便攜三維激光掃描儀在水土保持設施驗收中的應用研究

樊 冰，馬 良，高 群

(1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014； 2.山東水土保持學會，山東 濟南 250014)

隨著我國社會經濟持續快速發展，各類生產建設項目如礦山、電力、鐵路、公路、城市建設等迅猛增長成為新增水土流失的主要源地，但在水土保持設施驗收過程中，建設單位或委托的技術評估單位往往還是通過現場影像、遙感、無人機等手段對水土保持相關措施量進行核算統計，或者直接引用施工單位或水土保持監測單位的數據，對項目核查區域無法做到準確“復盤”、逐個“過關”，數據、資料的可靠性無法得到保障，對施工單位的違法違規行為無法準確取證，導致自主驗收報告與實際情況不符，針對存在的問題無法及時發現并解決。

1 現狀及問題

根據生產建設項目水土保持設施驗收技術規程要求，建設單位需委托水土保持設施驗收技術評估機構對水土保持設施的數量、質量、進度及水土保持效果等進行全面評估。當前，如何在驗收過程中有效定量開展生產建設項目水土保持措施相關工程量的統計，準確計算出項目建設過程中的土石方量及工程建設過程中造成的水土流失量，仍是一項重要研究課題。本研究在國內外現有水土流失監測技術的基礎上，探討基于便攜三維激光掃描技術的生產建設項目水土保持措施工程量核算方法體系，旨在為今后開展生產建設項目水土保持設施驗收評估工作提供參考。

目前常規的監測方法有測釬法、遙感解譯法、模型估算法、調查法等，這些方法工作量大、效率低、周期長，已經不能適應現代水土流失監測高時效性、自動化和系統化的發展要求。如本次試驗場地魯南高速鐵路路基工程區，在對坡面進行監測期間各類機械操作頻繁，監測設施極易被損壞或被觸碰，導致監測結果參考價值不大。目前應用較廣且便捷的監測技術有無人機正射或傾斜攝影測量+RTK相控技術，可快速對監測區域進行三維建模，對堆積體體積進行量測，但該方法局限于普通無人機外業操作時間短，極易受到各種干擾而無法航測，再加上后期處理數據量龐大、處理周期長、水平量測精度高但高程數據誤差仍然較大，多期模型很難實現準確疊加。

隨著信息化技術的飛速發展，水土流失監測通過與信息化自動化技術結合，監測精度也由定性提升到定量甚至高精確定量水平。三維激光掃描技術被喻為全球定位系統之后測繪領域又一次技術革命。近幾年，三維激光掃描儀已經成為重要的測量工具，廣泛應用于地圖測繪、土木工程、醫學、勘探、BIM設計及各類規劃等重要領域。三維激光掃描儀的主要構造是一部激光測距儀加上一組可導引激光以等角速度掃描的反射棱鏡，激光測距儀分脈沖式、相位式、激光三角式、脈沖-相位式4種類型，均可主動發射激光，同時接收來自“被測物體表面”的反射訊號進行精準測距，測得每一掃描點至掃描儀之間的斜距，配合發射激光的方向角，可推求每一掃描點與測站之間的三維空間相對坐標差，通過掃描儀所處位置已知的三維坐標可推求出掃描物體中每個點的坐標[1-4]。目前常規三維激光掃描儀的掃描速度已可達每秒數十萬甚至百萬點，因此可瞬間產生大量的點云，形成被測物體的精準三維模型。這項技術已經逐漸運用到各種變形監測中，如能引入到生產建設項目水土保持設施驗收中并有效縮小設備體積，簡化掃描流程，使之方便攜帶、方便布設，將擁有廣闊的應用前景，不僅可以為生產建設項目水土保持措施效果、水土流失動態狀況展示等提供直觀準確的信息，而且可根據建立的模型準確獲取擾動體積、植被覆蓋面積變化，以及棄渣場、料場、邊坡的土石方變化等信息，有效提高水土保持設施驗收技術水平，從而為水土保持設計、監測及驗收、環境影響評價等提供較為翔實的資料。

