三維激光掃描技術(shù)在水土保持與荒漠化防治中的研究進(jìn)展

張 超，高 永，黨曉宏，李婉嬌，韓彥隆，丁延龍，劉湘杰，翟 波

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三維激光掃描技術(shù)在水土保持與荒漠化防治中的研究進(jìn)展

張 超，高 永，黨曉宏，李婉嬌，韓彥隆，丁延龍，劉湘杰，翟 波

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011）

三維激光掃描技術(shù)是近年來興起的一種對(duì)于土壤侵蝕監(jiān)測(cè)、風(fēng)沙地貌、防沙措施效益評(píng)價(jià)的新手段，對(duì)于水土保持研究與荒漠化防治具有重要的促進(jìn)作用。本文對(duì)前人使用三維激光掃描技術(shù)在水土保持與荒漠化防治工作中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)目前存在的問題和后續(xù)研究進(jìn)行探討，以期為三維激光掃描技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用提供借鑒。

三維激光掃描技術(shù)；土壤侵蝕；荒漠化；展望

三維激光掃描技術(shù)是依托三維激光掃描儀在高時(shí)空分辨率下獲取地面空間信息的技術(shù)手段[1]，相比于傳統(tǒng)的高精度智能型的全站儀，三維激光掃描技術(shù)可以更快速、精準(zhǔn)地對(duì)各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則的實(shí)體進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，高效地獲取被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、色彩信息和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了距離、角度、反射率等數(shù)值[2]。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三維激光掃描技術(shù)的研究主要集中在大面積地形圖繪制[3]、橋梁變形檢測(cè)[4-6]、建筑物三維模型的重建[7-8]、礦物學(xué)[9-11]、植物學(xué)[12]等眾多領(lǐng)域，對(duì)于滑坡和侵蝕溝穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)以及沙丘移動(dòng)監(jiān)測(cè)、防沙治沙工程效益評(píng)價(jià)等方面鮮有報(bào)道。三維激光掃描儀在水土保持與荒漠化防治工作的應(yīng)用還處于成長(zhǎng)階段，雖然具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也受自身的因素影響使其在工作中具有一定的限制性，因此，為了后續(xù)更好地將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于水土保持與荒漠化防治研究中，本文通過總結(jié)前人使用三維激光掃描技術(shù)在水土保持與荒漠化防治工作中的應(yīng)用成果，并對(duì)目前存在的問題和后續(xù)研究進(jìn)行探討，以期為今后工作提供相關(guān)基礎(chǔ)建議。

1 在水土保持領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

三維激光掃描儀是一種高精度非接觸式測(cè)量?jī)x器，利用激光脈沖二極管發(fā)射脈沖，經(jīng)旋轉(zhuǎn)棱鏡射向目標(biāo)，通過電子掃描探測(cè)器接收并記錄返回的脈沖，再由后處理軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成坐標(biāo)系中的模型，其測(cè)量誤差小，可以真實(shí)的反映測(cè)量物體表面特征變化[13]，經(jīng)過數(shù)據(jù)拼接轉(zhuǎn)換及濾波消除噪音后可以描述被測(cè)物體表面細(xì)微的變化特征[14]。三維激光掃描儀操作模式簡(jiǎn)單掃描時(shí)間快，測(cè)得點(diǎn)數(shù)據(jù)所生成DEM（Digital Elevation Model，DEM），其精度最高分辨率能達(dá)到±3 mm[15]，垂直測(cè)量精度在±0.02 m[16]。相比于傳統(tǒng)的侵蝕測(cè)針、高精度GPS監(jiān)測(cè)方法，三維激光掃描儀技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)更好更精細(xì)地描述面蝕演變過程，甚至可以明顯地展現(xiàn)出由于片蝕作用而生成的細(xì)小侵蝕坑洼點(diǎn)，在三種測(cè)量方法中，三維激光掃描儀估算的侵蝕誤差最小僅為4.56%，高精度GPS的誤差介于其他方法之間為7.38%，侵蝕測(cè)針法誤差最大為－12.78%[17]?；谏鲜龈呔鹊臏y(cè)量原理和模式，三維激光掃描技術(shù)在探究侵蝕溝機(jī)理研究中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。利用三維激光掃描技術(shù)獲取的多期高精度DEM數(shù)據(jù)，不僅可以從時(shí)間尺度和空間尺度對(duì)溝坡侵蝕進(jìn)行差異研究，而且還可以對(duì)侵蝕溝的發(fā)育過程進(jìn)行描述與建模。這方面目前已有一定的研究成果，如徐加盼等利用降雨前后DEM進(jìn)一步分析得出，坡底主要分布高級(jí)別的坡度，沖溝現(xiàn)象易出現(xiàn)在坡底[18]。余叔同[19]、張姣[20]等均利用三維激光掃描技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)精細(xì)的揭示了溝蝕的發(fā)育過程。楊春霞等[21]利用三維激光掃描技術(shù)證明了坡面中下部與溝坡中部是坡溝系統(tǒng)侵蝕強(qiáng)度最大的部位。覃超等在間歇性人工模擬降雨的條件下，通過三維激光掃描技術(shù)提取了高精度 DEM數(shù)據(jù)，分析結(jié)果表明，細(xì)溝侵蝕速率和總侵蝕速率的最大值出現(xiàn)在以細(xì)溝溝底下切侵蝕為主的細(xì)溝發(fā)育活躍期，最小值出現(xiàn)在以溝頭溯源侵蝕為主的細(xì)溝發(fā)育初期[22]。但是利用三維激光掃描技術(shù)受天氣影響較大，如果在連續(xù)降雨的過程中測(cè)定地表數(shù)據(jù)，野外試驗(yàn)由于機(jī)器自身的防水性不好，不能進(jìn)行觀測(cè)，而在室內(nèi)試驗(yàn)過程中，降雨的雨滴會(huì)成為噪聲點(diǎn)與粗差點(diǎn)，這樣會(huì)對(duì)后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接建模造成很大的影響，目前點(diǎn)云去噪的方法有很多，可以根據(jù)具體實(shí)際情況選擇合適的方法去噪，對(duì)于降雨過程中的去噪可以通過點(diǎn)云分層去噪[23]，刪除獨(dú)立的噪聲點(diǎn)和非地面點(diǎn)，剩余的可以在軟件中手動(dòng)刪除。

