3D激光掃描測量開發建設項目堆棄土邊坡侵蝕強度的試驗研究

何元慶，魏建兵，郭彥娟，陸衛星，劉 慶，劉 平，程 炯

(1.廣東省生態環境與土壤研究所，廣東廣州510650;2.廣州市水土保持監測站，廣東廣州510006;3.中國科學院廣州地球化學研究所，廣東廣州510640)

隨著社會經濟的快速發展，各地各類項目建設造成的人為水土流失問題日益突出。相比于自然狀態下的水土流失發生發展過程而言，項目建設造成的水土流失具有突發性、強度高、危害大等特點［1］。2002年國家頒布實施的《水土保持監測技術規程》(SL 277—2002)，將開發建設項目水土保持監測單獨列出，對開發建設項目的水土流失監測技術、方法作出了原則性規定，并在監測方法中明確提出應積極鼓勵采用新技術新方法［2］。在開發建設項目水土保持方案編制和日常水土保持監督檢查工作中，水土流失量的變化情況和水土流失強度是重要的計算和檢查指標［3］。目前，地面觀測土壤流失量的傳統測量方法有徑流小區法、測釬法、侵蝕溝量測法、沉沙池法和控制站法等，這些測量方法在實際應用過程中往往存在著工作量大、設備落后、測量精度低、主觀隨意性大等問題［4］。

針對目前開發建設項目水土流失監測技術和設備比較傳統和落后的情況，國內如黃河水土保持生態環境監測中心、中科院水利部水土保持研究所等一些研究機構，引進3D激光掃描儀，在各自的人工降雨基地進行了水土流失監測方面的試驗研究，但其主要的目的是應用土槽或徑流場試驗檢驗儀器的測量精度［5］，而將該設備應用于生產實踐檢驗研究的還很少見。作為新技術和新方法，3D激光掃描已經逐步應用于考古、文物保護、土木工程、醫學、應急服務等領域［6］，但正如前面所述，目前在水土保持監測方面的應用還處于初級階段。因此，選擇典型的生產建設項目和典型的流失類型，開展該儀器在水土流失測量中的操作規程和精度檢驗研究具有重要的理論意義和實踐價值。

1 研究區概況

試驗研究區位于廣州市太平鎮順興采石場，該地區地貌以丘陵、谷地為主，屬南亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫21.4℃，年平均降水量1776 mm，降水主要集中在汛期4—9月，期間降水量占全年的80.8%。項目區的海拔在100 m左右，土壤以赤紅壤為主，由花崗巖風化而成，土層疏松，透水性強，持水力差，在植被退化或工程擾動的情況下極易造成嚴重的水土流失。

2 研究內容與方法

開發建設項目現場條件的復雜性和擾動的頻繁性，使得很難用掃描儀將所有的水土流失防治責任范圍和流失類型記錄下來。根據監測點位的可達性和可操作性，在生產運行期選擇干擾相對較少的排土場、典型的水土流失類型和典型的水土流失坡面，進行土壤流失強度的3D激光掃描監測，并在現場設置了測釬小區進行水土流失強度測量比較研究。

2.1 3D激光掃描儀

本研究使用廣州市水土保持監測站引進的徠卡HDS高清晰測量系統ScanStation2三維激光掃描儀。掃描速度50000點/s，全方位視角360°×270°，掃描距離約為300 m(90%反射率)和134 m(18%發射率)，是目前使用界面友好、測量精度較高的測繪儀器，本次研究設定掃描距離為30 m、點云空間分辨率為0.01 m。

2.2 測釬與掃描監測場地的選取

為與常規監測方法進行對比，以確定掃描儀在野外特定類型坡面土壤流失強度測量上的精度，將測釬小區與掃描小區選取在同一位置。小區均為矩形，尺寸(寬×斜高)為10 m×12 m，坡向北偏東40°，觀測場坡度θ為35°，坡長15 m。監測前先將直徑1.4 cm、長100 cm的20根鋼釬沿鉛垂方向打入測釬小區坡面，每行4根每列5根，行距3 m、列距2 m，每根標樁打至釘帽與坡面相距10 cm，并在釘帽上涂上便于識別的紅漆，編號記錄。

2.3 數據采集與分析

在2011年雨季，以大約1個月為監測周期進行了5次監測，測釬和掃描監測在同一天進行，一般以2～3次大到暴雨為間隔，每次掃描記錄坡面土壤形態的點云數據，使用系統配置的Cyclone軟件進行室內數據后處理和計算分析，并同日記錄釘帽露出地面與上一次的高度差，供室內分析土壤流失量。

3 結果與分析

3.1 掃描監測

3D掃描通過數據采集、點云拼接、坐標轉換、數據降噪、地形建模和土方量計算，最后獲得各個監測間隔期的土壤流失量。圖1為5次掃描獲取的點云數據(分別為4月19日、5月18日、6月21日、7月22日、8月31日)，圖2為系統軟件處理后的小區水土流失過程中坡面地形的三維顯示。雨季中，在降雨沖刷侵蝕下，坡面發生了面狀侵蝕—細溝侵蝕—切溝侵蝕等過程。掃描數據計算的土方量及其在監測期間的變化如表1所示。監測時段內的6—7月份的土壤流失量最大，平均土壤侵蝕強度62417 t/(km2·a)(由于大部分水土流失發生在雨季，所以以雨季的流失量代表全年的)，屬劇烈侵蝕。

