潘松一

(丹東市水土保持局，遼寧 丹東 118000)

丹東市水土保持監(jiān)測(cè)中3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

潘松一

(丹東市水土保持局，遼寧 丹東 118000)

水土保持是《新環(huán)境保護(hù)法》下實(shí)施的一種生態(tài)恢復(fù)措施。隨著信息技術(shù)形式不斷增多，當(dāng)前在區(qū)域水土保持實(shí)踐中，采用的技術(shù)手段日益先進(jìn)，如三維激光掃描技術(shù)，其不僅可以對(duì)研究區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而且可結(jié)合水土保持監(jiān)測(cè)中地表坡面局部侵蝕量特點(diǎn)，對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目物體表面的三維空間坐標(biāo)量進(jìn)行高精度及快速測(cè)量，從而精確描述物體表面細(xì)部狀況?；诖思夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，文章將著重以遼寧省丹東市某水土保持工程項(xiàng)目為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在該研究區(qū)的具體運(yùn)用情況進(jìn)行分析。

丹東市；水土保持；監(jiān)測(cè)；3D激光掃描；技術(shù)

隨著遼寧省“十三五”計(jì)劃戰(zhàn)略的實(shí)施，各市開(kāi)發(fā)建設(shè)的大型水土保持項(xiàng)目工程日益增多。丹東市作為遼寧省及中國(guó)最美的邊境城市之一，其承擔(dān)著調(diào)節(jié)生態(tài)的重要社會(huì)功能。但近年來(lái)，隨著該區(qū)域的社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)不斷增多，人為因素所造成的水土流失現(xiàn)象日益嚴(yán)重。所以，采用先進(jìn)的技術(shù)手段加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域水土保持行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，已成為新時(shí)期丹東市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的一項(xiàng)重要任務(wù)[1]。

1 3D激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用原理

1.1 3D激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

3D激光掃描技術(shù)也稱“三維激光掃描技術(shù)”，其主要是指采用高速激光掃描方法，快速獲取大面積被測(cè)目標(biāo)表面的高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后，由系統(tǒng)后處理軟件對(duì)采集的影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一種方法。在此基礎(chǔ)上，其與區(qū)域已知空間坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)最終獲取三維坐標(biāo)，以快速得到區(qū)域空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)數(shù)據(jù)源。三維激光掃描技術(shù)在國(guó)內(nèi)很多技術(shù)領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，如地面模型分析及地理信息數(shù)據(jù)采集和土木工程建設(shè)等。但是與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的三維激光掃描技術(shù)依然處于起步發(fā)展階段。從目前的學(xué)科應(yīng)用范圍來(lái)看，其基本涵蓋了醫(yī)學(xué)、考古學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域，但在水土保持生態(tài)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用甚少[2]。

1.2 3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理

3D激光掃描技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中，將多種高新技術(shù)測(cè)繪儀器集成在一起，如激光掃描系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)及儀器內(nèi)部校正系統(tǒng)，還有CCD數(shù)字影像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。在此基礎(chǔ)上，基于非接觸高速激光測(cè)量方式，主要以點(diǎn)云形式對(duì)研究區(qū)內(nèi)復(fù)雜物體和地形三維表面的陣列式集合圖形、數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)獲取。

1)3D激光掃描技術(shù)下的激光測(cè)距技術(shù)當(dāng)前應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，其中主要基于相位差法、干涉法和脈沖法進(jìn)行距離測(cè)量。干涉法及相位差法主要適用于短距離內(nèi)及微觀技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的三維激光掃描測(cè)距。而干涉法測(cè)距技術(shù)則適用于地面較大范圍及較遠(yuǎn)距離內(nèi)的激光掃描測(cè)距，主要測(cè)距過(guò)程可分為激光發(fā)射、探測(cè)和時(shí)延估計(jì)及測(cè)量4個(gè)環(huán)節(jié)[3]。

2)3D激光掃描技術(shù)下的激光掃描技術(shù)主要包括全息光柵掃描、多棱鏡掃描和電鏡掃描及光機(jī)掃描幾種形式。應(yīng)用表明，3D激光掃描技術(shù)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(shù)特點(diǎn)。在掃描過(guò)程中，3D激光掃描系統(tǒng)主要基于內(nèi)置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部多面反射冷鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制，從而使系統(tǒng)脈沖激光束沿著縱軸與橫軸方向進(jìn)行快速掃描。

3)在3D激光掃描過(guò)程中，測(cè)距觀測(cè)值S主要由三維激光掃描儀通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)獲取[4]。在此過(guò)程中，系統(tǒng)每個(gè)激光脈沖橫向及縱向掃描角度觀測(cè)值主要由精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量。在采用3D激光掃描中的地面激光掃描三維測(cè)量技術(shù)進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)時(shí)，通常采用的坐標(biāo)系統(tǒng)為儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)；其中，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸和Z軸分別在橫向掃描面內(nèi)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(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式：

