三維激光掃描建模技術(shù)在水土保持科技示范園區(qū)規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用

胡云華 ，張小波 ，秦 偉 ，殷 哲 ，何永福 ，陳尚書

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，100048，北京；2.四川省成都市水土保持監(jiān)測分站，610031，成都；3.四川省崇州市水務(wù)局，611230，崇州；4.四川省水土保持局，610065，成都）

隨著生態(tài)文明建設(shè)被納入國家“五位一體”總體布局，生態(tài)建設(shè)規(guī)模、質(zhì)量和進(jìn)程得到快速發(fā)展。規(guī)劃設(shè)計是生態(tài)建設(shè)的綱領(lǐng)性技術(shù)文件，是一切后續(xù)工作的總藍(lán)圖。在各類生態(tài)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計中，作為基礎(chǔ)資料的地形數(shù)據(jù)，是進(jìn)行功能分區(qū)布局、措施典型設(shè)計的基本依據(jù)，是決定后續(xù)規(guī)劃設(shè)計成果準(zhǔn)確性與合理性的重要前提。針對不同類型的生態(tài)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計，探索有效的地形信息獲取方法，具有十分重要的意義。

我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，黨中央和國務(wù)院歷來高度重視水土保持工作。建設(shè)美麗中國，水土保持更成為生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)性工程。作為集技術(shù)示范、科研試驗(yàn)、技術(shù)培訓(xùn)、教育宣傳和產(chǎn)業(yè)培育為一體的綜合園區(qū)，水土保持科技示范園區(qū)是促進(jìn)水土流失治理、示范水土保持科技、增強(qiáng)公眾生態(tài)意識的重要載體，推進(jìn)園區(qū)建設(shè)成為當(dāng)前及今后一個時期水利科技示范體系建設(shè)的重要工作。

高效創(chuàng)建高水平水土保持科技示范園區(qū)，前期必須做好規(guī)劃設(shè)計，而根據(jù)建設(shè)需要，水土保持科技示范園區(qū)規(guī)劃一般多為詳細(xì)性規(guī)劃，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和規(guī)劃內(nèi)容的現(xiàn)勢性要求高。參照《城市測量規(guī)范（CJJ/T 8—2011）》這類規(guī)劃所需地形數(shù)據(jù)的比例尺度宜大于1∶1000，若進(jìn)行挖填土方計算和措施典型設(shè)計時，對應(yīng)地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和時效性要求更高，而滿足如此要求的地形數(shù)據(jù)一般都需實(shí)地勘測才能獲取。實(shí)際勘測中，目前主要采用全野外測圖或航空攝影測量兩種方法，但均存在一定不足，難以有效支撐規(guī)劃工作的需要。因此，探索不同大比例尺地形數(shù)據(jù)高效、準(zhǔn)確獲取及其分析方法，是保障水土保持科技示范園區(qū)規(guī)劃設(shè)計質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。

本研究以四川省崇州榿木河水土保持科技示范園區(qū)建設(shè)規(guī)劃中廢棄渣場景觀化設(shè)計為典型實(shí)例，嘗試采用三維激光掃描快速建模技術(shù)及其數(shù)據(jù)分析方法支撐園區(qū)規(guī)劃設(shè)計，并與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行了效率對比，探索提出在水土保持科技示范園區(qū)等專項規(guī)劃設(shè)計中應(yīng)用三維激光掃描建模技術(shù)的基本方案，以期為提升科技示范園區(qū)、小流域綜合治理、生產(chǎn)建設(shè)項目防治措施等水土保持相關(guān)規(guī)劃與設(shè)計的工作效率與科技水平提供有益參考。

一、三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)與設(shè)備選型

1.三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)地形數(shù)據(jù)獲取方法主要有全野外數(shù)字測圖法和航空攝影測量法。其中，全野外數(shù)字測圖法具有技術(shù)流程簡單、定位準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但工作效率低、人力成本高；航空攝影測量法具有快速高效等優(yōu)點(diǎn)，但精度較低，目前主要適用于比例尺小于1∶1000的地形圖測制，且受天氣狀況、禁飛管制和地物遮擋等因素的限制較多。三維激光掃描是近年逐步成熟的地形數(shù)據(jù)獲取方法，具有效率和精度高、限制性因素少等特點(diǎn)，可全天時、非接觸、高效率獲取地物空間三維信息，雖然設(shè)備的軟硬件成本相對較高，但針對水土保持科技示范園區(qū)建設(shè)中一些兼具治理防護(hù)和景觀展示功能的要素設(shè)計，以及一些工程措施多、開挖擾動強(qiáng)，且需詳細(xì)核算工程造價的設(shè)計工作，則具有突出技術(shù)優(yōu)勢與工作效率。

