實驗地貌的動態(tài)觀測裝置

趙超，徐向舟，徐飛龍，王書芳

(1.大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，116024，遼寧大連;2.貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘電站建設(shè)公司，564408，貴州余慶)

精密的觀測儀器是試驗質(zhì)量的保證。實驗地貌的觀測歸根到底是對地表糙度的測量，其測量技術(shù)可分為接觸式測量和非接觸式測量2 大類。傳統(tǒng)的接觸式高程觀測方法，如測尺法、測針板法、滾鏈法等具有設(shè)備操作簡易、成本低等優(yōu)勢，但同時也存在破壞原始地形、觀測精度較低等不足［1－2］。近年來，近景攝影測量技術(shù)、激光掃描技術(shù)以及超聲波測量等非接觸式觀測技術(shù)的發(fā)展為土壤侵蝕的定量監(jiān)測帶來了新的研究手段［3］。數(shù)字近景攝影測量技術(shù)具有較高的觀測精度和效率，其設(shè)備操作簡易且成本相對較低，但觀測精度仍需結(jié)合傳統(tǒng)手段進行率定和校核;點云式激光掃描技術(shù)使用范圍廣、精度高，但設(shè)備制作成本高、數(shù)據(jù)處理量大;超聲波地形儀多用于水下地形觀測，其應(yīng)用范圍、觀測效率和精度有待改進。以上觀測手段都不能實現(xiàn)對實驗地貌變化過程的實時、動態(tài)觀測(如溝坡侵蝕過程的動態(tài)定量觀測)。鑒于此，筆者提出了一種實驗地貌的動態(tài)觀測裝置——MX－2010－G 型地貌儀(簡稱“地貌儀”)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對溝坡微地貌變化進行動態(tài)連續(xù)的非接觸式觀測，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)溝坡重力侵蝕的定量觀測，這對研究溝坡的侵蝕過程和發(fā)生機制具有重要意義。

1 試驗裝置及原理

MX－2010－G 型地貌儀對實驗地貌進行動態(tài)觀測的基本原理是:激光一字儀與攝像機配合，獲取坡面的等值線圖;然后在ArcGIS 軟件中賦值形成三維立體圖，進而可提供坡體的體積、投影面積和各點坐標(biāo)等參數(shù)。該地貌儀由地形定位裝置和圖像數(shù)據(jù)采集裝置組成，其中地形定位裝置由等距激光源、激光定位點斑發(fā)射裝置和穩(wěn)壓直流電源組成，圖像數(shù)據(jù)采集裝置由計算機和帶激光瞄準(zhǔn)儀的CCD 攝像機組成。地貌儀單機的觀測范圍為2 m×3 m、0°～90°坡面，多臺等距激光源組合可觀測較大范圍溝坡地貌的動態(tài)變化。

地貌儀的工作方法如圖1 所示。等距激光源向被測溝坡面投射一組相互平行且等間距的扇形激光平面(多光平面，相鄰2 個激光平面的設(shè)計間距為30 mm)，多光平面與地形表面相交形成一組反應(yīng)其表面形態(tài)特征的等距激光條紋;激光定位點斑發(fā)射裝置沿垂直于多光平面的方向發(fā)射一組相互平行的激光束，該激光束與被測溝坡面相交為一組激光定位點斑;CCD 攝像機主光軸平行于激光瞄準(zhǔn)儀軌跡線，通過調(diào)整激光瞄準(zhǔn)儀保證CCD 攝像機主光軸垂直于多光平面;然后，由計算機指令CCD 攝像機對被測溝坡地貌變化過程進行實時錄像，從錄像中截取被測溝坡的地形光條紋圖像，特別是溝坡侵蝕前、后的地形圖像;最后，根據(jù)激光定位點的已知相對坐標(biāo)分別對光條紋圖像進行畸變矯正和尺寸率定，通過ArcGIS 軟件對光條紋圖像進行二值化;根據(jù)各面激光之間的已知間距依次對圖像中的激光線條進行賦值，形成被測溝坡地形等值線圖并建立三維模型，進行相關(guān)的計算分析。

圖1 地貌儀工作原理示意圖Fig.1 Diagram of the MX－2010－G topography meter

2 試驗設(shè)計與方法

2.1 試驗設(shè)計

為檢驗地貌儀的觀測性能，設(shè)計了2 個試驗場景:室內(nèi)不同坡度溝坡試驗和室外溝坡試驗。前者率定不同坡度條件下地貌儀的體積測量精度，后者則主要分析地貌儀的高程測量精度和三維模型精度。