X=DcosβcosαY=DcosβsinαZ=Dsinβ

(1)

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

2 水土保持監(jiān)測(cè)中3D激光掃描技術(shù)的運(yùn)用

2.1 工程項(xiàng)目實(shí)例

文章主要依托于遼寧省丹東市水土流失定量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以該開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目部分區(qū)域3個(gè)不同典型坡面為研究對(duì)象，分別采集施工準(zhǔn)備期與施工期兩個(gè)階段的3D激光掃描儀數(shù)據(jù)，然后采用徠卡系統(tǒng)軟件對(duì)全彩點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息技術(shù)處理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行3D模型分析及3D實(shí)體點(diǎn)云疊加處理，從而獲取該水土保持工程三個(gè)不同典型坡面的水流侵蝕模數(shù)和具體侵蝕量。其中，降雨量數(shù)據(jù)為2016年度該研究區(qū)附近氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，獲取工程場(chǎng)地土壤容重?cái)?shù)據(jù)[5]。

1)水土保持項(xiàng)目施工準(zhǔn)備期監(jiān)測(cè)中3D激光掃描技術(shù)的運(yùn)用。

在該施工階段，主要采用3D激光掃描技術(shù)對(duì)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(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)收集；將收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)與水土保持項(xiàng)目施工期和植被恢復(fù)期的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此定量與定性描述工程開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目對(duì)丹東市水土保持工作的影響，從而以科學(xué)的數(shù)據(jù)量客觀反映該區(qū)域施工準(zhǔn)備階段工程開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的水土流失情況[6]。

2)水土保持項(xiàng)目施工期監(jiān)測(cè)中3D激光掃描技術(shù)的運(yùn)用。

在施工期內(nèi)，主要針對(duì)高填深挖、土石方移運(yùn)等導(dǎo)致的水土流失問(wèn)題進(jìn)行分析，采用3D激光掃描技術(shù)全面對(duì)施工場(chǎng)地路塹邊坡、路堤邊坡和棄土與取土場(chǎng)地邊坡等因降雨引發(fā)的嚴(yán)重水土流失參數(shù)進(jìn)行掃描。此階段的主要工作任務(wù)是監(jiān)測(cè)水土流失量與水土流失災(zāi)害事件的危害程度，同時(shí)監(jiān)測(cè)水土流失治理手段等[7]。

3)水土保持項(xiàng)目植被恢復(fù)期監(jiān)測(cè)中3D激光掃描技術(shù)的運(yùn)用。

在植被恢復(fù)期，主要針對(duì)水土流失治理工程實(shí)施的水土保持效果進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)。通過(guò)3D激光掃描技術(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行提取，以此對(duì)植被存活率、林草植被覆蓋率等進(jìn)行分析。

詳細(xì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 丹東市水土保持監(jiān)測(cè)中3D激光掃描測(cè)定的土壤侵蝕模數(shù)

表2 丹東市水土保持監(jiān)測(cè)中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定的土壤侵蝕模數(shù)

2.2 應(yīng)用結(jié)果分析

從上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果中可以看出，每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目基于3D激光掃描技術(shù)測(cè)定的水土保持監(jiān)測(cè)結(jié)果相差變化不大，在量級(jí)上基本一致，基本能夠滿足丹東市水土保持監(jiān)測(cè)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)精度要求，從而為大范圍將3D掃描技術(shù)運(yùn)用于區(qū)域水土保持監(jiān)測(cè)工作中提供了必要的理論和技術(shù)支撐[8]。

但總體來(lái)看，每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)之間也存在一定的偏差。究其原因，主要在于現(xiàn)場(chǎng)掃描測(cè)量技術(shù)裝置存在技術(shù)偏差，且監(jiān)測(cè)位置與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置存在一定的差異，這一不足依然有待在今后監(jiān)測(cè)工作中繼續(xù)完善[9]。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在日常工作中的運(yùn)用非常廣泛。但是，將其應(yīng)用于水土保持監(jiān)測(cè)工作中依然屬于全新的嘗試。本研究結(jié)合某水土保持治理實(shí)踐工程，對(duì)3D掃描技術(shù)在該工程水土保持效果監(jiān)測(cè)中的具體運(yùn)用實(shí)踐情況進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過(guò)全面的數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)，最終應(yīng)用結(jié)果表明，基于3D掃描技術(shù)得到的水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果精確度較高，基本可滿足工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建設(shè)水土保持監(jiān)測(cè)精度要求，值得在今后工作中全面應(yīng)用與推廣。

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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(guī)劃、綜合治理等工作。

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