2.三維激光掃描設(shè)備選擇

三維激光掃描儀的基本原理是由發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同路徑反向傳回接收器，由此解算反射點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而由點(diǎn)到面，獲得掃描區(qū)域的相對位置與高度，再由基準(zhǔn)點(diǎn)獲得絕對地形信息。按照掃描平臺的不同可以分為：機(jī)載或星載激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。激光測量的有效距離是決定設(shè)備應(yīng)用范圍的重要條件，通常也據(jù)此進(jìn)行分類，具體包括：短距離激光掃描儀、中距離激光掃描儀、長（超長）距離激光掃描儀。不同掃描距離的設(shè)備特性、適用范圍見表1。

水土保持科技示范園面積范圍大多為0.1～100 km2，且無須達(dá)到微米級精細(xì)化建模的精度要求，因此一般可采用長（超長）距離三維激光掃描儀開展地形數(shù)據(jù)獲取工作。本研究選用瑞士某公司HDS8800超長測程三維激光掃描儀，具有測距長、精度高、速度快等優(yōu)勢，最遠(yuǎn)掃描距離達(dá)2000m，掃描速度達(dá)8 800點(diǎn)/s，掃描視場角度為水平方向 0°～360°、 垂直方向 0°～80°，集成7 000萬像素球幕相機(jī)，可同步獲取每個激光點(diǎn)的像素信息。

二、應(yīng)用園區(qū)及其規(guī)劃設(shè)計概況

1.園區(qū)基本情況

四川省崇州榿木河水土保持科技示范園區(qū)以成都市崇州榿木河濕地公園一期工程核心區(qū)為建設(shè)范圍，位于崇州市崇陽鎮(zhèn)以西，總面積39.37 hm2。園區(qū)北臨成溫邛高速，東臨成溫邛高速安仁連接線，南臨成蒲鐵路，西臨榿木河觀光道，距崇州城西約3 km、成都市區(qū)50 km、雙流國際機(jī)場40 km，交通便利，區(qū)位優(yōu)勢明顯。項目區(qū)地處我國西南紫色土區(qū)，屬川渝山地丘陵二級分區(qū)中的四川盆地南部中低丘土壤保持三級分區(qū)；沱江一級支流榿木河穿流而過，年均雨量1 012 mm，土壤以水稻土、沖積土和紫色土為主，經(jīng)過前期濕地公園治理，生態(tài)環(huán)境良好，林草植被和濕地覆蓋面積達(dá)66%，年來訪客流約50萬人次，具有廣泛的科普示范受眾。

2.園區(qū)規(guī)劃設(shè)計

鑒于崇州榿木河項目區(qū)具有創(chuàng)建水土保持科技示范園區(qū)的良好基礎(chǔ)，2017年四川省水利廳將其納入園區(qū)創(chuàng)建重點(diǎn)項目區(qū)，同年9月四川省財政廳、水利廳聯(lián)合下發(fā)《有關(guān)下達(dá)2017年省級財政水利發(fā)展專項資金的通知》，安排崇州市在榿木河開展生態(tài)清潔小流域建設(shè)項目，同步推進(jìn)水土保持科技示范園區(qū)建設(shè)。同時，崇州市水務(wù)局編制了崇州市榿木河科技示范園區(qū)工程項目建議書，同年12月獲得崇州市發(fā)展和改革局批復(fù)，計劃總投資約1 100萬元。為做好園區(qū)建設(shè)的頂層設(shè)計，崇州市水務(wù)局委托中國水利水電科學(xué)研究院開展園區(qū)建設(shè)規(guī)劃編制工作。

表1不同掃描距離的三維激光掃描儀基本信息

在全面調(diào)查、現(xiàn)場勘測、深入論證和廣泛征求意見的基礎(chǔ)上，中國水利水電科學(xué)研究院編制完成《四川省崇州榿木河水土保持科技示范園區(qū)建設(shè)規(guī)劃》，并于2018年12月通過四川省水利廳組織的技術(shù)評審并獲得批復(fù)。根據(jù)批復(fù)的規(guī)劃內(nèi)容，園區(qū)按照國家級水土保持科技示范園區(qū)評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，通過充分依托現(xiàn)有濕地公園生態(tài)治理基礎(chǔ)，將濕地公園景觀提升與水土保持科普示范有機(jī)結(jié)合，打造以科普教育為主體功能，集科技示范和觀賞游憩為一體的高水平水土保持科技示范園區(qū)。針對創(chuàng)建目標(biāo)和功能定位，最終將規(guī)劃范圍劃分為水土保持科普宣傳區(qū)、坡地水土流失防治區(qū)、生態(tài)梯田工程展示區(qū)、水土保持植物觀賞區(qū)、工程棄渣治理示范區(qū)、濕地生態(tài)修復(fù)游憩區(qū)、生態(tài)農(nóng)田試驗(yàn)宣傳區(qū)等功能區(qū)。其中工程棄渣治理示范區(qū)主要通過合理整治和利用規(guī)劃范圍內(nèi)現(xiàn)有占地約2萬m2的廢棄堆渣，實(shí)現(xiàn)生態(tài)景觀提升和科普教育示范。

