激光測(cè)距儀在海崖剖面形態(tài)快速測(cè)量中的應(yīng)用

常方強(qiáng)，孟希，羅才松

（1.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門361021；2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州350108）

海岸帶地形地貌測(cè)量是海洋工程師和學(xué)者們關(guān)注的重要問題.對(duì)海岸剖面進(jìn)行高度、寬度、坡度和沉積物體積等測(cè)量，能夠獲得海岸地形地貌形態(tài)及其變化情況［1］.迄今為止，海岸帶地形地貌測(cè)量已發(fā)展了多種剖面測(cè)量方法，主要包括地面測(cè)量方法和空中測(cè)量方法［2－5］.地面測(cè)量方法結(jié)合高精度GPS可以提高測(cè)量精度，將誤差控制在1cm 之內(nèi)，但對(duì)于難以攀爬的海蝕崖（以下簡(jiǎn)稱為海崖）以及一些局部地貌形態(tài)則難以測(cè)量出剖面形狀.空中測(cè)量方法較為先進(jìn)，適合大范圍的測(cè)量，對(duì)于局部地貌形態(tài)則無(wú)法測(cè)量，或測(cè)量精度較低，花費(fèi)較大.上述測(cè)量方法對(duì)于坡度較小的海灘剖面測(cè)量適用性較好，對(duì)于坡度較大（30°以上）的海崖適用性較差，對(duì)于海崖上部海蝕槽和海蝕平臺(tái)等微地貌形態(tài)則無(wú)法測(cè)量.在保證測(cè)量人員的人身安全以及滿足經(jīng)濟(jì)需求適用性等前提下，本文提出一種基于激光測(cè)距儀的快速、簡(jiǎn)易、低成本的海崖剖面形態(tài)的測(cè)量方法，特別地，該方法能夠測(cè)量出海蝕槽的剖面形態(tài).

1 測(cè)量?jī)x器和方法

1.1 測(cè)量?jī)x器

選用GLM80型手持式激光測(cè)距儀（德國(guó)博世（BOSCH）公司），尺寸為111mm×51mm×30mm，內(nèi)置充電式鋰電池，總質(zhì)量為140g.該儀器內(nèi)置±60°傾角傳感器，能同時(shí)測(cè)出距離和傾角，借助此功能，可連續(xù)測(cè)出距離和傾角一組數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制出海崖的剖面形狀.測(cè)量距離可達(dá)80m，精度為±1.5 mm；傾斜度測(cè)量范圍為±60°，精度為±0.2°.

對(duì)于海崖的剖面形狀測(cè)量，毫米級(jí)的誤差完全能夠滿足要求.測(cè)量數(shù)據(jù)可以自動(dòng)存儲(chǔ)在儀器里，為了避免數(shù)據(jù)丟失，測(cè)量時(shí)手動(dòng)記錄在記錄表上.儀器后部安置有固定螺絲，為減小測(cè)量誤差，將固定螺絲擰到三角架上配合使用.

1.2 測(cè)量方法

將三腳架置于崖面前方的海灘上，支腳插入砂土中進(jìn)行固定.為了獲得較佳的測(cè)量質(zhì)量，測(cè)距儀傾斜角度控制在30°以內(nèi)，測(cè)量距離控制在50m 以內(nèi)，三腳架離崖面的垂直距離L為

若三腳架高度取1.0m，即

式（1），（2）中：H為海崖的垂直高度；H0為三腳架高度.

將測(cè)距儀安置于三腳架上部，激光發(fā)射口對(duì)準(zhǔn)崖面，調(diào)整測(cè)距儀的傾角使其為零，此時(shí)測(cè)距儀處于水平狀態(tài).水平轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)距儀測(cè)量幾組距離數(shù)據(jù)，距離最小時(shí)，表明激光垂直于崖面，此時(shí)，擰緊三腳架水平轉(zhuǎn)動(dòng)的螺絲，防止其發(fā)生水平轉(zhuǎn)動(dòng).測(cè)量時(shí)，使激光發(fā)射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)崖面的腳部，按下啟動(dòng)鍵進(jìn)行測(cè)量，記錄距離和傾角.然后，抬高測(cè)距儀激光發(fā)射口一端，使測(cè)距儀傾角變小.普通崖面的剖面形態(tài)測(cè)量，傾角每次變化1.0°，海蝕槽的剖面形態(tài)測(cè)量，傾角每次變化0.5°，記錄距離和傾角，直至激光發(fā)射點(diǎn)達(dá)到崖頂.依此方法，獲得一組崖面距離和傾角的數(shù)據(jù).

