丹東市水土保持監(jiān)測中3D激光掃描技術(shù)的應用

潘松一

(丹東市水土保持局，遼寧 丹東 118000)

丹東市水土保持監(jiān)測中3D激光掃描技術(shù)的應用

潘松一

(丹東市水土保持局，遼寧 丹東 118000)

水土保持是《新環(huán)境保護法》下實施的一種生態(tài)恢復措施。隨著信息技術(shù)形式不斷增多，當前在區(qū)域水土保持實踐中，采用的技術(shù)手段日益先進，如三維激光掃描技術(shù)，其不僅可以對研究區(qū)開發(fā)建設項目水土保持監(jiān)測中的相關數(shù)據(jù)進行分析，而且可結(jié)合水土保持監(jiān)測中地表坡面局部侵蝕量特點，對水土保持監(jiān)測項目物體表面的三維空間坐標量進行高精度及快速測量，從而精確描述物體表面細部狀況。基于此技術(shù)優(yōu)勢，文章將著重以遼寧省丹東市某水土保持工程項目為例，對三維激光掃描技術(shù)在該研究區(qū)的具體運用情況進行分析。

丹東市；水土保持；監(jiān)測；3D激光掃描；技術(shù)

隨著遼寧省“十三五”計劃戰(zhàn)略的實施，各市開發(fā)建設的大型水土保持項目工程日益增多。丹東市作為遼寧省及中國最美的邊境城市之一，其承擔著調(diào)節(jié)生態(tài)的重要社會功能。但近年來，隨著該區(qū)域的社會生產(chǎn)實踐活動不斷增多，人為因素所造成的水土流失現(xiàn)象日益嚴重。所以，采用先進的技術(shù)手段加強對該區(qū)域水土保持行為進行監(jiān)測，已成為新時期丹東市經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境建設中的一項重要任務[1]。

1 3D激光掃描技術(shù)簡介及應用原理

1.1 3D激光掃描技術(shù)簡介

3D激光掃描技術(shù)也稱“三維激光掃描技術(shù)”，其主要是指采用高速激光掃描方法，快速獲取大面積被測目標表面的高分辨率點云數(shù)據(jù)；然后，由系統(tǒng)后處理軟件對采集的影像和點云數(shù)據(jù)進行處理的一種方法。在此基礎上，其與區(qū)域已知空間坐標點進行聯(lián)測最終獲取三維坐標，以快速得到區(qū)域空間信息數(shù)據(jù)庫中相關數(shù)據(jù)源。三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)很多技術(shù)領域都得到廣泛應用，如地面模型分析及地理信息數(shù)據(jù)采集和土木工程建設等。但是與國外相比，國內(nèi)的三維激光掃描技術(shù)依然處于起步發(fā)展階段。從目前的學科應用范圍來看，其基本涵蓋了醫(yī)學、考古學和工程學等領域，但在水土保持生態(tài)技術(shù)領域中的應用甚少[2]。

1.2 3D激光掃描技術(shù)的應用原理

3D激光掃描技術(shù)在實施過程中，將多種高新技術(shù)測繪儀器集成在一起，如激光掃描系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)及儀器內(nèi)部校正系統(tǒng)，還有CCD數(shù)字影像監(jiān)測系統(tǒng)等。在此基礎上，基于非接觸高速激光測量方式，主要以點云形式對研究區(qū)內(nèi)復雜物體和地形三維表面的陣列式集合圖形、數(shù)據(jù)進行科學獲取。

1)3D激光掃描技術(shù)下的激光測距技術(shù)當前應用已經(jīng)非常成熟，其中主要基于相位差法、干涉法和脈沖法進行距離測量。干涉法及相位差法主要適用于短距離內(nèi)及微觀技術(shù)領域內(nèi)的三維激光掃描測距。而干涉法測距技術(shù)則適用于地面較大范圍及較遠距離內(nèi)的激光掃描測距，主要測距過程可分為激光發(fā)射、探測和時延估計及測量4個環(huán)節(jié)[3]。

2)3D激光掃描技術(shù)下的激光掃描技術(shù)主要包括全息光柵掃描、多棱鏡掃描和電鏡掃描及光機掃描幾種形式。應用表明，3D激光掃描技術(shù)具有高幀頻成像、小角度、高精度掃描間隔及大范圍掃描幅度幾大技術(shù)特點。在掃描過程中，3D激光掃描系統(tǒng)主要基于內(nèi)置驅(qū)動馬達系統(tǒng)精密控制技術(shù)，對系統(tǒng)內(nèi)部多面反射冷鏡的轉(zhuǎn)動進行控制，從而使系統(tǒng)脈沖激光束沿著縱軸與橫軸方向進行快速掃描。

