基于地面三維激光掃描及BIM技術(shù)的坡面土壤侵蝕監(jiān)測

鄧神寶，沈清華，陳三雄，傅志浩

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1]。當(dāng)今社會(huì)高速發(fā)展，建設(shè)活動(dòng)頻繁，植被破壞、坡耕地墾殖嚴(yán)重，土壤侵蝕形勢嚴(yán)峻。研究準(zhǔn)確、快速測定土壤侵蝕量，制定土壤侵蝕的防治措施，是可持續(xù)發(fā)展必須解決的課題，傳統(tǒng)的土壤侵蝕監(jiān)測方法包括徑流小區(qū)法、侵蝕溝量測法、沉沙池法等，這些方法存在精度低、工作量大等問題[2]。部分研究結(jié)合GIS和RUSLE模型(Revised Universal Soil Loss Equation，修正的通用土壤流失方程)，利用GIS生成單項(xiàng)因子的柵格數(shù)據(jù)層，再按照RUSLE模型綜合各項(xiàng)因子執(zhí)行柵格運(yùn)算，獲得土壤侵蝕量數(shù)據(jù)層，據(jù)此分析土壤侵蝕的強(qiáng)度分布、影響因子等[3- 7]。這類方法適用于大范圍監(jiān)測，小規(guī)模研究區(qū)利用遙感數(shù)據(jù)精度不高，且難以準(zhǔn)確剔除植被。匡星等人推導(dǎo)出路堤坡面水土流失計(jì)算方法，可估算路堤水土流失臨界坡長和水土流失模數(shù)，算得水土流失量與實(shí)測結(jié)果吻合[8]。類似的公式法參數(shù)較多，一些參數(shù)依據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)取值，易受人為主觀因素影響，且參數(shù)值適用性不強(qiáng)。使用鐵釘法、GPS測量法計(jì)算土壤侵蝕量，通過一定間隔的有限數(shù)據(jù)，插值獲得整個(gè)研究區(qū)的模型，由于數(shù)據(jù)稀疏，精度不高[9- 10]。

坡面土壤侵蝕監(jiān)測，不僅需要快速、高精度的數(shù)據(jù)采集手段，還需要高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算平臺(tái)。地面三維激光掃描，也稱“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)[11]，將傳統(tǒng)的接觸式單點(diǎn)測量，轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)距離三維立體掃描，具備高效、高精度和超長測距等優(yōu)勢。三維激光掃描儀結(jié)合ArcGIS、Leica cyclone等軟件，已被應(yīng)用于水土流失量計(jì)算[12- 13]。然而，ArcGIS并無專業(yè)的點(diǎn)云處理功能，運(yùn)算性能有限；Leica cyclone點(diǎn)云處理功能強(qiáng)大，但在點(diǎn)云疊加顯示、范圍裁切等方面有所不足。Bentley公司的Power InRoads是功能強(qiáng)大的BIM軟件，具備點(diǎn)云可視化、裁切、三維建模等功能，運(yùn)算性能強(qiáng)大，可由點(diǎn)云直接生成DTM(Digital Terrain Model，數(shù)字地形模型)計(jì)算侵蝕量。本文使用地面三維激光掃描儀采集點(diǎn)云，引入Bentley Power InRoads計(jì)算侵蝕量，以某高速的棄用便道邊坡作為研究區(qū)，探討坡面土壤侵蝕監(jiān)測方案。

1 原理

1.1 地面三維激光掃描

三維激光掃描儀的工作原理為：激光發(fā)射器產(chǎn)生激光脈沖掃描目標(biāo)P，以掃描儀中心為原點(diǎn)測算目標(biāo)距離r，并同步記錄激光束的橫向旋轉(zhuǎn)角度φ和縱向旋轉(zhuǎn)角度θ，得到P點(diǎn)極坐標(biāo)(r，φ，θ)。根據(jù)圖1所示的極坐標(biāo)與笛卡爾直角坐標(biāo)的關(guān)系，按圖1算得P點(diǎn)直角坐標(biāo)[14]。

圖1 維激光掃描儀的工作原理[14]

(1)

本研究使用奧地利生產(chǎn)的RIEGL VZ- 1000型三維激光掃描儀及其配套軟件RISCAN PRO。該款掃描儀激光發(fā)射頻率可達(dá)30萬點(diǎn)/s，最小角分辨率為0.0005°，100m處單次掃描精度為5mm。