試驗a:室內(nèi)不同坡度溝坡試驗。共設(shè)計5 組不同坡度溝坡模型，分別為35°、45°、55°、65°和75°，溝坡坡度α 可通過可伸縮支腿任意調(diào)整，溝坡模型的表面積為120 cm×200 cm。通過在溝坡面上人為增加和減少體積已知實物來模擬溝坡侵蝕過程，如圖2 所示。圖2(a)和圖2(b)分別代表同一坡度溝坡侵蝕前、后2 種狀態(tài)，用地貌儀分別對這2種不同狀態(tài)的溝坡進行掃描觀測，得到溝坡侵蝕體積(圖2(a)中陰影所示激光線覆蓋的突出部分)。然后，用鋼卷尺量測模型突出體上相距最遠的2 根等距激光線之間的距離L，以確定被測物體的實際體積。對比地貌儀的觀測值和實物的實際體積，從而檢驗地貌儀在不同坡度溝坡地形中的觀測精度。

圖2 室內(nèi)溝坡模型試驗布置Fig.2 Gully model for the laboratory test

試驗b:室外溝坡試驗。在室外選取一塊溝坡地形，并在其上方搭建一個120 cm×140 cm 的現(xiàn)場水平觀測平臺(圖3)，該平臺可通過4 個可伸縮支腿來進行調(diào)節(jié)，以保證平臺處于水平面。用細麻線將平臺等分成168 個10 cm×10 cm 的小網(wǎng)格，從網(wǎng)格橫線與縱線的交點處拉鉛垂線，鉛垂線與溝坡面的交點處用紅色記號筆作標(biāo)記，并將其作為高程控制點。由于這些高程控制點是由168 個小網(wǎng)格投影所形成，因此，在溝坡面上這些高程控制點構(gòu)成了水平間距為10 cm×10 cm 的網(wǎng)格測點。先采用水準(zhǔn)儀觀測坡面上各紅色標(biāo)記點的高程，然后采用地貌儀觀測，并形成3 維DEM 圖，將現(xiàn)場照片嵌入DEM圖中，在ArcGIS 的ArcSence 模塊下判讀坡面上各紅色標(biāo)記點的坐標(biāo)。對比分析這2 種量測方法的測量結(jié)果。

2.2 溝坡侵蝕定量觀測方法

溝坡侵蝕定量觀測流程如圖4 所示。1)通過視頻截圖從試驗錄像中截取溝坡侵蝕前地形圖像(P1)和侵蝕后地形圖像(P2)，并將P1和P2分別導(dǎo)入到Photoshop 軟件中;2)通過比較P1和P2，初步確定溝坡侵蝕邊界，利用Photoshop 中的“動作錄制及播放”功能實現(xiàn)虛擬邊墻定界，保證P1和P2中的虛擬邊墻為同一邊墻，從而避免產(chǎn)生虛擬邊墻定界誤差;3)將經(jīng)虛擬邊墻處理過的P1和P2分別導(dǎo)入到ArcGIS 軟件中，并在Georeferencing 模塊支持下對其進行畸形變形矯正和尺寸率定(校準(zhǔn)點采用激光定位點斑發(fā)射裝置發(fā)射的激光點斑)，得到P3和P4;4)在ArcGIS 軟件平臺下對P3和P4進行矢量化并生成DEM，分別計算出溝坡侵蝕發(fā)生前、后的體積，二者的差值即為溝坡侵蝕量。同理，只需算出重力侵蝕發(fā)生前、后瞬間的溝坡體積，二者之差即為當(dāng)次重力侵蝕量。這種方法觀測到的重力侵蝕量中不摻雜水力侵蝕量。