按照園區(qū)建設(shè)需求，建設(shè)規(guī)劃的深度總體確定為水土保持建設(shè)項目前期工作可行性研究階段，其中工程棄渣治理示范區(qū)需對現(xiàn)有廢棄堆渣進(jìn)行景觀化設(shè)計，因此相關(guān)內(nèi)容按初步設(shè)計深度編制。根據(jù)對渣土占地、規(guī)模等初步踏勘，將開展其規(guī)劃設(shè)計所需地形數(shù)據(jù)比例尺確定為1∶500。由于園區(qū)靠近崇州豪蕓通用機(jī)場且緊鄰成雅高鐵，屬于禁飛區(qū)域，無法利用航拍進(jìn)行信息采集，全野外測圖法人力成本較高，工作效率較低，本次規(guī)劃選擇三維激光掃描建模技術(shù)獲取所需地形數(shù)據(jù)，同時輔以RTK實(shí)地測量檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢核。

三、外業(yè)數(shù)據(jù)測量與采集

1.踏勘選點(diǎn)

首先，根據(jù)規(guī)劃范圍內(nèi)的勘測對象分布及周邊地物狀況，實(shí)地選取圖根點(diǎn)。圖根點(diǎn)除需能滿足直接架設(shè)儀器進(jìn)行測量外，還要作為測量后視點(diǎn)，其質(zhì)量好壞直接決定掃描數(shù)據(jù)建模的完整性及工作效率，具體選取要求包括：

①與測量主體的距離小于儀器有效測量距離；

②應(yīng)便于安置設(shè)備和操作，視場內(nèi)周圍障礙物的高度角一般應(yīng)小于15°，保持前方視野開闊，以便獲取更多有效數(shù)據(jù)；

③所有圖根點(diǎn)的位置應(yīng)在測區(qū)均勻分布，視場應(yīng)覆蓋所有待測范圍，水平和垂直方向均無遮擋死角，相鄰圖根點(diǎn)上獲取的數(shù)據(jù)重疊率應(yīng)大于20%；

④后續(xù)若采用GPS測量圖根點(diǎn)坐標(biāo)，其位置還應(yīng)遠(yuǎn)離電視臺、微波站等大功率無線電發(fā)射源，相隔距離需在200 m以上，以減少信號干擾。

研究區(qū)范圍內(nèi)無大功率無線電發(fā)射源，根據(jù)上述原則綜合實(shí)地特征，最終選定 6個圖根點(diǎn)（TG1—TG6）。同時為了檢核三維激光掃描儀精度，在測區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)選取20個點(diǎn)作為檢查點(diǎn)（JC1—JC20），圖根點(diǎn)和檢查點(diǎn)位置分布見圖1。

2.單點(diǎn)測量

在所選的每個圖根點(diǎn)和檢查點(diǎn)測量其位置和高程信息。單點(diǎn)測量一般采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式，若測區(qū)無手機(jī)信號GPRS數(shù)據(jù)傳輸時，采用靜態(tài)方式施測臨時骨架基準(zhǔn)點(diǎn)，然后采用單基準(zhǔn)站RTK方式開展測量。當(dāng)測區(qū)GPS干擾嚴(yán)重時，可根據(jù)已知點(diǎn)利用全站儀等設(shè)備采用解析測量法獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)。本研究采用天寶R8高精度RTK測量圖根點(diǎn)和檢查點(diǎn)平面坐標(biāo)和大地高高程，RTK平面收斂閥值設(shè)置為2 cm，垂直收斂閥值設(shè)置為3 cm，重復(fù)測量次數(shù)5次，當(dāng)5次測量之間的平面、高程互差小于0.15 m時，取平均值作為最終測量成果，單點(diǎn)測量時間約50 s，最后利用水準(zhǔn)面精化模型解算圖根點(diǎn)正常高度。