1.2 DTM

DTM是由地面散點(diǎn)構(gòu)建的一系列連續(xù)的三維三角形，對(duì)于不規(guī)則表面建模十分有效。基于DTM的侵蝕量計(jì)算原理如圖2所示，將起始面的三角形依次投影至侵蝕面上，形成平截頭棱錐體，依據(jù)所有平截頭棱錐體體積算得侵蝕量。其中，侵蝕面位于起始面以下的部分為沖刷量，侵蝕面在上的部分為堆積量。結(jié)果精度僅受DTM精度影響，而DTM精度取決于點(diǎn)云精度、DTM構(gòu)建精度兩個(gè)方面，本研究對(duì)此均有針對(duì)性措施。

圖2 基于DTM的土壤侵蝕量計(jì)算原理

2 技術(shù)路線

土壤侵蝕監(jiān)測主要包括數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云處理和侵蝕量計(jì)算三個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集主要使用RIEGL掃描儀，點(diǎn)云處理使用RiSCAN PRO，侵蝕量計(jì)算基于Bentley Power InRoads實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 土壤侵蝕監(jiān)測技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)采集

首先野外實(shí)地踏勘，查看現(xiàn)場地形，確定監(jiān)測范圍，選定三維激光掃描儀的測站點(diǎn)。部分特殊、困難地區(qū)，適當(dāng)加密設(shè)置測站點(diǎn)，以便從多個(gè)角度掃描，消除盲區(qū)。選定測站點(diǎn)后，埋設(shè)固定標(biāo)石長期保存使用。標(biāo)石穩(wěn)定后，精確測量測站坐標(biāo)。三維激光掃描，首先設(shè)定適當(dāng)?shù)膾呙杈嚯x和角分辨率，掃描距離根據(jù)測站點(diǎn)與掃描對(duì)象的距離設(shè)置，可選范圍介于450～1200m之間；角分辨率越小，點(diǎn)云模型越精細(xì)，采集時(shí)間越長，建議選用0.04°或0.02°。作業(yè)時(shí)，三維激光掃描儀架設(shè)在前期選埋的固定標(biāo)石上，嚴(yán)格對(duì)中整平。采用穩(wěn)固不變的標(biāo)石，是保證數(shù)據(jù)采集精度的關(guān)鍵。

2.2 點(diǎn)云處理

使用RiSCAN PRO，結(jié)合測站坐標(biāo)、方位角等數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云配準(zhǔn)至工程坐標(biāo)系。由于坐標(biāo)、方位角等值可能存在誤差，配準(zhǔn)后的點(diǎn)云模型會(huì)有細(xì)微的位置差異，多站調(diào)整計(jì)算可消除這一差異，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云模型的無縫拼接。點(diǎn)云中的噪聲點(diǎn)包括植被、電桿等非地形點(diǎn)，以及少量的空中離散點(diǎn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，必須充分濾除。RiSCAN PRO的地形濾波器(terrain filter)，通過運(yùn)算分析自動(dòng)篩選植被和電桿點(diǎn)云；對(duì)于少量的空中離散點(diǎn)，可人機(jī)交互選取剔除。之后將點(diǎn)云導(dǎo)出為文本格式(.txt)。

2.3 侵蝕量計(jì)算

將點(diǎn)云導(dǎo)入Bentley Power InRoads，提取固定特征點(diǎn)坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)各期點(diǎn)云的相對(duì)精度，在精度合格的前提下，計(jì)算侵蝕量。為保證DTM構(gòu)建精度，對(duì)濾波后的點(diǎn)云不做抽稀及插值處理。指定計(jì)算范圍，根據(jù)該范圍裁切點(diǎn)云，確保各期數(shù)據(jù)計(jì)算范圍一致。點(diǎn)云裁切后直接生成DTM，兩期DTM執(zhí)行計(jì)算，即可得到土壤侵蝕量。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣州市從化區(qū)呂田鎮(zhèn)境內(nèi)，為某高速棄用的便道邊坡。監(jiān)測前，對(duì)便道進(jìn)行了封閉處理，監(jiān)測期間邊坡坡面不受人為干擾。坡面長約70m，面積為824.149m2。在坡面周圍埋設(shè)4個(gè)測站點(diǎn)標(biāo)石，標(biāo)石凝固穩(wěn)定后，于2015年9月16日完成第一期掃描，之后于2015年11月3日、2016年4月28日、8月30日分別完成第二期、第三期和第四期掃描。

表1 各期點(diǎn)云同名特征點(diǎn)坐標(biāo) 單位：m

3.2 點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)

選取8個(gè)固定特征點(diǎn)作為檢測點(diǎn)，以第一期數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)第二、第三和第四期相對(duì)于第一期數(shù)據(jù)的精度，坐標(biāo)數(shù)據(jù)見表1。選擇點(diǎn)位中誤差、特征點(diǎn)間距中誤差兩項(xiàng)精度指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，檢測點(diǎn)數(shù)量小于20，以誤差的算術(shù)平均值代替中誤差[15]。按照1- 5、2- 6、3- 7、4- 8的組合構(gòu)成四條特征線，依據(jù)特征點(diǎn)坐標(biāo)反算特征線長度，據(jù)此統(tǒng)計(jì)特征點(diǎn)間距中誤差。