三維激光掃描儀技術(shù)不僅只應(yīng)用在溝蝕和面蝕等方面的研究，同時(shí)還應(yīng)用于崩崗侵蝕、滑坡、泥石流的監(jiān)測(cè)中，國(guó)外學(xué)者Abellán A驗(yàn)證了該技術(shù)可以作為研究巖石崩塌的參考工具，且獲取的高精度DEM可以記錄落石情況以及更精確的模擬落石的軌跡和速度[24]。崩崗侵蝕方式多樣，造成崩崗流域內(nèi)地形地貌的復(fù)雜多樣[25]，并且對(duì)于崩崗的監(jiān)測(cè)使用傳統(tǒng)方法時(shí)，一方面測(cè)量困難，一些地方監(jiān)測(cè)人員不能到達(dá)，且測(cè)量所得數(shù)據(jù)誤差相對(duì)較大，另一方面，在觀測(cè)過程中監(jiān)測(cè)人員可能處于一個(gè)危險(xiǎn)的測(cè)量環(huán)境，人身安全不能保障。因此劉洪鵠等發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)可以克服這些困難，給出高精度的崩崗的形態(tài)特征數(shù)據(jù)，分析崩崗的溝道發(fā)育特征[26]。劉希林等利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)崩崗侵蝕過程研究結(jié)果表明，地形是崩崗發(fā)育的主要影響因素，崩崗侵蝕量與崩崗表面坡度變化呈現(xiàn)正態(tài)分布[27]。韓用順使用三維激光掃描技術(shù)和高分辨率遙感影像等手段，進(jìn)行了不同降雨條件下的山洪泥石流坡面、溝道、斷面和小流域地表形變監(jiān)測(cè)，構(gòu)建高精度 DEM，提出了坡面泥石流和溝道泥石流的侵蝕、發(fā)育和演化特征，揭示了泥石流的變形破壞、沖淤變化和演化規(guī)律[28]。

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在水土保持方面的研究具有一定的優(yōu)越性。第一，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段相比，三維激光掃描技術(shù)獲取侵蝕溝其形態(tài)變化的數(shù)據(jù)是高精度的，而且通過合理的數(shù)據(jù)分析，可以細(xì)致地分析整個(gè)侵蝕過程中各部位的變化，同時(shí)也可以建立侵蝕模型，更全面直觀地反映侵蝕溝的發(fā)育過程。第二，測(cè)量效率高，速度快，使得在大面積侵蝕溝測(cè)量不需耗費(fèi)大量的人工和時(shí)間，非接觸式測(cè)量也提高了測(cè)量人員在外業(yè)測(cè)量中的安全性。