3.數(shù)據(jù)采集

將掃描儀架設(shè)于圖根點(diǎn)上，對中整平，記錄并量取設(shè)備儀器高。輸入架設(shè)點(diǎn)坐標(biāo) （X,Y,Z）和后視點(diǎn)坐標(biāo)（X,Y,Z），進(jìn)行后視點(diǎn)照準(zhǔn)定向，并根據(jù)測區(qū)狀況設(shè)置掃描參數(shù)。鑒于水土保持科技示范園區(qū)規(guī)劃設(shè)計的對象面積與規(guī)模相對較大，適宜采用遠(yuǎn)距離掃描模式，為便于后期濾波處理，對于帶有高清相機(jī)的設(shè)備可同步勾選采集激光點(diǎn)像素信息，隨后啟動設(shè)備進(jìn)行自動采集。每一圖根點(diǎn)上的測量時間與所設(shè)置的掃描點(diǎn)云密度、掃描對象間距呈正相關(guān)，即設(shè)置的密度、距離越長則所需掃描時間越長。本研究中設(shè)置的點(diǎn)云密度為15cm、對象間距為1000m，并同步獲取掃描點(diǎn)像素信息，單點(diǎn)掃描時間約60 s。掃描結(jié)束后關(guān)閉設(shè)備，移至下一個圖根點(diǎn)進(jìn)行掃描作業(yè)，直至全部圖根點(diǎn)逐一掃描完成。

圖1 棄渣渣體區(qū)圖根點(diǎn)和檢查點(diǎn)位置分布圖

四、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與分析

1.數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)處理采用與HDS8800配套的專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Leica Cyclone三維掃描工具進(jìn)行。首先，利用軟件打開手簿導(dǎo)出的所有圖根點(diǎn)上所采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行拼接（見圖2）。由于各圖根點(diǎn)均進(jìn)行定向，因此數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)自動匹配拼接。其次，為獲取真實(shí)地形數(shù)據(jù)，對拼接后的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾去噪、抽稀提純處理，主要去除植被、建筑、飛鳥等無用信息。Leica Cyclone軟件提供了距離過濾、角度過濾、離散點(diǎn)過濾、邊緣過濾、面過濾等多種過濾模式，可根據(jù)實(shí)地情況優(yōu)選組合。最后，借助掃描儀內(nèi)置相機(jī)所拍攝的像素信息進(jìn)行手工抽稀，以進(jìn)一步去除噪點(diǎn)信息，并將完成抽稀處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為dat格式用于后期三維建模分析。

2.三維建模

首先，利用ArcGIS軟件打開抽稀處理后的地形點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)劃范圍對地形點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切，去掉規(guī)劃范圍以外的無用地形點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲得覆蓋規(guī)劃范圍的有效地形測圖數(shù)據(jù)范圍20 590 m2。其次，利用ArcGIS軟件CreateTIN工具創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型（Triangulated Irregular Network，TIN），并利用TIN to Raster工具自動生成數(shù)字高程模型 （Digital Elevation Model，DEM），本研究中像元大小設(shè)置為0.1 m，最終獲得規(guī)劃范圍的三維地面模型（TIN和DEM數(shù)據(jù)見圖3）。

3.精度檢核

提取各檢查點(diǎn)位置在三維建模中的地面模型高程，與RTK實(shí)地測量結(jié)果進(jìn)行對比（結(jié)果見表2），并計算平均誤差、中誤差、誤差標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)。對比可知，測量誤差的平均值為3.62 cm，最小值-14.26 cm，最大值25.39 cm，中誤差17.95 cm，誤差標(biāo)準(zhǔn)差17.58 cm。從誤差結(jié)果來看，利用三維激光掃描儀獲取的三維地面模型的精度，整體高于丘陵地區(qū)1∶500地形圖高程精度要求（高程中誤差≤25 cm），可以滿足水土保持科技示范園區(qū)中廢棄渣體等對象精細(xì)化景觀規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求。

4.效率對比

根據(jù) 《測繪生產(chǎn)成本費(fèi)用定額計算細(xì)則（2009版）》，按Ⅰ類困難類別測算，采用航測法生產(chǎn)一幅1∶500地形數(shù)據(jù)需3定額工日，采用全野外法生產(chǎn)一幅1∶500地形數(shù)據(jù)需6定額工日。研究區(qū)測圖總面積 20590m2，按 1∶500 地形圖標(biāo)準(zhǔn)分幅面積折算約合0.33標(biāo)準(zhǔn)分幅，航飛數(shù)據(jù)獲取按0.5定額工日估算，若采用航測法需1.49定額工日，采用全野外法需1.98定額工日。研究區(qū)三維激光掃描圖根點(diǎn)測量和測站數(shù)據(jù)采集共約耗時2小時，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理耗時約4小時，合計0.75定額工日。采用三維激光掃描獲取地形數(shù)據(jù)，相較于航測法提高效率49.66%，相較于全野外測圖提高效率62.12%。