圖3 現(xiàn)場水平觀測平臺Fig.3 Observation platform for the field study

2.3 特征點高程數(shù)值精度

運用均方差公式評定特征點高程數(shù)值精度。地貌儀觀測到的各檢查點在水平橫軸x 軸方向上的誤差為

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Data processing chart

3 結(jié)果與分析

3.1 坡度對觀測結(jié)果的影響

對于不同坡度溝坡模型，地貌儀的觀測結(jié)果見表1。可以看出，地貌儀測量的體積相對誤差可以控制在±10%以內(nèi)，其中絕對值最大相對誤差為9.0%，絕對值最小誤差為0.4%。試驗結(jié)果中，有的相對誤差大于0(即地貌儀測量值偏大)，有的相對誤差小于0(即地貌儀測量值偏小)，說明模型坡度對地貌儀的觀測精度影響很小。地貌儀觀測誤差大小主要與數(shù)據(jù)處理中相片校準(zhǔn)的質(zhì)量以及攝像機拍攝角度出現(xiàn)微小偏差(攝像機視線與激光線平面不嚴(yán)格垂直)等因素有關(guān)。

表1 對于不同坡度溝坡的地貌儀觀測結(jié)果Tab.1 Observation results of the MX－2010－G topography meter for slopes with different gradients

3.2 溝坡地形高程分析

3.2.1 特征點高程分析 采用水準(zhǔn)儀和地貌儀觀測到的檢查點坐標(biāo)值見表(2)。由式(1)求得的檢查點的空間坐標(biāo)誤差分別為σx=0.99 cm，σy=0.84 cm，σz=0.42 cm，滿足水土保持模型試驗精度要求。另外，水準(zhǔn)儀觀測本身有誤差，尤其對于本研究中地勢起伏很大的地形。事實上，地貌儀的觀測結(jié)果應(yīng)該比水準(zhǔn)儀觀測結(jié)果更準(zhǔn)確。

表2 分別采用水準(zhǔn)儀和地貌儀觀測到的檢查點坐標(biāo)值對比Tab.2 Data of check points observed by the level and the topography meter，respectively

3.2.2 斷面高程分析 在溝坡面上選取6 個斷面，每個斷面上再選取11 個測點，把2 種量測方法測得的斷面測點高程值統(tǒng)一坐標(biāo)系后，以水準(zhǔn)儀測量數(shù)據(jù)z 為自變量，地貌儀測量數(shù)據(jù)Z 為因變量，用線性回歸的方法對比分析2 種量測方法所得到的結(jié)果，其線性回歸方程可用下式表達:

式中:a 為Z 軸上的截距，10－2m;b 為回歸系數(shù)。

從表3 可知，在6 個斷面測點系列高程值線性回歸分析中，回歸系數(shù)b 與決定系數(shù)R2值都近似等于1，表明運用2 種不同的量測方法所得到的測量值呈高度線性相關(guān)。

表3 2 種量測方法觀測的斷面測點高程比較Tab.3 Comparison of the elevations measured with the two different measurement methods

3.3 溝坡地形三維模型分析

在ArcGIS 9.2 平臺支持下，將地貌儀得到的地形等高線數(shù)據(jù)導(dǎo)入shape 文件，建立地形表面TIN文件，形成溝坡地形三維模型(圖5)。從圖5(b)可見，溝坡地形三維模型能夠較精確地反映出溝坡地形表面的形態(tài)特征，如果縮小多光平面間距，還可得到更為精確的溝坡地形表面模型。可知，地貌儀在溝坡地形精細測量和精確建模方面具有較大的應(yīng)用潛力。

圖5 溝坡地形與三維模型對照Fig.5 Comparison of the three－dimensional model and the prototype rill

4 結(jié)論

1)地貌儀能夠?qū)崿F(xiàn)對溝坡微地貌變化過程的動態(tài)連續(xù)觀測。

2)地貌儀觀測精度較高，適于對實驗地貌體積和坐標(biāo)的觀測。

3)基于地貌儀構(gòu)建的溝坡地貌三維模型能夠較精確地反映出溝坡地形表面的形態(tài)特征，地貌儀在溝坡地形精細測量和精確建模方面具有較大的應(yīng)用潛力。

李昕宇、王萍萍、嚴(yán)橋等同學(xué)參加了率定試驗和數(shù)據(jù)處理工作，在此表示感謝。

［1］ 張鵬，鄭粉莉，王彬，等.高精度GPS，三維激光掃描和測針板三種測量技術(shù)監(jiān)測溝蝕過程的對比研究［J］.水土保持通報，2008，28(5):11－15

［2］ Werner J，Andreas K.Soil surface roughness measurement: methods，applicability，and surface representation［J］.Catena，2005，64:174－192

［3］ 王書芳，徐向舟，徐飛龍.實驗地貌的觀測方法研究進展［J］.測繪科學(xué)，2012(2).優(yōu)先出版