gòu)造Fig．1 Composition of 3D laser scanner

3.5 數(shù)據(jù)處理

對掃描得到的點云數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行濾波處理，剔除誤差點。之后在ArcGIS中對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，生成DEM。將每場降雨后的DEM數(shù)據(jù)與降雨前的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以得到土壤總體積變化量、相對增加體積量，結(jié)合土壤密度數(shù)據(jù)即可計算出土壤侵蝕量與各樣方內(nèi)堆積量。單次降雨前后使用分析儀對選定區(qū)域進(jìn)行掃描，獲取降雨前后地面點云數(shù)據(jù)。在ArcGIS中對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值分析，生成DEM，利用空間分析模塊分析降雨前后該區(qū)域內(nèi)土壤體積變化及侵蝕分布。降雨同時使用小區(qū)內(nèi)集流裝置收集徑流泥沙，并用環(huán)刀法取得小區(qū)內(nèi)土壤密度，即可計算出次降雨產(chǎn)生的土壤侵蝕量。對由集流桶采集得到的土壤侵蝕量與3D激光地貌分析儀掃描獲取的土壤侵蝕量進(jìn)行相關(guān)性分析，即可驗證3D激光地貌分析儀用于徑流小區(qū)觀測的精確性。

圖2、圖3、圖4為3個樣點掃描數(shù)據(jù)處理結(jié)果DEM，反應(yīng)各樣點地表形態(tài)隨降雨變化情況。

圖2 樣點A地表形態(tài)隨降雨變化情況Fig．2 Surfacemorphological changes of quadrat A

4 結(jié)果與分析

對每次降雨時土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)、集流桶收集徑流泥沙量及3D激光地貌分析儀掃描結(jié)果進(jìn)行處理分析結(jié)果見表1，可見，以不同降雨強(qiáng)度進(jìn)行人降雨對土壤含水率及土壤密度影響不大，因此相關(guān)分析計算中所涉及到的土壤密度采用其平均值1.05 g/cm3。表1和圖5中集流桶收集侵蝕量(x)為1次降雨過程中單個徑流小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的總土壤侵蝕量，激光掃描侵蝕量(y)為小區(qū)內(nèi)選定的A、B、C 3個樣點在1次降雨中產(chǎn)生的總侵蝕量，由此對3D激光地貌分析儀土壤侵蝕監(jiān)測量進(jìn)行標(biāo)定。由圖5可見，采用2種方法得到的土壤侵蝕量之間具有良好的線性相關(guān)關(guān)系y=2.069e0.019x(R2=0.965)，說明利用激光掃描技術(shù)獲取的土壤侵蝕量具有較高的精確度，3D激光地貌分析儀用于徑流小區(qū)內(nèi)土壤侵蝕測定具有較高的精度與可靠性。

表1 3D激光地貌分析儀標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab．1 Calibration of 3D laser scanner

5 結(jié)束語

圖3 樣點B地表形態(tài)隨降雨變化情況Fig．3 Surfacemorphological changes of quadrat B

圖4 樣點C地表形態(tài)隨降雨變化情況Fig．4 Surfacemorphological changes of quadrat C

圖5 3D激光掃描儀侵蝕量標(biāo)定曲線Fig．5 Calibration of soil erosionmeasured with 3D laser scanner

為探討東北黑土區(qū)水土流失問題，利用3D激光地貌分析儀對黑龍江省水土保持科技示范園內(nèi)坡耕地徑流小區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測，并與集流桶收集土壤侵蝕量進(jìn)行對比分析與標(biāo)定。結(jié)果顯示：2種土壤侵蝕量測定方法之間具有良好的線性相關(guān)關(guān)系y=2.069e0.019x(R2=0.965)，說明利用激光掃描技術(shù)獲取的土壤侵蝕量具有較高的精確度，可以用于徑流小區(qū)內(nèi)土壤侵蝕研究。

本研究利用3D激光地貌分析儀進(jìn)行徑流小區(qū)水土流失動態(tài)研究，其數(shù)據(jù)精度達(dá)到了毫米級，進(jìn)一步提高了對微地貌變化的監(jiān)測精度和水平，為水土保持監(jiān)測、科學(xué)研究及其他相關(guān)新技術(shù)應(yīng)用研究提供了新的研究手段和方法，尤其是針對坡面侵蝕和細(xì)溝侵蝕，未來具有較廣泛的應(yīng)用前景;但是，在實際使用過程中，該設(shè)備也存在著野外搬運不方便、掃描對光線要求較高、掃描處理軟件功能相對簡單等不足，在未來的研究中需要進(jìn)一步完善修正。

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Application of laser scanner in soil erosionmonitoring of cultivated slope land

Yue Peng1，Shimingchang1，Du Zhe2，Wang Shan1
(1.College of Forestry，Beijing Forestry University，100083，Beijing;2.College of Land Resource，Heibei Agricultural University，071001，Baoding，Hebei：China)

In order to study the reliability of the laser scanning technology for soil erosionmonitoring，the soil erosion of the runoff plot in Soil and Water Conservation Demonstration Park，Heilongjiang Province，wasmeasured with 3D laser scanner system.To calculate the amount of soil erosion，the surfacemorphology at different slope positions was scanned by using this system before and after artificial rainfall with stable intensities(20，40，60，80，100，120mm/h，and 30minutes).In addition，tomake a calibration on the system，simultaneously，the calculated soil erosion was compared with the soil erosion amount in collecting tanks.The results indicate as follow：there is an excellent linear relationship between the soil erosion amountmeasured with 3D laser scanner and collecting tanks.Hence，the application of 3D laser scanner in soil erosionmonitoring has a bright future due to its higher accuracy and reliability.

laser scanner;soil erosion;runoff plot;Phaeozem Region of Northeast of China

2012-01-13

2012-03-29

岳鵬(1988—)，男，碩士研究生。主要研究方向：地理信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。E-mail：101835197@qq.com

?責(zé)任作者簡介：史明昌(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：地理信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。E-mail：shimc@bjfu.edu.cn

(責(zé)任編輯：程 云)