五、數(shù)據(jù)規(guī)劃應(yīng)用

1.地形信息獲取

通過三維激光掃描獲得有效地形測圖面積20 590 m2，棄渣堆最大高差 11.98 m，最大坡度 86.76°，平均坡度 10.65°，利用 ArcGIS軟件 Cut Fill工具，設(shè)定計算基準(zhǔn)面為529.82 m，計算可得規(guī)劃區(qū)現(xiàn)有堆渣占地面積約20 200 m2，棄渣（石）量 63 000 m3。

2.規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用

圖2 拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 渣體TIN和DEM數(shù)據(jù)三維效果

表2 檢查點(diǎn)高程值和三維建模地面模型高程值的對比

圖4 工程棄渣治理示范區(qū)規(guī)劃設(shè)施效果

為合理利用廢棄渣體及其占用土地，并提升生態(tài)景觀和加強(qiáng)科普示范，本研究提出通過對現(xiàn)有堆渣進(jìn)行集中堆放、攔擋平整等，形成類似假山的造景地形。根據(jù)測量獲取的精細(xì)地形信息，進(jìn)行了渣體整體和邊坡穩(wěn)定分析、地基承載能力復(fù)核、擋渣墻穩(wěn)定計算等。在此基礎(chǔ)上，圍繞榿木河濕地公園以榿木為主題喬木植物的特色，將重新堆放的渣體設(shè)計為榿木葉形，通過設(shè)置攔擋和排水等水土保持工程措施，種植景觀花卉植物，鋪設(shè)透水地面及設(shè)立普法宣傳展板等方法，打造以生產(chǎn)建設(shè)項目人為水土流失防治為主題的示范宣傳景觀元素，并使頂面向旁邊的成雅高鐵略傾，以擴(kuò)大景觀展示受眾。經(jīng)測算，渣體整治堆形后占地縮減為7 900 m2，共需修建擋渣墻410 m、截排水溝523 m、沉沙池 1座，鋪設(shè)透水磚 811 m2，清運(yùn)堆渣19 000 m3，恢復(fù)植被17 400 m2（設(shè)計效果見圖 4）。

六、結(jié)論與建議

綜上所述，應(yīng)用三維激光掃描建模技術(shù)支撐水土保持治理規(guī)劃設(shè)計，首先根據(jù)園區(qū)規(guī)劃范圍合理選擇三維激光掃描儀器，在進(jìn)行實(shí)地踏勘的基礎(chǔ)上，選擇圖根點(diǎn)和測站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測量，隨后進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯整理、精度檢核，最終獲得滿足精度要求的地形數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上開展填挖方計算及典型設(shè)計工作。在外業(yè)數(shù)據(jù)獲取過程中，應(yīng)注意圖根點(diǎn)的選擇，點(diǎn)位需位于儀器的有效掃描范圍內(nèi)且視場開闊，確保掃描范圍盡量覆蓋測量主體，若需要使用網(wǎng)絡(luò)RTK測量圖根點(diǎn)坐標(biāo)，還應(yīng)盡量避開無線電輻射源。數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)根據(jù)測量范圍和精度要求，合理設(shè)置掃描點(diǎn)密度和掃描距離，減少數(shù)據(jù)冗余和單站測量時間。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，需對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾去噪、抽稀提純處理，使用帶有像素獲取功能的三維激光掃描儀，可有效提高特征點(diǎn)提取的效率和準(zhǔn)確度。

經(jīng)試驗(yàn)，采用三維激光掃描建模技術(shù)獲取的崇州榿木河水土保持科技示范園區(qū)地面模型數(shù)據(jù)，高程中誤差17.95 cm，滿足丘陵地區(qū)1∶500地形圖高程中誤差≤25 cm的精度要求，測圖工作相較于航測法提高效率49.66%，相較于全野外測圖提高效率62.12%，有效支撐了園區(qū)規(guī)劃，為工程設(shè)計、測算堆渣清運(yùn)量和植被恢復(fù)面積提供了精確的數(shù)據(jù)支撐。本研究應(yīng)用三維激光掃描建模技術(shù)支撐水土保持治理規(guī)劃設(shè)計的基本方案，可在今后水土保持科技示范園區(qū)和小流域綜合治理等規(guī)劃設(shè)計中推廣應(yīng)用。