三維激光掃描技術(shù)在使用過程中也存在一定的局限性。一方面相比于道路、橋梁等建筑物掃描測(cè)量，不同尺度侵蝕地貌掃描測(cè)量，沒有明顯的標(biāo)志點(diǎn)，人為布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)必須依據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況和后期數(shù)據(jù)處理的要求來合理布設(shè)，否則會(huì)加大工作量，后期數(shù)據(jù)拼接與校驗(yàn)困難。另一方面在測(cè)量過程中氣候因素（降雨、刮風(fēng)等），地面植被、電線桿等非需求物體，都會(huì)產(chǎn)生大量不可避免的噪聲數(shù)據(jù)，如果不進(jìn)行合理的去噪濾波處理，會(huì)嚴(yán)重影響后期數(shù)據(jù)結(jié)果的處理。

2 在荒漠化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

荒漠化是目前全球性的生態(tài)環(huán)境問題，在設(shè)置合理的防沙治沙措施前對(duì)于各種風(fēng)蝕地貌形態(tài)變化及發(fā)育演變特征的研究是非常有必要的，目前關(guān)于風(fēng)沙地貌形態(tài)觀測(cè)的手段分為兩大類：傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)研究手段、現(xiàn)代監(jiān)測(cè)研究手段。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)研究手段有文字觀測(cè)記錄法、插標(biāo)桿法，現(xiàn)代監(jiān)測(cè)研究手段有3S技術(shù)航空航天遙感測(cè)量法、地面差分GPS（RTK）、全站儀等方法[29]，但這些方法都存在一定的局限性，文字觀測(cè)記錄法在進(jìn)行風(fēng)沙地貌測(cè)量時(shí)，只適用于小尺度的定量研究，對(duì)于大、中尺度的測(cè)量獲取精確的數(shù)據(jù)比較困難；插標(biāo)桿法人為誤差影響極大，測(cè)量結(jié)果有偏差；航天航空測(cè)量雖能進(jìn)行大、中尺度的測(cè)量，但在進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程中，費(fèi)用極高；全站儀在工作過程中主機(jī)需與棱鏡保持通視狀態(tài)，這就限制了其對(duì)高大沙丘形態(tài)地貌的監(jiān)測(cè)；使用RTK測(cè)量中雖然流動(dòng)站和參考站無需通視，但對(duì)于大面積沙丘的形態(tài)測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)，工作量大，同時(shí)在背風(fēng)坡的測(cè)量過程中，測(cè)量人員行走困難，測(cè)量過程中遮擋、強(qiáng)磁場(chǎng)干擾及超遠(yuǎn)距離測(cè)量等原因都會(huì)導(dǎo)致連接失鎖，測(cè)量誤差和精度不高，達(dá)不到預(yù)期的效果。三維激光掃描儀不受這些自然及人為因素的影響，經(jīng)過多次掃描可精細(xì)逼真的還原風(fēng)沙地貌動(dòng)態(tài)變化過程，對(duì)于風(fēng)沙微觀地貌有一定的適用性，在荒漠化防治研究中，尤其是沙丘形態(tài)變化、防沙治沙措施效益評(píng)估等方面有非常好的應(yīng)用前景。2004年Nagihara就驗(yàn)證了使用三維激光掃描儀對(duì)沙丘形態(tài)周期變化的可行性[30]。Ochoa使用三維激光掃描技術(shù)研究了一個(gè)沙丘的地貌演變過程[31]。Nield從三維激光掃描技術(shù)回波信號(hào)強(qiáng)度入手，通過獲取沙粒躍變的點(diǎn)云的初步數(shù)據(jù)，并結(jié)合地表土壤水分和粗糙度，闡明了躍變?cè)谏沉＿w移過程中的重要性，并使用這種方法探究了干旱沙灘風(fēng)沙帶的移動(dòng)和發(fā)育，其結(jié)果證明了三維激光掃描技術(shù)在研究海灘和沙漠環(huán)境的風(fēng)沙過程有潛在的用途[32-33]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者陸續(xù)將三維激光掃描儀應(yīng)用到荒漠化防治不同領(lǐng)域中，取得了一系列重要研究成果，促進(jìn)了荒漠化研究的發(fā)展。其中針對(duì)觀測(cè)環(huán)境惡劣，紋理特征不明顯的風(fēng)沙地物（例如：沙丘、雅丹體等），安志山等經(jīng)過前期試驗(yàn)應(yīng)用的總結(jié)和科學(xué)的探究，提出了一套從外業(yè)標(biāo)靶、測(cè)站布設(shè)到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的觀測(cè)的方案，同時(shí)與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，最終確定風(fēng)沙地物測(cè)量測(cè)站不應(yīng)該超過6站[34]。張慶圓將三維激光掃描儀應(yīng)用到沙丘監(jiān)測(cè)的研究中，通過對(duì)比兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果來分析沙丘的整體變化[35]。丁連剛則應(yīng)用于對(duì)草方格沙障障格內(nèi)蝕積形態(tài)的監(jiān)測(cè)，獲得高精度障格內(nèi)的蝕積量[36]。張克存等利用三維激光掃描儀評(píng)價(jià)了青藏鐵路沿線風(fēng)沙工程防護(hù)體系的效益，結(jié)果表明礫石方格內(nèi)垂直鐵路方向易形成穩(wěn)定凹曲面，固沙效果顯著，阻沙柵欄有效防護(hù)距離為柵欄高度的12倍[37]。