2 研究內容及方法

2.1 研究內容

在我國，三維激光掃描技術在水土保持措施相關工程量統計應用方面還處于初期階段，多數應用屬于試驗研究性的，只有少數應用技術路線相對成熟。本項目擬在目前一些學者的研究成果基礎上，進一步研究便攜三維激光掃描儀在生產建設項目水土流失監測方面的數據采集、處理、分析計算的方法。以魯南高速作為試驗場地，選用FARO FOCUS S350便攜式三維激光掃描儀，針對其水土保持情況進行對比試驗。測量距離從0.6 m到350 m。

2.2 技術路線

(1)現場勘察，收集測區內已有控制點。根據掃描對象的位置和掃描精度科學規劃掃描站點，繪制現場草圖，對現場環境、掃描對象拍照，方便后續建模。

(2)科學設置站位。結合GNSS、全站儀快速定位、無人機輔助測量對每個站點掃描的影像賦以坐標值。

(3)內業處理。通過數據拼接、去噪、重采樣、建模、土方量計算等標準化軟件操作規程計算得出填方面積、填方體積、挖方面積和挖方體積等參數值，精準核算出工程量，還可再結合實地采樣分析得出的土質密度，算出土壤侵蝕量。

(4)通過對比不同時期目標邊坡的模型數據，準確計算出目標邊坡的土壤侵蝕量及其變化。

數據采集技術路線如圖1所示。

圖1 數據采集技術路線

基于標靶的點云數據采集方法采用儀器配備的靶球。進行監測數據采集時，要求掃描儀能同時后視到3個及以上靶球。為滿足細節特征提取和描述，便攜激光掃描儀和全站儀、GPS定位、無人機結合起來，可實現技術上的完美互補。目前三維激光掃描儀均集成了高清數碼相機及GPS定位，可對現場掃描物體的彩色信息進行融合，但由于三維掃描儀屬地面掃描站，拍照時尤其對物體上部存在盲點，因此結合無人機DSM三維地表模型建模技術，可實現對掃描對象的全方位立體展示。通過結合外部全站儀或RTK定位系統可快速獲得被測對象的絕對大地坐標，作為多期建模結果對比基準及坐標轉換的依據(多源數據融合模型示意圖見圖2)。

圖2 多源數據融合模型示意

3 點云數據處理

在對工程設施掃描時，由于坡面進行了綠化，在數據處理時要進行去噪。首先采用掃描儀標配FARO SCENE軟件的各種過濾器對點云數據進行初步去噪，主要包括異常值過濾、深色掃描點過濾、離群點過濾等。在進行初步自動去噪后，采用Cyclone軟件進行二次去噪，利用軟件提供的多邊形、矩形選擇器等多種方式手動選擇噪聲點，并將其刪除，主要采用Cyclone軟件工具欄中的“Polygonal Fence Mode”選擇需要去除的噪聲點，選取完成后，進行刪除；也可以選擇要保留的區域，刪除選擇圖形以外的噪聲點，最后得到需要的點云圖。

4 模型對比

分別將兩次掃描的數據導入體積監測軟件后，根據色彩信息和反射率信息，分別利用自動和手動模式對山體表面植被及其他地物進行去噪處理，得到精確的地表數據，然后分別對地表點云進行三維建模，得到兩次掃描的地表模型。以兩次掃描的位置信息作為模型比較的標準，分別導入監測對比軟件中，利用參測數據對比命令對兩表面模型進行自動比對，形變區域將會用不同的顏色顯示不同的體積變化量。監測軟件不僅能夠自動對形變區域進行比對，而且能夠自動生成報表，對土壤侵蝕范圍、體積進行統計。