利用Auto CAD 軟件將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的崖面數(shù)據(jù)繪制成崖面形狀.首先，確定一個(gè)點(diǎn).例如，可將Auto CAD 的坐標(biāo)原點(diǎn)定為測(cè)距儀的測(cè)量基點(diǎn)，輸入“＠距離＜角度”命令，繪制出一條直線.依此方法，繪制出所有數(shù)據(jù)的直線，利用樣條曲線連接其末端即可獲得崖面的形狀.

2 測(cè)量結(jié)果

為了檢驗(yàn)測(cè)量方法的可靠性，選取福建省平潭島東北部流水鎮(zhèn)流水碼頭附近的海崖作為測(cè)量研究區(qū)，進(jìn)行崖面剖面形態(tài)測(cè)試.共測(cè)試不同位置的7條崖面的剖面形態(tài)（從流水碼頭至西樓村方向，編號(hào)分別為1?！?＃），每條剖面的測(cè)量位置采用GPS定位和木樁基準(zhǔn)點(diǎn)定位，具體位置如表1所示.表1中：1＃，3＃，4＃為普通崖面；2＃，5＃，6＃，7＃為發(fā)育有海蝕槽的海崖.

為了檢測(cè)該儀器的可靠性，在室外一直立墻面前方10m 處放置該測(cè)距儀，不斷變化角度，測(cè)量直立墻面的剖面形狀，測(cè)量結(jié)果與豎直墻面的理論形狀十分接近，誤差在±0.2mm 以內(nèi).

表1 剖面位置Tab.1 Location of profiles

2.1 普通崖面形態(tài)

崖面的測(cè)量結(jié)果，如圖1所示.圖1中：s為離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離；h為海崖高度.1＃崖面的剖面形狀共測(cè)試4次，以檢測(cè)該方法重復(fù)測(cè)量的可靠性.其中，前3次位于同一地點(diǎn)，第4次測(cè)試地點(diǎn)比前3次遠(yuǎn)離崖面0.5m，測(cè)試結(jié)果如圖1（a）所示.由圖1（a）可知：同一位置測(cè)量的剖面形狀幾乎完全重合，最大差距為0.8mm，可能是由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)風(fēng)力較大導(dǎo)致三腳架和儀器微振動(dòng)引起的.測(cè)量結(jié)果記錄在筆記本上，每測(cè)量15組數(shù)據(jù)檢查其正確性，每條崖面的測(cè)量時(shí)間為7～16min.3＃，4＃普通崖面的測(cè)量結(jié)果，如圖1（c）和圖1（e）所示.

圖1 海蝕崖面的測(cè)量結(jié)果Fig.1 Results of measured sea－cliff profiles

2.2 海蝕槽形態(tài)

為了測(cè)量到海蝕槽的局部形態(tài)，測(cè)距儀傾角每次變化0.5°，其他位置每次變化1.0°，在研究區(qū)330 m 的岸線范圍內(nèi)，共觀測(cè)到2＃，5＃，6＃，7＃等4處崖面發(fā)育有海蝕槽.測(cè)量結(jié)果如圖2所示.圖2中：s為離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離；h為海崖高度.

圖2 海蝕槽的剖面形態(tài)Fig.2 Results of measured marine notches

3 討論

3.1 測(cè)量海崖剖面形態(tài)的原因

受海平面上升、波浪、降雨等因素影響，海崖逐年后退［6］.對(duì)于快速蝕退的海崖，明確其形狀和位置具有重要意義.采用極限平衡法計(jì)算海崖土體的大規(guī)?；鷷r(shí)，海崖高度、坡度等形狀數(shù)據(jù)是必需的參數(shù).了解崖面形態(tài)，特別是局部地貌形態(tài)有助于理解蝕退誘發(fā)因素、蝕退過(guò)程和機(jī)制.每隔一段時(shí)間測(cè)量海崖的位置，能計(jì)算出蝕退速率.測(cè)量海崖的剖面形態(tài)，通過(guò)對(duì)比海崖剖面形態(tài)的變化能估算出蝕退土體的體積，如圖3所示.每次測(cè)量時(shí)，測(cè)距儀確保在水平面上的同一位置（測(cè)量基點(diǎn)），結(jié)合高精度GPS定位和打設(shè)樁體定位.估算海崖的蝕退速率和蝕退量可為海崖保護(hù)和城鄉(xiāng)土體規(guī)劃提供參考建議.

