三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕研究中的應(yīng)用

肖 海，夏振堯，朱曉軍，楊悅舒，李 瑤

（1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌443002；3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌443002）

土壤侵蝕是危及人類生存與發(fā)展的主要環(huán)境問(wèn)題之一，因此，土壤侵蝕研究在世界各國(guó)受到普遍重視［1］。常規(guī)土壤侵蝕監(jiān)測(cè)方法主要包括調(diào)查法、徑流小區(qū)法、侵蝕針?lè)?、水文法、模型估算法和遙感解譯法等。上述方法具有野外工作量大、效率低、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)［2］。近年來(lái)核素示蹤應(yīng)用較為廣泛，并在定量研究土壤侵蝕方面取得了大量成果［3－4］。但對(duì)于野外大面積次降雨侵蝕，如何快速獲取土壤侵蝕信息，對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)估次降雨的危害，為水土保持規(guī)劃做出指導(dǎo)，這些方法尚不成熟。三維激光掃描技術(shù)以激光應(yīng)用為基礎(chǔ)，能夠快速獲取所掃描區(qū)域坐標(biāo)點(diǎn)，并使用軟件進(jìn)行三維建模。本文通過(guò)人工降雨試驗(yàn)，使用三維激光掃描儀在降雨前后對(duì)坡面進(jìn)行掃描，分析其計(jì)算過(guò)程及計(jì)算精度，為該技術(shù)應(yīng)用于野外大面積土壤侵蝕研究提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及研究方法

將長(zhǎng)3m，寬0.5m，高0.5m鋼質(zhì)土槽架設(shè)于所砌的造坡墻上形成20°坡度，土槽下端設(shè)集流裝置用以收集徑流泥沙樣品。試驗(yàn)用土取自湖北省宜都市丘陵區(qū)坡耕地表層紅壤，其黏粒含量16.8%，粉粒含量74.6%，沙粒含量8.6%，有機(jī)質(zhì)含量1.5%。土壤容重為1.25g／cm3。填土前先在土槽底下裝填25cm厚的天然細(xì)沙，以保證良好的透水性，然后以5，5，5，4，1cm 分層裝填20cm 厚的土壤，通過(guò)稱重控制容重在1.25g／cm3。

人工降雨試驗(yàn)在三峽大學(xué)人工模擬降雨試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展。降雨設(shè)施采用南京南林電子科技生產(chǎn)的NLJY－10－01型便攜式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度4m，由9組大中小噴頭均勻噴出雨滴，降雨均勻度大于0.86，降雨強(qiáng)度為60，90，105mm／h。利用均勻分布于坡面中的雨量筒，通過(guò)多次測(cè)定平均降雨強(qiáng)度對(duì)降雨強(qiáng)度率定。每次試驗(yàn)鋪設(shè)好土槽后，對(duì)其進(jìn)行霧化降雨，使坡面接近產(chǎn)流，并靜置15h左右。靜置完成后，每次降雨開(kāi)始前，先將坡面表層濕潤(rùn)，直至接近產(chǎn)生地表徑流。然后，使用Leica Stanstation C10脈沖式三維掃描儀對(duì)坡面進(jìn)行掃描得到降雨前的坡面數(shù)據(jù)，之后將降雨強(qiáng)度調(diào)至設(shè)定值，在降雨開(kāi)始產(chǎn)流后，開(kāi)始計(jì)時(shí)，以3min為時(shí)間間隔接取全部泥沙樣品以待測(cè)試。同時(shí)照相并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行記錄。降雨30min結(jié)束后，關(guān)閉降雨器，并再次使三維掃描儀對(duì)坡面進(jìn)行掃描得到降雨侵蝕后的坡面數(shù)據(jù)。最后在坡面上取環(huán)刀樣以測(cè)得降雨后的土壤容重。泥沙樣品接收后靜置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并將下部泥沙烘干稱重保存于自封袋中。

1.2 三維激光掃描及測(cè)量原理

地面三維激光掃描儀由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、彩色CCD相機(jī)、微電腦、控制電路及其他附件組成。

三維激光掃描工作原理是激光發(fā)射器發(fā)射窄波脈沖，發(fā)射到目標(biāo)物體表面后反射回探測(cè)器。發(fā)射脈沖與接收回波脈沖之間的時(shí)間間隔t由數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）測(cè)量并被用來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體表面與發(fā)射器的距離。此距離為：

式中：D——距離（m）；c——光速（m／s）。

除距離外，三維激光掃描儀還測(cè)得并記錄了水平方向角度和豎直方向角度及掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度等原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)前兩種數(shù)據(jù)計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，反射強(qiáng)度則用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色。點(diǎn)P的坐標(biāo)由公式（2）計(jì)算獲得：

式中：β，α——縱向和橫向掃描角度觀測(cè)值；X，Y，Z——掃描點(diǎn)的坐標(biāo)；s——原點(diǎn)到掃描點(diǎn)的直線長(zhǎng)度。

三維激光掃描儀可以將各種大型建筑物的表面快速直接地變換成離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而用于快速地目標(biāo)實(shí)體的三維可視化重構(gòu)，因而在測(cè)繪、計(jì)量、仿真等方面得到廣泛應(yīng)用。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強(qiáng)度下的總徑流量及侵蝕量分析