5 評估應用

5.1 邊坡侵蝕量計算

以某邊坡為例，見圖3。邊坡掃描及坡面侵蝕模型見圖4。坡面侵蝕量變化統計結果見表1。

圖3 某邊坡圖片

圖4 路基邊坡掃描及坡面侵蝕模型

通過間隔5天兩次的掃描監測以及彩色顯示對比結果、報表數據統計(表1)，可以清楚得到邊坡水土流失的范圍及體積大小。從上述比較中可以得到路基邊坡測量范圍中絕大部分水土流失厚度在2 cm以內，占整體掃描數據的97.06%，部分位置產生了大于2 cm小于5 cm厚度的水土流失。經統計，水土流失監測前后時間間隔5天，期間降水量為80.8 mm，兩處路基邊坡合計凈侵蝕量235.17 m3，路基邊坡坡度介于35°～45°之間，土壤流失率約4.5%，路基排水防護措施、植物措施發揮了水土保持作用，避免了高強度降雨情況下的水土流失。

表1 坡面侵蝕量變化統計

5.2 棄渣量計算

通過三維激光掃描獲得有效地形測圖面積30 490 m2(圖5)，棄渣堆最大高差10.32 m，利用ArcGIS軟件Cut Fill工具，設定計算基準面為294.46 m。計算可得棄渣場占地面積30 490 m2，棄渣量154 671 m3。

圖5 棄渣場掃描模型

5.3 取土量計算

通過三維激光掃描獲得有效地形測圖取土面積21 970 m2(圖6)，最大取土挖深6.2 m，利用ArcGIS軟件Cut Fill工具，設定計算基準面為290.11 m，計算得到取土量87 890 m3。

圖6 取土場掃描模型

5.4 精度檢驗

在試驗場地，通過標定特征點，采用RTK測量其高程，對比三維激光掃描建模技術獲取的全場地面模型數據，分析特征點的高程誤差。通過對比分析，高程中誤差18.1 cm，滿足丘陵地區1∶500地形圖高程中誤差≤25 cm的精度要求,測圖工作相較于相控正射航測法大幅提高，有效提高了測量工作效率，有效支撐了驗收數據，為水土保持設施驗收過程中測算堆渣清運量和植被恢復面積提供了精確的數據支撐(表2)。本研究應用三維激光掃描建模技術支撐水土保持設施驗收的基本方案,可在今后生產建設項目水保驗收及行政監督檢查中進行推廣。

表2 特征點RTK高程值和三維建模地面模型高程值的對比

6 結 論

(1)充分利用便攜三維激光掃描儀體積小、易攜帶、采樣快、精度高等優勢，在水土保持設施驗收中進行快速、準確的數據采集，以期提高評估核算質量、監測效率，節約成本。通過模型疊加對比可直接精確計算出邊坡水土流量，通過現場模型掃描直接量取棄渣場棄渣量及取土場取土量，填補生產建設項目水土保持設施驗收及監測中無快速定量方法和手段的技術空白，并可大幅提高水土保持設施驗收評估工作的自動化程度。

(2)三維激光掃描技術在生產建設項目水土保持設施驗收中的應用，有效地解決了傳統監測模式下單點不連續、反映不全面的局限性，通過三維模型的直接比較，能夠對邊坡水土流失整體變化情況做出定量判定。通過建立基于便攜式三維激光掃描儀的點云數據拼接機制、去噪機制、參數率定機制及誤差消除機制，并將便攜三維激光掃描技術與無人機、全站儀、RTK等常規測量手段相結合，可為生產建設項目水土保持設施驗收中土壤流失、工程開挖量及堆積量評估提供由點到面、由內到外更加全面的基礎數據。

(3)通過研發和推廣該信息化手段，可對水土保持工程措施進行直觀量測、實時監測、追溯監測、快速分析，并能做到無損、快速、準確，以替換低效率核查、套用施工單位數據等帶來的質量問題和經濟損失。該項技術還可用于水土保持方案編制、區域評估、水土保持監測、水土保持監理等各項技術服務，通過創新方法手段，壓實工作責任，推動驗收工作順利進行。