3)在3D激光掃描過程中，測距觀測值S主要由三維激光掃描儀通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來獲取[4]。在此過程中，系統(tǒng)每個激光脈沖橫向及縱向掃描角度觀測值主要由精密時鐘控制編碼器同步測量。在采用3D激光掃描中的地面激光掃描三維測量技術(shù)進行水土保持監(jiān)測時，通常采用的坐標系統(tǒng)為儀器內(nèi)部坐標系統(tǒng)；其中，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸和Z軸分別在橫向掃描面內(nèi)與X軸和橫向掃描面相互垂直，由此得到如下所示的三D激光腳點坐標計算公式：

X=DcosβcosαY=DcosβsinαZ=Dsinβ

(1)

式中：被測物三維坐標分別通過變量“X、Y、Z”表示；被測物與儀器之間的距離通過D表示；水平與垂直掃描角度分別通過α及β表示。

2 水土保持監(jiān)測中3D激光掃描技術(shù)的運用

2.1 工程項目實例

文章主要依托于遼寧省丹東市水土流失定量監(jiān)測項目，以該開發(fā)建設項目部分區(qū)域3個不同典型坡面為研究對象，分別采集施工準備期與施工期兩個階段的3D激光掃描儀數(shù)據(jù)，然后采用徠卡系統(tǒng)軟件對全彩點云數(shù)據(jù)信息技術(shù)處理。在此基礎上，對相關信息數(shù)據(jù)進行3D模型分析及3D實體點云疊加處理，從而獲取該水土保持工程三個不同典型坡面的水流侵蝕模數(shù)和具體侵蝕量。其中，降雨量數(shù)據(jù)為2016年度該研究區(qū)附近氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)；通過現(xiàn)場測定，獲取工程場地土壤容重數(shù)據(jù)[5]。

1)水土保持項目施工準備期監(jiān)測中3D激光掃描技術(shù)的運用。

在該施工階段，主要采用3D激光掃描技術(shù)對施工地土壤侵蝕背景值、植被種類和郁閉度、原地形地貌等參數(shù)進行監(jiān)測收集；將收集到的相關數(shù)據(jù)與水土保持項目施工期和植被恢復期的相關數(shù)據(jù)進行對比，以此定量與定性描述工程開發(fā)建設項目對丹東市水土保持工作的影響，從而以科學的數(shù)據(jù)量客觀反映該區(qū)域施工準備階段工程開發(fā)建設項目的水土流失情況[6]。

2)水土保持項目施工期監(jiān)測中3D激光掃描技術(shù)的運用。

在施工期內(nèi)，主要針對高填深挖、土石方移運等導致的水土流失問題進行分析，采用3D激光掃描技術(shù)全面對施工場地路塹邊坡、路堤邊坡和棄土與取土場地邊坡等因降雨引發(fā)的嚴重水土流失參數(shù)進行掃描。此階段的主要工作任務是監(jiān)測水土流失量與水土流失災害事件的危害程度，同時監(jiān)測水土流失治理手段等[7]。

3)水土保持項目植被恢復期監(jiān)測中3D激光掃描技術(shù)的運用。

在植被恢復期，主要針對水土流失治理工程實施的水土保持效果進行對比監(jiān)測。通過3D激光掃描技術(shù)對相關數(shù)據(jù)參數(shù)進行提取，以此對植被存活率、林草植被覆蓋率等進行分析。

詳細測定結(jié)果見表1。

表1 丹東市水土保持監(jiān)測中3D激光掃描測定的土壤侵蝕模數(shù)

表2 丹東市水土保持監(jiān)測中現(xiàn)場試驗測定的土壤侵蝕模數(shù)

2.2 應用結(jié)果分析

從上述監(jiān)測數(shù)據(jù)對比結(jié)果中可以看出，每個監(jiān)測項目基于3D激光掃描技術(shù)測定的水土保持監(jiān)測結(jié)果相差變化不大，在量級上基本一致，基本能夠滿足丹東市水土保持監(jiān)測過程中的監(jiān)測精度要求，從而為大范圍將3D掃描技術(shù)運用于區(qū)域水土保持監(jiān)測工作中提供了必要的理論和技術(shù)支撐[8]。

但總體來看，每個監(jiān)測項目監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)之間也存在一定的偏差。究其原因，主要在于現(xiàn)場掃描測量技術(shù)裝置存在技術(shù)偏差，且監(jiān)測位置與監(jiān)測點布置存在一定的差異，這一不足依然有待在今后監(jiān)測工作中繼續(xù)完善[9]。

3 結(jié) 語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在日常工作中的運用非常廣泛。但是，將其應用于水土保持監(jiān)測工作中依然屬于全新的嘗試。本研究結(jié)合某水土保持治理實踐工程，對3D掃描技術(shù)在該工程水土保持效果監(jiān)測中的具體運用實踐情況進行了詳細闡述。通過全面的數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計，最終應用結(jié)果表明，基于3D掃描技術(shù)得到的水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果精確度較高，基本可滿足工程項目開發(fā)建設水土保持監(jiān)測精度要求，值得在今后工作中全面應用與推廣。

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1007-7596(2017)08-0156-03

2017-07-16

潘松一(1986-)，男，遼寧丹東人，工程師，從事水土保持規(guī)劃、綜合治理等工作。

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