表1 監測期間土方量及其變化

3.2 測釬監測

該排土場是試驗前幾個月堆積成的，測釬小區的鋼釬與土體會產生沉降，鋼釬內的土體也會產生沉降。考慮到只有鋼釬內的土體沉降才對測釬法產生影響，因此實際流失(侵蝕)厚度計算公式為［2］

式中:Z為實際土壤流失厚度，mm;Z0為土壤流失厚度(觀測值)，mm;β為鋼釬內土體的沉降高度，mm。

計算出實際土壤流失厚度，采用下式計算土壤流失量:

式中:ST為土壤流失總量，kg;S為簡易土壤流失觀測場面積，m2;Z為實際流失厚度，mm;γ為流失(侵蝕)泥沙容重(密度)，kg/m3;θ為簡易土壤流失觀測場坡度，(°)。

通過對水蝕測釬法觀測記錄表進行整理，土壤容重取1480 kg/m3，根據對照觀測β取0.112Z0，運用上述兩個公式計算，得出測釬小區在4月19日到8月31日這個時段內的土壤流失量，見表2。土壤侵蝕強度為54140 t/(km2·a)。

表2 各監測時段的測釬法土壤流失監測結果

鋼釬監測結果與掃描監測結果對比，其結果要偏小一些，偏差為13.26%。原因在于，鋼釬記錄的數據只是其所在局部點位的土壤厚度變化情況，而無法反映其他部位如釬間侵蝕溝的侵蝕量，因此結果會偏小，而掃描儀點云間距設計精度高，基本能夠完全記錄面蝕和所有大小溝蝕造成的水土流失量。因此，相對傳統的監測方法，3D掃描法監測的精度有較大提升。

4 結語

本研究通過選擇開發建設項目中典型的水土流失坡面，進行3D激光掃描監測技術在生產實踐中的應用精度研究，初步得出如下結論和建議:

(1)在同一水土流失坡面同時期的監測中，傳統鋼釬法監測結果與用3D激光掃描法監測的結果偏差為13.26%，3D激光掃描儀具有較高的土壤形態變化記錄性能，相對傳統的監測方法具有較高的監測精度。

(2)開發建設項目形成的堆棄土坡面一般具有土質疏松、易于沉降的特點，實際監測過程中土方自然沉降的問題不容忽視，需要設置土方沉降的標記，計算沉降系數，以校正該條件下的監測數據，這樣監測的結果才更準確、客觀。

(3)土壤流失初期，坡面會產生很多細溝，為提高掃描監測的精度，還需要提高點云間距精度(掃描分辨率)，一般的激光掃描儀該參數精度可達到2 mm，能夠保證記錄水土流失引起的面蝕和所有大小溝蝕造成的土壤流失量。另外，由于掃描儀的原理是通過障礙物激光反射測量標的物的形態，單站掃描會出現一些盲點，需要在目標周圍多設幾個掃描站位，通過點云拼接和疊加消除盲點。因此，在本次研究結果的基礎上，通過設定更高的掃描分辨率和更多的站位，監測精度還有較大的提升空間。

(4)本次研究中，無論是測釬法還是掃描法，所監測到的土壤流失量都非常大，主要有如下幾方面原因:①該排土場是試驗前幾個月堆積成的，堆體松散，降雨后流失量大;②該排土場的土質由花崗巖風化而成，含沙量比較高，土層疏松，屬于沙壤土質，透水性強，持水力差，加劇了水土流失;③所監測的點位處于排土場的下坡位，降雨時上方的雨水集中下泄，水流對坡面的劇烈沖刷造成嚴重的溝蝕;④南方夏季的臺風雨天氣降雨強度大、歷時長，水蝕嚴重;⑤監測點位的地表完全裸露，沒有任何水土保持防護措施。因此，本次所監測到的土壤流失強度僅為代表特定流失類型特定監測時段的情況。

(5)利用3D掃描儀進行水土保持監測，是提升水土保持監測精度的發展方向，但還需要針對不同的項目、不同的監測點位和不同的監測時段進行更多的研究。比較3D掃描法與常規的監測方法之間所獲得數據的差異性，可為采用新技術新方法進行水土保持監測積累基礎數據和經驗。

［1］胡續禮，楊樹江.開發建設項目水土流失監測技術與發展趨勢［J］.治淮，2007(1):32－33.

［2］SL277—2002，水土保持監測技術規程［S］.

［3］劉鵬.云南省開發建設項目水土保持監測若干問題的探討［J］.中國水土保持，2011(2):32 －33.

［4］喻權剛.新技術在開發建設項目水土保持監測中的應用［J］.水土保持通報，2007，27(4):5－9.

［5］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監測溝蝕過程的對比研究［J］.水土保持通報，2008，28(5):11 －20.

［6］徐進軍，余明輝，鄭炎兵.地面三維激光掃描儀應用綜述［J］.工程勘察，2008(12):31 －34.