3.2 測(cè)量海蝕槽剖面形態(tài)的原因

海蝕槽是發(fā)育在海崖（軟質(zhì)海崖或巖質(zhì)海崖）上的溝槽，其走向平行于海岸線.海蝕槽形成的主要原因是波浪、潮汐的動(dòng)力作用及化學(xué)溶解.隨著波浪等作用的持續(xù)，海蝕槽發(fā)育越來(lái)越大，當(dāng)發(fā)育到一定程度時(shí)，上覆土體失去支撐作用而發(fā)生大規(guī)?；斐珊Ｑ碌囊淮涡試?yán)重蝕退.海蝕槽的位置和高度也常用于海平面變化的調(diào)查.Pirazzoli［7］指出除了海蝕槽的高度，海蝕槽的形狀也非常重要，并給出了9種可能發(fā)育有海蝕槽的地層.迄今為止，細(xì)致地測(cè)量出海蝕槽的文獻(xiàn)報(bào)道較少，多數(shù)是通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)量后手繪出來(lái).Pirazzoli建議海蝕槽形態(tài)的測(cè)量包括：1）海蝕槽頂點(diǎn)位于崖底的以上高度；2）海蝕槽槽底邊緣和槽頂邊緣的垂直高度，即槽高（圖4）；3）海蝕槽的深度，簡(jiǎn)稱槽深，即頂點(diǎn)至崖面的距離［7］.

研究區(qū)觀測(cè)到的4個(gè)剖面中發(fā)育的海蝕槽形態(tài)，其各部分要素如表2所示.表2中：h1為距崖底的高度；h2為槽高；h3為槽深；θ為海蝕槽傾角.由表2可知：各個(gè)海蝕槽均發(fā)育在距崖底1.0m 的高度范圍內(nèi)；7＃斷面處，海蝕槽槽底緊貼海灘面，發(fā)育2個(gè)相鄰的海蝕槽，可能是由于該處原先存在一花崗巖球狀風(fēng)化大孤石，經(jīng)波浪侵蝕搬運(yùn)后形成的.離7＃斷面大約十幾米的地方，有一處非常明顯的球狀凹坑存在，其成因同7＃斷面.海蝕槽傾角位于23°～29°范圍內(nèi)，且海蝕槽上部崖面的傾角大于下部崖面的傾角.上部土體的蝕退破壞面幾乎是垂直的，以塊狀形式蝕退；下部是波浪逐漸崩解侵蝕土顆粒，以粒狀形式蝕退.

圖3 不同時(shí)間海崖剖面形態(tài)的測(cè)量Fig.3 Measuring of profiles of sea－cliff at different time

圖4 海蝕槽形態(tài)要素Fig.4 Profile factors of marine notches

表2 研究區(qū)海蝕槽形態(tài)要素Tab.2 Profile factors of marine notches under investigation

3.3 影響測(cè)試結(jié)果的因素

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，陽(yáng)光、測(cè)試距離與傾角、平臺(tái)、植被等因素會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響.陽(yáng)光對(duì)激光測(cè)距有一定干擾，這是因?yàn)殛?yáng)光光譜寬度較大，能夠“淹沒”測(cè)距儀發(fā)出的激光束，導(dǎo)致接收器不能正確接收本身發(fā)出的信號(hào)；再者陽(yáng)光較強(qiáng)時(shí)，可能無(wú)法觀測(cè)到發(fā)射出的激光點(diǎn)位置.為解決這個(gè)問題，測(cè)試可以選擇在沒有陽(yáng)光的天氣里進(jìn)行，如陰天或早上、傍晚沒有陽(yáng)光的時(shí)段.此外，適當(dāng)縮短測(cè)量距離，選擇量程較大的測(cè)距儀均有助于提高精度.文中測(cè)距儀的有效量程為80m，選擇在陰天的凌晨時(shí)段進(jìn)行測(cè)量，最大測(cè)量距離控制在20m 以內(nèi).因此，測(cè)量結(jié)果的精度較高.

在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量距離不應(yīng)超出儀器的有效量程，傾角也不應(yīng)超過(guò)有效傾角范圍.若測(cè)量?jī)A角過(guò)大，儀器會(huì)自動(dòng)提醒.因此，儀器應(yīng)位于崖面前適當(dāng)距離，具體可參見式（1），（2）.當(dāng)崖面存在平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)上的局部地貌形態(tài)，如凹坑則無(wú)法測(cè)量出來(lái)，這是文中測(cè)量方法的缺陷.若要測(cè)量平臺(tái)的地貌形態(tài)，可將測(cè)距儀移至平臺(tái).當(dāng)崖頂或崖面有草叢時(shí)，激光無(wú)法反射回來(lái)，因此無(wú)法測(cè)量有草叢的崖面.本次測(cè)量中的崖面上沒有植物，測(cè)量到崖頂?shù)闹参飼r(shí)，數(shù)據(jù)異常.此外，由于儀器不耐水，下雨時(shí)無(wú)法測(cè)量；當(dāng)風(fēng)勢(shì)較大時(shí)，可能導(dǎo)致測(cè)距儀擺動(dòng)，從而降低測(cè)量精度.