3次模擬降雨試驗(yàn)所產(chǎn)生的徑流量及侵蝕量見(jiàn)表1，結(jié)果表明，徑流量及侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度增加，坡面承雨量增加，從而使得凈流量增加，同時(shí)隨著降雨強(qiáng)度增大，雨滴能量增大，引起侵蝕量增加，而且降雨強(qiáng)度增加對(duì)侵蝕量的影響大于徑流量，這與其他學(xué)者研究一致［5］。

表1 不同降雨強(qiáng)度下的徑流量及侵蝕量對(duì)比

2.2 掃描處理過(guò)程分析

掃描完成后，將次降雨侵蝕前的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)除噪并進(jìn)行剪切等初始處理去掉無(wú)效點(diǎn)后留下土層及槽上邊沿?cái)?shù)據(jù)。然后將整個(gè)坡面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同一個(gè)坐標(biāo)系并生成Tin網(wǎng)格。然后以土槽上邊緣的某一點(diǎn)作為原點(diǎn)，并通過(guò)計(jì)算確定垂直于坡面20°的法向量來(lái)確定通過(guò)原點(diǎn)且平行于侵蝕前坡面的公共面，將土層表面以0.05m為采樣間隔投影至公共面，最后使用Cyclone軟件的測(cè)量功能測(cè)得坡面至公共面的體積。以同樣的方法將侵蝕后的坡面投影至同一公共面上，并計(jì)算出侵蝕后坡面至同一公共面的體積。三維掃描數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 三維掃描數(shù)據(jù)處理流程

2.3 掃描結(jié)果分析

通過(guò)掃描分析，得到各次侵蝕情況如圖2所示。由于每次降雨侵蝕前后坡面拉伸到同一面的體積，則侵蝕體積等于侵蝕前體積減去侵蝕后體積；計(jì)算侵蝕量由侵蝕體積與干密度相乘并換算單位得到；誤差為計(jì)算侵蝕量與實(shí)際侵蝕量之差與實(shí)際侵蝕量之比的百分比，具體方程如下：

式中：Vc——計(jì)算侵蝕體積；Vf— —侵蝕前體積；Vl— —侵蝕后體 積；Ec——計(jì) 算 侵 蝕 量；Ea——實(shí) 際 侵 蝕 量；ρd——坡 面 土 壤 干 密 度；Er— —計(jì)算誤差。

使用環(huán)刀法在坡面取樣，得到降雨后坡面土壤干密度為ρd＝1.353g／cm3，使用公式（3）—（5）計(jì)算各個(gè)參數(shù)，并匯總于表2。從表2中可以看出，計(jì)算侵蝕量與實(shí)際侵蝕量相差不大，3次降雨計(jì)算誤差分別為0.872%，9.349%和4.495%，計(jì)算誤差均在10%以內(nèi)。表明了使用三維激光掃描儀對(duì)坡面進(jìn)行掃描能夠精確的計(jì)算侵蝕量。同時(shí)，從圖2中還可以直觀的看出侵蝕發(fā)生部位，其中60mm／降雨強(qiáng)度下侵蝕主要發(fā)生在下坡面，中上坡面侵蝕不明顯，而90mm／h降雨強(qiáng)度下侵蝕主要發(fā)生在中下坡面，侵蝕范圍與60mm／h降雨強(qiáng)度下有所增大；105mm／降雨強(qiáng)度下坡面除了坡頂外均能夠觀察到明顯侵蝕，坡面破碎程度明顯大于前兩次較小降雨強(qiáng)度，說(shuō)明隨著降雨強(qiáng)度的增加，不僅是侵蝕量大幅度增加，而且能夠加快細(xì)溝的發(fā)育，增加坡面破碎程度。

圖2 各次降雨前后坡面的掃描效果

表2 計(jì)算侵蝕量與實(shí)際侵蝕量對(duì)比分析

3 結(jié)論

（1）徑流量及侵蝕量隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，而且降雨強(qiáng)度增加對(duì)侵蝕量的影響大于對(duì)徑流量的影響。

（2）使用三維激光掃描儀在降雨前后對(duì)坡面進(jìn)行掃描，所得計(jì)算侵蝕量誤差較小，3次計(jì)算誤差分別為0.872%，9.349%和4.495%，計(jì)算誤差均在10%以內(nèi)。

（3）隨著降雨強(qiáng)度的增加，不僅是侵蝕量大幅度增加，而且能夠加快細(xì)溝的發(fā)育，增加坡面破碎程度。

（4）使用三維激光掃描儀能夠快速、精確的計(jì)算出坡面侵蝕體積及侵蝕量，同時(shí)能夠很直觀的觀測(cè)到侵蝕的空間分布，因此，該方法在技術(shù)層面上可以應(yīng)用于野外土壤侵蝕研究。

［1］ 王紅兵，許炯心，顏明.影響土壤侵蝕的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素研究進(jìn)展［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2011，30（3）：268－274.

［2］ 唐強(qiáng)，鮑玉海，賀秀斌，等.土壤侵蝕監(jiān)測(cè)新方法和新技術(shù)［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2011，9（2）：11－18.

［3］ 湯振權(quán)，劉剛，許文年.稀土元素示蹤技術(shù)及其在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用［J］.中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，2011，29（5）：515－522.

［4］ 石輝，劉普靈，田均良.核示蹤技術(shù)在土壤侵蝕研究中的應(yīng)用［J］.水土保持通報(bào)，1997，17（3）：44－49.

［5］ 和繼軍，蔡強(qiáng)國(guó)，劉松波.次降雨條件下坡度對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，23（5）：1263－1268.