李萬能 金平偉 向家平 張自軍 李嵐斌

(珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測中心站)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，各地各類開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目逐漸增多，人為水土流失現(xiàn)象日益突出，加強(qiáng)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持監(jiān)測，已成為一項(xiàng)重要任務(wù)。但在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)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(yīng)現(xiàn)階段開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測的相關(guān)要求。隨著高新技術(shù)的發(fā)展與普及，水土保持監(jiān)測技術(shù)逐步提高。本文采用先進(jìn)的激光掃描技術(shù)對侵蝕溝坡面進(jìn)行測量，為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失定量監(jiān)測提供了一個(gè)新的技術(shù)平臺(tái)。

1 地面三維激光掃描技術(shù)及其基本工作原理

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)［1］指采用高速激光掃描方法，快速獲取大面積被測目標(biāo)表面的高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并由系統(tǒng)后處理軟件對采集的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，且與已知坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)測后獲得絕對三維坐標(biāo)，以快速獲取空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源，為不同方面應(yīng)用需要提供了新的技術(shù)支撐［2］。

三維激光掃描技術(shù)在國外很多領(lǐng)域，如在土木工程、地面模型、地理數(shù)據(jù)采集等方面［4－6］，已得到廣泛應(yīng)用，但是在國內(nèi)尚處于應(yīng)用起步階段，研究領(lǐng)域主要覆蓋在工程、考古、醫(yī)學(xué)等方面［1，3，7－9］，在農(nóng)學(xué)尤其在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)的新型測繪儀器，采用非接觸高速激光測量方式，以點(diǎn)云形式獲取地形及復(fù)雜物體三維表面的陣列式集合圖形數(shù)據(jù)。儀器主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成了CCD數(shù)字影像和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。

1.2.1 激光測距系統(tǒng)

激光測距技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)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(lǐng)域及短距離內(nèi)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(gè)環(huán)節(jié):激光發(fā)射、激光探測、時(shí)延估計(jì)和時(shí)延測量。

1.2.2 激光掃描系統(tǒng)

對于激光掃描技術(shù)，目前用得最多的是光機(jī)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(shù)是三維激光掃描技術(shù)的主要特點(diǎn)。地面三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shù)據(jù)采集獲取測距觀測值S，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測量每個(gè)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(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)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(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式:

式中，X、Y、Z為被測物三維坐標(biāo)，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(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測內(nèi)容

2.1 施工準(zhǔn)備期

該時(shí)期主要是以調(diào)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(shù)量等為主。通過收集到的數(shù)據(jù)與施工期、植被恢復(fù)期監(jiān)測到結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，以論證其開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)對項(xiàng)目區(qū)水土保持的影響變化，從而能夠?qū)崟r(shí)反映該項(xiàng)目施工準(zhǔn)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(yùn)移的主要時(shí)期，產(chǎn)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(chǎn)生嚴(yán)重水土流失。本時(shí)期主要任務(wù)是監(jiān)測水土流失量、水土流失災(zāi)害事件，同時(shí)監(jiān)測水土保持措施的實(shí)施情況等。

2.3 植被恢復(fù)期(或運(yùn)行期)

本時(shí)期主要監(jiān)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(fù)率及林草植被覆蓋度、工程措施的運(yùn)行情況等。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文主要依托廣州市開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失定量監(jiān)測項(xiàng)目，選擇花都祈福赤泥黃金海岸房地產(chǎn)(項(xiàng)目I)、110kV富鵬輸變電工程(項(xiàng)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(xiàng)目Ⅲ)等三個(gè)典型坡面為研究對象，采用兩期三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，通過徠卡系統(tǒng)軟件進(jìn)行全彩點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維實(shí)體模型分析以及三維實(shí)體點(diǎn)云疊加處理，得出該坡面侵蝕量及侵蝕模數(shù)(其中降雨量采用2011年度附近氣象站數(shù)據(jù)，土壤容重采用現(xiàn)場測定，且未考慮地面沉降)。實(shí)地監(jiān)測成果詳見表1和表2。原始數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場見圖1，掃描結(jié)果見圖2。