3.4 與其他測(cè)試方法的比較

傳統(tǒng)的測(cè)量方法，如Emery地平方法［2］、水平尺方法、經(jīng)緯儀和全站儀，以及LiDAR 等方法均能夠測(cè)量一定范圍內(nèi)灘面形態(tài)，但這些方法受人力、地質(zhì)環(huán)境、工具自身局限性的影響均無(wú)法測(cè)量坡度較大的海崖剖面形態(tài)，更無(wú)法測(cè)量海崖的細(xì)微變化.Kershaw 等［8］給出了一種利用卷尺和木桿測(cè)量海蝕槽剖面的方法，但只限于人能夠接觸的位置，由于皮尺自身直度、風(fēng)力影響、量程等因素亦限制了該測(cè)量方法的精度，且在測(cè)量的過(guò)程中，容易偏移方向，產(chǎn)生較大的誤差.激光測(cè)距儀能夠很好地規(guī)避卷尺、木桿測(cè)量的問題，對(duì)于經(jīng)緯儀、全站儀測(cè)量中坡度較大和人無(wú)法達(dá)到的位置亦可以精確測(cè)量，且測(cè)量工作量大幅降低.LiDAR 方法雖然可測(cè)量大面積海灘地形情況［9］，但文中方法在經(jīng)濟(jì)上更實(shí)惠，既適用于各種小型工勘測(cè)程建，也適用于軍事?lián)尀┬袆?dòng)對(duì)灘地地形的掌握.文中方法根據(jù)儀器精度與光照和反射條件，測(cè)量的崖面高度可達(dá)20～30m，測(cè)量距離可達(dá)80m.

利用激光測(cè)距儀測(cè)量海崖剖面形態(tài)的方法，其優(yōu)勢(shì)在于：1）測(cè)距儀體積小、重量輕、攜帶和操作方便；2）不需事先設(shè)置，且消耗較少電能；3）測(cè)量快速，且能夠測(cè)量人不能到達(dá)的區(qū)域；4）測(cè)量精度高，方便測(cè)出長(zhǎng)度和角度，進(jìn)而利用繪圖軟件容易繪出海崖剖面形態(tài)和海蝕槽形態(tài)，為計(jì)算蝕退速率和土體蝕退量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

4 結(jié)束語(yǔ)

提出一種利用激光測(cè)距儀測(cè)量海崖剖面形態(tài)的方法，該方法能測(cè)出海崖的局部地貌形態(tài)，如海蝕槽的幾何形態(tài).該方法的測(cè)量精度高、速度快，一個(gè)斷面的測(cè)量只需7～16min，且能夠測(cè)量人不易到達(dá)的區(qū)域.這種測(cè)量方法能夠?yàn)檠芯亢Ｑ碌奈g退機(jī)制、海崖防護(hù)和城鄉(xiāng)土地規(guī)劃等提供參考建議.

［1］SHORT A D.Handbook of beach and shoreface morphodynamics［M］.New York：John Wiley and Sons Ltd，2000：15.

［2］EMERY K O.A simple method of measuring beach profiles［J］.Limnology and Oceanography，1961，6（1）：90－93.

［3］DOLAN R，F(xiàn)ERM J C.Temporal precision in beach profiling［J］.The Professional Geographer，1967，19（1）：13－15.

［4］DENNY M W，GAINES S D.Encyclopedia of tidepools and rocky shores［M］.Berkeley：University of California Press，2007：705.

［5］ROSSER N J，PETLEY D N，LIM M，et al.Terrestrial laser scanning for monitoring the process of hard rock coastal cliff erosion［J］.Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology，2005，38（4）：363－375.

［6］劉建輝，蔡鋒，雷剛，等.福建軟質(zhì)海崖蝕退機(jī)理及過(guò)程分析：以平潭島東北海岸為例［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2010，29（4）：525－530.

［7］EUGEN S.Sea－level research：A manual for the collection and evaluation of data［M］.Amsterdam：Elsevier Science Publishers B V，1986：361－400.

［8］KERSHAW S，GUO L.Marine notches in coastal cliffs：Indicators of relative sea－level change，Perachora Peninsula，Central Greece［J］.Marine Geology，2001，179（16）：213－228.

［9］ADAM P，YOUNG R E，F(xiàn)LICK R，et al.Comparison of short－term seacliff retreat measurement methods in Del Mar，California［J］.Geomorphology，2009，112（3／4）：318－323.