精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，相對(duì)于第一期數(shù)據(jù)，第二期數(shù)據(jù)的點(diǎn)位中誤差為25mm，間距中誤差為40mm；第三期點(diǎn)位中誤差為26mm，間距中誤差為34mm；第四期點(diǎn)位中誤差為19mm，間距中誤差為26mm。參照相關(guān)技術(shù)要求[16]，點(diǎn)位中誤差均不大于30mm，達(dá)到二等精度要求；間距中誤差均不大于50mm，達(dá)到三等精度要求，可見點(diǎn)云精度較高。

表2 點(diǎn)云相對(duì)精度統(tǒng)計(jì) 單位：mm

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

侵蝕量計(jì)算將四期數(shù)據(jù)兩兩組合分為三組，三組數(shù)據(jù)的起始面分別為第一、第二和第三期數(shù)據(jù)，全部以第四期數(shù)據(jù)作為侵蝕面。這樣最大化三組數(shù)據(jù)的監(jiān)測時(shí)間，侵蝕量較大，利于分析比較。已有研究驗(yàn)證了使用Leica cyclone計(jì)算土壤侵蝕量可以滿足野外監(jiān)測要求[12]。本文將BIM軟件與Leica cyclone的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3，驗(yàn)證本文方法的可行性。

表3 土壤侵蝕量計(jì)算結(jié)果及比較 單位：m3

由表3可得出以下結(jié)論：①BIM軟件與Cyclone的計(jì)算結(jié)果誤差最大為14.81%，最小為2.97%，平均誤差為8.04%，兩者結(jié)果較為一致；②BIM軟件的計(jì)算結(jié)果顯示，起始面與第四期數(shù)據(jù)間隔時(shí)間越短，侵蝕量越小，計(jì)算結(jié)果符合邏輯推理；③坡面總面積為824.149m2，第一期與第四期之間的侵蝕量為41.495m3，平均流失厚度達(dá)到5.035cm。坡面表層為裸土，且坡度介于45°～60°之間，因此土壤侵蝕劇烈；④土壤侵蝕主要集中在第三期和第四期之間，期間流失量占比達(dá)到77.0%，這是當(dāng)?shù)亟涤曜顬榧械臅r(shí)期，約含蓋了年降雨量的80%，說明坡面土壤侵蝕主要受降雨影響。

圖4 DTM疊加顯示效果 注：圖4中，第四期數(shù)據(jù)為灰色表示，其余各期均為黑色表示。

DTM疊加顯示效果如圖4所示。圖4中(a)圖為第四期數(shù)據(jù)構(gòu)造的DTM，模型中雨水沖刷效應(yīng)明顯，侵蝕溝輪廓清晰；(b)、(c)、(d)三圖為前三期數(shù)據(jù)與第四期數(shù)據(jù)依次兩兩疊加而得。嚴(yán)重沖刷區(qū)域，土壤表面成分不斷流失，侵蝕面被覆蓋于起始面以下，且兩期數(shù)據(jù)相隔時(shí)間越久，沖刷量越大，覆蓋越多。邊坡右下方稍平緩，沖刷物在此堆積，形成灰色出露部分。土壤主要沿侵蝕溝流失，使得侵蝕溝拓寬變深。

4 結(jié)語

本文結(jié)合三維激光掃描儀及BIM軟件，研究了坡面土壤侵蝕監(jiān)測，介紹了具體的工作流程，研究區(qū)監(jiān)測結(jié)果說明。

(1)BIM軟件與Leica cyclone的侵蝕量計(jì)算結(jié)果接近，平均誤差為8.04%；

(2)監(jiān)測坡面為裸土，坡度介于45°～60°之間，平均流失厚度達(dá)5.035cm，土壤侵蝕劇烈；

(3)侵蝕作用主要發(fā)生在雨水較多的4～8月份之間。

需要注意的是，本文側(cè)重方法的比較驗(yàn)證，忽略了土體下沉對(duì)侵蝕量的影響，這是本文的不足之處，也是實(shí)際應(yīng)用必須考慮的因素。BIM已融入建設(shè)工程各個(gè)階段，對(duì)其需求也日益增加，將BIM引入土壤侵蝕監(jiān)測，滿足建設(shè)工程數(shù)據(jù)一致性、平臺(tái)一致性的要求，符合技術(shù)發(fā)展的潮流。

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