丹東市水土保持監測中3D激光掃描技術的應用

潘松一

(丹東市水土保持局，遼寧 丹東 118000)

丹東市水土保持監測中3D激光掃描技術的應用

潘松一

(丹東市水土保持局，遼寧 丹東 118000)

水土保持是《新環境保護法》下實施的一種生態恢復措施。隨著信息技術形式不斷增多，當前在區域水土保持實踐中，采用的技術手段日益先進，如三維激光掃描技術，其不僅可以對研究區開發建設項目水土保持監測中的相關數據進行分析，而且可結合水土保持監測中地表坡面局部侵蝕量特點，對水土保持監測項目物體表面的三維空間坐標量進行高精度及快速測量，從而精確描述物體表面細部狀況?；诖思夹g優勢，文章將著重以遼寧省丹東市某水土保持工程項目為例，對三維激光掃描技術在該研究區的具體運用情況進行分析。

丹東市；水土保持；監測；3D激光掃描；技術

隨著遼寧省“十三五”計劃戰略的實施，各市開發建設的大型水土保持項目工程日益增多。丹東市作為遼寧省及中國最美的邊境城市之一，其承擔著調節生態的重要社會功能。但近年來，隨著該區域的社會生產實踐活動不斷增多，人為因素所造成的水土流失現象日益嚴重。所以，采用先進的技術手段加強對該區域水土保持行為進行監測，已成為新時期丹東市經濟、社會和生態環境建設中的一項重要任務[1]。

1 3D激光掃描技術簡介及應用原理

1.1 3D激光掃描技術簡介

3D激光掃描技術也稱“三維激光掃描技術”，其主要是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；然后，由系統后處理軟件對采集的影像和點云數據進行處理的一種方法。在此基礎上，其與區域已知空間坐標點進行聯測最終獲取三維坐標，以快速得到區域空間信息數據庫中相關數據源。三維激光掃描技術在國內很多技術領域都得到廣泛應用，如地面模型分析及地理信息數據采集和土木工程建設等。但是與國外相比，國內的三維激光掃描技術依然處于起步發展階段。從目前的學科應用范圍來看，其基本涵蓋了醫學、考古學和工程學等領域，但在水土保持生態技術領域中的應用甚少[2]。

1.2 3D激光掃描技術的應用原理

3D激光掃描技術在實施過程中，將多種高新技術測繪儀器集成在一起，如激光掃描系統和激光測距系統及儀器內部校正系統，還有CCD數字影像監測系統等。在此基礎上，基于非接觸高速激光測量方式，主要以點云形式對研究區內復雜物體和地形三維表面的陣列式集合圖形、數據進行科學獲取。

1)3D激光掃描技術下的激光測距技術當前應用已經非常成熟，其中主要基于相位差法、干涉法和脈沖法進行距離測量。干涉法及相位差法主要適用于短距離內及微觀技術領域內的三維激光掃描測距。而干涉法測距技術則適用于地面較大范圍及較遠距離內的激光掃描測距，主要測距過程可分為激光發射、探測和時延估計及測量4個環節[3]。

2)3D激光掃描技術下的激光掃描技術主要包括全息光柵掃描、多棱鏡掃描和電鏡掃描及光機掃描幾種形式。應用表明，3D激光掃描技術具有高幀頻成像、小角度、高精度掃描間隔及大范圍掃描幅度幾大技術特點。在掃描過程中，3D激光掃描系統主要基于內置驅動馬達系統精密控制技術，對系統內部多面反射冷鏡的轉動進行控制，從而使系統脈沖激光束沿著縱軸與橫軸方向進行快速掃描。

3)在3D激光掃描過程中，測距觀測值S主要由三維激光掃描儀通過數據采集系統來獲取[4]。在此過程中，系統每個激光脈沖橫向及縱向掃描角度觀測值主要由精密時鐘控制編碼器同步測量。在采用3D激光掃描中的地面激光掃描三維測量技術進行水土保持監測時，通常采用的坐標系統為儀器內部坐標系統；其中，X軸在橫向掃描面內，Y軸和Z軸分別在橫向掃描面內與X軸和橫向掃描面相互垂直，由此得到如下所示的三D激光腳點坐標計算公式：

X=DcosβcosαY=DcosβsinαZ=Dsinβ

(1)