圖1 原始數(shù)據(jù)采集監(jiān)測現(xiàn)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(shù)

表2 簡易觀測場測定土壤侵蝕模數(shù)表

由表1和表2可以看出，激光掃描儀測定結(jié)果與簡易觀測場測定結(jié)果在數(shù)量級上基本一致，基本已經(jīng)滿足開發(fā)建設(shè)水土保持監(jiān)測精度要求，為大范圍應(yīng)用于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測提供了理論支持。但是，監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測的位置不一致;(2)監(jiān)測區(qū)域的土壤理化性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致不同土壤質(zhì)地抗沖性與抗蝕性差異較大。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測，是對傳統(tǒng)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測的擴(kuò)展與補(bǔ)充，在快速提高工作效率的同時(shí)提高了開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測精度。通過本次實(shí)驗(yàn)可以看出，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以滿足水土保持監(jiān)測中侵蝕量測定的精度要求，為水土保持定量監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

(2)將這一先進(jìn)技術(shù)及時(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去，可大大改善水土保持監(jiān)測工作人員的作業(yè)環(huán)境，提高工作效率。伴隨我國正處于全面開展基礎(chǔ)建設(shè)，綜合利用當(dāng)代的先進(jìn)科技，探索水土保持監(jiān)測的新手段，增強(qiáng)水土保持監(jiān)測預(yù)警能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2 建議

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

(2)應(yīng)用激光掃描儀進(jìn)行水土保持監(jiān)測，在提高測量精度上應(yīng)該注意兩點(diǎn):一是在監(jiān)測網(wǎng)的基礎(chǔ)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(jié)果精度的影響;二是在測量時(shí)，要盡量采用強(qiáng)制對中裝置，認(rèn)真測量氣溫、氣壓，觀測時(shí)視線應(yīng)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(qiáng)后期土壤侵蝕機(jī)理及對比研究，可保證在同一基準(zhǔn)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(shù)據(jù)處理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是結(jié)果正確性與否的重要基礎(chǔ)，因此，應(yīng)加強(qiáng)后續(xù)軟件數(shù)據(jù)處理模型方面的研究。

［1］范海英，楊倫，邢志輝，等.Cyra三維激光掃描系統(tǒng)工程應(yīng)用研究［J］.礦山測量，2004，9(3):16－19.

［2］馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應(yīng)用［J］.地理空間信息，2005，6(3):60－62.

［3］李秋，秦永智，李宏英，等.激光三維掃描技術(shù)在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.信息工程，2006(4):96－98.

［4］Abellán A，Vilap lana J M，Martmnez J.Application of a long－range Terrestrial laser scanner to a detailed rockfall study at Vall de Núria(Eastern Pyrenees，Spain)［J］.Engineering Geology，2006，88(3):1 366－1 481.

［5］Fardin N，F(xiàn)eng Q，Stephansson.Application of a new in situ 3D laser scanner to study the scale effect on the rock joint surface roughness［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(3):3 329－3 351.

［6］Beraldin J－Angelo，Blais F，Boulanger P，et al1.Real world modeling through high resolution digital 3D imaging of objects and structures［J］.ISPRS Journal of Photogrammetric and Remote Sensing，2000，55(4):230－250.

［7］周克勤，徐志剛，余文仲，等.三維激光影像掃描技術(shù)在古建測繪與保護(hù)中的應(yīng)用［J］.工程勘測，2004，9(5):3－4.

［8］張國輝.基于三維激光掃描儀的地形變化監(jiān)測［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，6(增刊):96－97.

［9］趙群，劉 鍵，陳金科，等.應(yīng)用激光掃描法對國家體育館大跨度鋼屋架滑移過程變形監(jiān)測與分析［J］.測繪科學(xué)，2007，32(3):110－111.

［10］鄭德華，雷偉剛.地面三維激光影像掃描測量技術(shù)［J］.鐵路航測，2003，16(2):26－27.

［11］陳力，劉青泉，李家春，等.坡面細(xì)溝侵蝕的沖刷實(shí)驗(yàn)研究［J］.水力力學(xué)研究與進(jìn)展，2005，20(6)，762－766.