三維激光掃描技術在水土保持監測中的應用

李萬能 金平偉 向家平 張自軍 李嵐斌

(珠江水利委員會珠江流域水土保持監測中心站)

隨著經濟社會的發展，各地各類開發建設項目逐漸增多，人為水土流失現象日益突出，加強開發建設項目的水土保持監測，已成為一項重要任務。但在開發建設項目水土流失定量化研究上，深度與精度不夠，侵蝕溝量測方法過于陳舊，難以適應現階段開發建設項目水土保持監測的相關要求。隨著高新技術的發展與普及，水土保持監測技術逐步提高。本文采用先進的激光掃描技術對侵蝕溝坡面進行測量，為開發建設項目水土流失定量監測提供了一個新的技術平臺。

1 地面三維激光掃描技術及其基本工作原理

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術［1］指采用高速激光掃描方法，快速獲取大面積被測目標表面的高分辨率點云數據，并由系統后處理軟件對采集的點云和影像數據進行處理，且與已知坐標進行聯測后獲得絕對三維坐標，以快速獲取空間信息數據庫的數據源，為不同方面應用需要提供了新的技術支撐［2］。

三維激光掃描技術在國外很多領域，如在土木工程、地面模型、地理數據采集等方面［4－6］，已得到廣泛應用，但是在國內尚處于應用起步階段，研究領域主要覆蓋在工程、考古、醫學等方面［1，3，7－9］，在農學尤其在水土保持領域的應用研究則較少。

1.2 基本工作原理［10］

三維激光掃描儀是一種集成了多種高新技術的新型測繪儀器，采用非接觸高速激光測量方式，以點云形式獲取地形及復雜物體三維表面的陣列式集合圖形數據。儀器主要包括激光測距系統和激光掃描系統，同時也集成了CCD數字影像和儀器內部校正等系統。

1.2.1 激光測距系統

激光測距技術發展已經相當成熟，目前激光測距原理主要有脈沖法測距、干涉法測距和相位差法測距三種。在微觀領域及短距離內的三維激光掃描儀主要采用相位差法或干涉法測距。目前，地面三維激光影像掃描儀主要采用的是脈沖法測距。測距過程主要包括四個環節:激光發射、激光探測、時延估計和時延測量。

1.2.2 激光掃描系統

對于激光掃描技術，目前用得最多的是光機掃描、電鏡掃描、多棱鏡掃描和全息光柵掃描。大范圍的掃描幅度、高精度的小角度掃描間隔及高幀頻成像技術是三維激光掃描技術的主要特點。地面三維激光掃描系統通過內置驅動馬達系統精密控制多面反射棱鏡的轉動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。

1.2.3 三維激光掃描測量原理

三維激光掃描儀通過數據采集獲取測距觀測值S，精密時鐘控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值。地面激光掃描三維測量一般使用儀器內部坐標系統，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，由此可得到三維激光腳點坐標的計算公式:

式中，X、Y、Z為被測物三維坐標，D為被測物與儀器之間的距離，β為垂直掃描角度，α為水平掃描角度。

2 開發建設項目水土保持監測內容

2.1 施工準備期

該時期主要是以調查土壤侵蝕背景值、原地形地貌、植被的種類和覆蓋度(郁閉度)、水土保持措施種類和數量等為主。通過收集到的數據與施工期、植被恢復期監測到結果數據進行分析比較，以論證其開發建設項目擾動對項目區水土保持的影響變化，從而能夠實時反映該項目施工準備期的水土流失情況。

2.2 施工期

施工期是高填深挖、土石方運移的主要時期，產生大量的裸露邊坡，如路堤邊坡、路塹邊坡、取(棄)土(渣)場邊坡等，遇降雨可能產生嚴重水土流失。本時期主要任務是監測水土流失量、水土流失災害事件，同時監測水土保持措施的實施情況等。

2.3 植被恢復期(或運行期)

本時期主要監測植物措施和工程措施的水土保持效果，包括植物措施的保存率、植被恢復率及林草植被覆蓋度、工程措施的運行情況等。

3 應用實例

本文主要依托廣州市開發建設項目水土流失定量監測項目，選擇花都祈福赤泥黃金海岸房地產(項目I)、110kV富鵬輸變電工程(項目Ⅱ)、廣州黃埔至東莞麻涌高速公路及東莞麻涌至長安高速公路工程(項目Ⅲ)等三個典型坡面為研究對象，采用兩期三維激光掃描儀數據，通過徠卡系統軟件進行全彩點云數據處理、三維實體模型分析以及三維實體點云疊加處理，得出該坡面侵蝕量及侵蝕模數(其中降雨量采用2011年度附近氣象站數據，土壤容重采用現場測定，且未考慮地面沉降)。實地監測成果詳見表1和表2。原始數據采集現場見圖1，掃描結果見圖2。

圖1 原始數據采集監測現場

圖2 三維激光掃描儀掃描效果圖

表1 三維激光掃描法測定的土壤侵蝕模數

表2 簡易觀測場測定土壤侵蝕模數表

由表1和表2可以看出，激光掃描儀測定結果與簡易觀測場測定結果在數量級上基本一致，基本已經滿足開發建設水土保持監測精度要求，為大范圍應用于開發建設項目水土保持監測提供了理論支持。但是，監測數據存在一定偏差，分析主要原因:(1)三維激光掃描儀與簡易觀測場監測的位置不一致;(2)監測區域的土壤理化性質存在差異，導致不同土壤質地抗沖性與抗蝕性差異較大。

4 結論與建議

4.1 結論

(1)將三維激光掃描技術應用于開發建設項目水土保持監測，是對傳統開發建設項目水土保持監測的擴展與補充，在快速提高工作效率的同時提高了開發建設項目水土保持監測精度。通過本次實驗可以看出，三維激光掃描技術的應用，可以滿足水土保持監測中侵蝕量測定的精度要求，為水土保持定量監測提供了強有力的技術支持。

(2)將這一先進技術及時應用到生產實踐中去，可大大改善水土保持監測工作人員的作業環境，提高工作效率。伴隨我國正處于全面開展基礎建設，綜合利用當代的先進科技，探索水土保持監測的新手段，增強水土保持監測預警能力具有重要的現實意義。

4.2 建議

(1)應用三維激光掃描儀開展水土保持監測時，應該注意兩點:一是主要已知點在使用之前必須進行儀器檢驗;二是掃描的范圍盡量控制在一定范圍內，以免造成結果中物體邊緣難以識別。

(2)應用激光掃描儀進行水土保持監測，在提高測量精度上應該注意兩點:一是在監測網的基礎上，采用差分式測量方案，可以消除或減弱各種誤差對測量結果精度的影響;二是在測量時，要盡量采用強制對中裝置，認真測量氣溫、氣壓，觀測時視線應高于地面和旁離障礙物一定距離，以減弱旁折光差的影響。

(3)加強后期土壤侵蝕機理及對比研究，可保證在同一基準下三維激光掃描儀精度的可靠性。

(4)三維激光掃描儀后期軟件數據處理是一個至關重要的環節，是結果正確性與否的重要基礎，因此，應加強后續軟件數據處理模型方面的研究。

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