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用與展望

三維激光掃描技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)與荒漠化監(jiān)測(cè)中雖取得了一定程度的應(yīng)用，但還有很大的發(fā)展空間，尤其是在沙丘各部位形態(tài)特征變化、沙丘移動(dòng)、侵蝕溝發(fā)育過程中細(xì)微變化具有優(yōu)越性。

（1）后續(xù)的研究中要耦合技術(shù)，例如關(guān)于高大密集流動(dòng)沙丘時(shí)空動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，形成“三維激光掃描儀+無人機(jī)+GIS”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[38]，將三維激光掃描技術(shù)對(duì)沙丘形態(tài)年、季三維形態(tài)測(cè)量與航空航天大尺度多年測(cè)量相結(jié)合，如遇到云層、掃描盲區(qū)等因素的影響，可以使用小型無人機(jī)監(jiān)測(cè)，同時(shí)配合地面?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行補(bǔ)充與驗(yàn)證，可以更準(zhǔn)確地為揭示高大密集流動(dòng)沙丘時(shí)空動(dòng)態(tài)變化提供一定數(shù)據(jù)支撐。土壤侵蝕地貌與風(fēng)沙地貌建模中，可以將三維激光掃描儀生產(chǎn)的DEM形態(tài)數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型測(cè)算的數(shù)據(jù)相結(jié)合，把數(shù)字模型和數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來共同運(yùn)用，篩選最優(yōu)模型，精細(xì)的描述和模擬地貌形態(tài)的演化機(jī)理。

（2）儀器自身問題尚需解決，目前加拿大、奧地利、美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)高精的三維激光掃描儀[39]，國(guó)外對(duì)三維激光掃描技術(shù)及產(chǎn)品上擁有關(guān)鍵技術(shù)，形成技術(shù)壟斷，使得三維激光掃描儀價(jià)格昂貴，不具有普適性。同時(shí)為了滿足儀器在無直流電源狀態(tài)下的正常使用，電池被設(shè)計(jì)的質(zhì)量重，體積大，在野外數(shù)據(jù)采集過程中搬運(yùn)尤其困難；一些地物對(duì)激光光源的反射敏感性差，使得掃描過程中出現(xiàn)盲區(qū)；測(cè)量完成后獲得數(shù)量極大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，地面植被會(huì)產(chǎn)生大量不可避免的噪聲數(shù)據(jù)，如何快速去噪、有效的篩選和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)是應(yīng)用三維激光掃描儀目前存在的問題之一[40]。因此需要加強(qiáng)這些方面的研究工作，除自身優(yōu)化升級(jí)儀器及軟件配套設(shè)施外，儀器設(shè)計(jì)人員應(yīng)與相關(guān)的科研人員要合作攻關(guān)，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，打破技術(shù)壟斷，結(jié)合實(shí)際問題，合理設(shè)計(jì)，使其符合現(xiàn)在的研究需求。

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Application of 3D Laser Scanning Technique in Soil and Water Conservation and Desertification Control

ZHANG Chao，GAO Yong，DANG Xiao-hong，LI Wan-jiao，HAN Yan-long，DING Yan-long，LIU Xiang-jie，ZHAI Bo

（College of Desert Control Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China）

Descriptions were made on application of 3D laser scanning technique in monitoring of soil erosion, evaluation of sand control measures in recent years. Propositions were offered such as further study on coupling technology and cost of the instrument.

3D laser scanning technology; soil erosion; desertification; expectation

10.3969/j.issn.1001-3776.2018.03.011

S157；P234.4

A

1001-3776（2018）03-0072-05

2017-09-17；

2018-03-22

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金“高大密集流動(dòng)沙丘上營(yíng)建植被與沙丘活動(dòng)的互控機(jī)制”項(xiàng)目

張超，碩士研究生，從事荒漠化防治研究；E-mail：zc1995777@126.com。

高永，教授，從事荒漠化防治研究；E-mail：13948815709@163.com。