式中：被測物三維坐標分別通過變量“X、Y、Z”表示；被測物與儀器之間的距離通過D表示；水平與垂直掃描角度分別通過α及β表示。

2 水土保持監測中3D激光掃描技術的運用

2.1 工程項目實例

文章主要依托于遼寧省丹東市水土流失定量監測項目，以該開發建設項目部分區域3個不同典型坡面為研究對象，分別采集施工準備期與施工期兩個階段的3D激光掃描儀數據，然后采用徠卡系統軟件對全彩點云數據信息技術處理。在此基礎上，對相關信息數據進行3D模型分析及3D實體點云疊加處理，從而獲取該水土保持工程三個不同典型坡面的水流侵蝕模數和具體侵蝕量。其中，降雨量數據為2016年度該研究區附近氣象監測數據；通過現場測定，獲取工程場地土壤容重數據[5]。

1)水土保持項目施工準備期監測中3D激光掃描技術的運用。

在該施工階段，主要采用3D激光掃描技術對施工地土壤侵蝕背景值、植被種類和郁閉度、原地形地貌等參數進行監測收集；將收集到的相關數據與水土保持項目施工期和植被恢復期的相關數據進行對比，以此定量與定性描述工程開發建設項目對丹東市水土保持工作的影響，從而以科學的數據量客觀反映該區域施工準備階段工程開發建設項目的水土流失情況[6]。

2)水土保持項目施工期監測中3D激光掃描技術的運用。

在施工期內，主要針對高填深挖、土石方移運等導致的水土流失問題進行分析，采用3D激光掃描技術全面對施工場地路塹邊坡、路堤邊坡和棄土與取土場地邊坡等因降雨引發的嚴重水土流失參數進行掃描。此階段的主要工作任務是監測水土流失量與水土流失災害事件的危害程度，同時監測水土流失治理手段等[7]。

3)水土保持項目植被恢復期監測中3D激光掃描技術的運用。

在植被恢復期，主要針對水土流失治理工程實施的水土保持效果進行對比監測。通過3D激光掃描技術對相關數據參數進行提取，以此對植被存活率、林草植被覆蓋率等進行分析。

詳細測定結果見表1。

表1 丹東市水土保持監測中3D激光掃描測定的土壤侵蝕模數

表2 丹東市水土保持監測中現場試驗測定的土壤侵蝕模數

2.2 應用結果分析

從上述監測數據對比結果中可以看出，每個監測項目基于3D激光掃描技術測定的水土保持監測結果相差變化不大，在量級上基本一致，基本能夠滿足丹東市水土保持監測過程中的監測精度要求，從而為大范圍將3D掃描技術運用于區域水土保持監測工作中提供了必要的理論和技術支撐[8]。

但總體來看，每個監測項目監測結果數據之間也存在一定的偏差。究其原因，主要在于現場掃描測量技術裝置存在技術偏差，且監測位置與監測點布置存在一定的差異，這一不足依然有待在今后監測工作中繼續完善[9]。

3 結 語

綜上所述，三維激光掃描技術在日常工作中的運用非常廣泛。但是，將其應用于水土保持監測工作中依然屬于全新的嘗試。本研究結合某水土保持治理實踐工程，對3D掃描技術在該工程水土保持效果監測中的具體運用實踐情況進行了詳細闡述。通過全面的數據對比統計，最終應用結果表明，基于3D掃描技術得到的水土保持監測數據結果精確度較高，基本可滿足工程項目開發建設水土保持監測精度要求，值得在今后工作中全面應用與推廣。

[1]梁會民，趙軍.小流域綜合治理的生態經濟效益評估研究[J].生態經濟，2001(08)：12-14.

[2]范昊明,蔡國強,王紅閃.中國東北黑土區土壤侵蝕環境[J].水土保持學報, 2014, 18(02)：66-70.

[3]李立新.東北黑土區水土流失綜合防治模式及效益分析[J].水土保持通報，2009,29(03):225-228.

[4]姚文波,劉文兆,趙安成,等.水土保持效益評價指標研究[J].中國水土保持科學,2009,7(01):112-117.

[5]卜貴賢,李凱榮,周俊,等.陜南秦巴山區小流域水土保持治理綜合效益評價[J].水土保持研究,2011, 18(06)：231-235.

[6]林斌,邸利,張富,等.黃土丘陵小流域生態系統健康評價指標體系研究：以安家溝小流域為例[J].干旱區資源與環境，2010,24(05):31-36.

[7]肖輝杰,魏自剛,王慶,等.北京山區小流域生態經濟效益評價—以雁棲河小流域為例[J].應用生態學報, 2012,23(12)：3479-3487.

[8]陳光松.東北黑土區水土流失綜合防治技術體系[J].水土保持應用技術,2008(01):33-34.

[9]吳旭，王旭本，闞媛珂，等.基于層次分析法的流域生態決策評價系統[J].成都理工大學學報：自然科學版,2011，32(02):126-131.

1007-7596(2017)08-0156-03

2017-07-16

潘松一(1986-)，男，遼寧丹東人，工程師，從事水土保持規劃、綜合治理等工作。

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