馬玉鳳，嚴(yán) 平，時(shí)云瑩，丁連剛，展秀麗，楊典正

(北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875)

三維激光掃描技術(shù)是一個(gè)使用高激光和像機(jī)捕獲坐標(biāo)和圖像信息的高精度立體掃描技術(shù)。在考古、文物保護(hù)、土木工程、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、應(yīng)急服務(wù)等領(lǐng)域已經(jīng)逐步得到了應(yīng)用[1-2]。由于三維激光掃描儀器的適時(shí)性、精準(zhǔn)性、高效性好，近年來，地學(xué)研究也開始引入該項(xiàng)技術(shù)，在滑坡、泥石流、礦區(qū)地表沉陷、地質(zhì)構(gòu)造等多方面的監(jiān)測(cè)發(fā)揮了其優(yōu)勢(shì)[3-5]，其在水土流失監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也初見端倪。

Milan等[6]使用三維激光掃描儀連續(xù)觀測(cè)一條河流，計(jì)算出河流侵蝕和堆積量以及河道的變化情況;張鵬等人[7]采用連續(xù)模擬降雨實(shí)驗(yàn)，結(jié)合高精度GPS，三維激光掃描儀和測(cè)針板3種方法在溝蝕過程監(jiān)測(cè)和侵蝕量估算進(jìn)行了對(duì)比研究;于泳等人[8]分析了基于GIS的三維激光掃描儀在水土保持方案編制中應(yīng)用的可行性和突出優(yōu)勢(shì);趙軍等人[9]使用微地貌掃描儀對(duì)相同初始條件下不同坡度土槽放水和降雨實(shí)驗(yàn)后的地表形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出坡度對(duì)坡面侵蝕及溝蝕影響的初步規(guī)律。上述研究均是通過掃描的點(diǎn)云建立DEM模型以及模型斷面的二維投影信息來分析計(jì)算土壤的侵蝕特征，可以在掃描儀的數(shù)據(jù)處理軟件來完成計(jì)算，但是對(duì)于以點(diǎn)云為邊界所圍成的無云區(qū)平面信息鮮見關(guān)注，而這種在局部地形監(jiān)測(cè)土壤侵蝕二維空間信息，尤其是與遙感影像結(jié)合的平面分析在水土保持研究中有著重要意義。

本研究在青海共和盆地野外多次調(diào)查的基礎(chǔ)上，以威連灘沖溝溝頭的一條支溝為研究案例，采用亞米級(jí)差分GPS和三維激光掃描儀分別對(duì)該支溝進(jìn)行了侵蝕邊界的監(jiān)測(cè)，利用點(diǎn)云處理Real Works Survey軟件，AutoCAD和GIS軟件對(duì)2種測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理計(jì)算和對(duì)比分析，并探討了三維激光掃描技術(shù)在土壤侵蝕研究應(yīng)用中的缺陷及其改進(jìn)，旨在為水土流失監(jiān)測(cè)提供一種新的思路和方法。

1 監(jiān)測(cè)區(qū)簡(jiǎn)介

監(jiān)測(cè)區(qū)位于青海省貴南縣沙溝鄉(xiāng)威連灘，地理坐標(biāo)為35°53.891′N ，100°50.365′E，海拔 2 767 m 。該區(qū)屬于半濕潤(rùn)森林草原地帶與干旱荒漠地帶之間高原溫帶內(nèi)半干旱干草原和干旱荒漠草原的過渡性生物氣候亞帶。年平均氣溫為2.3℃，年降水量為398.7 mm，多年平均干燥度為3.9[10]。沖溝發(fā)育在共和盆地內(nèi)含古沙丘和黃土丘陵的河湖相沖淤積平原上，所在的灘地土壤表層30 cm為砂黃土，下伏古風(fēng)成砂，抗蝕能力較差(表1)。沖溝呈西北東南走向，溝壁陡峭，平均深在21 m，溝頭平均深30 m。沖溝侵蝕變化主要表現(xiàn)在溝頭發(fā)育的3條支溝上，對(duì)該區(qū)的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、居住環(huán)境和交通構(gòu)成嚴(yán)重威脅[11]。

表1 威連灘沖溝土壤粒度組成

2 研究方法

2.1 測(cè)量方案

2009年3月中旬，采用集思寶E718CM GPS對(duì)研究區(qū)的支溝沿溝岸邊界進(jìn)行連續(xù)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，在溝邊形狀彎曲部點(diǎn)采集間距為0.3～0.5 m，在平直區(qū)段點(diǎn)采集間距為0.5～1 m 。將易測(cè) E640靜態(tài)GPS(平面精度:±5 mm+1 ppm，高程精度:±10 mm+1 ppm)作為基準(zhǔn)站架設(shè)在長(zhǎng)期觀測(cè)的定樁點(diǎn)(圖1)，通過接收靜態(tài)機(jī)的載波信號(hào)記錄載波相位數(shù)據(jù)。

同時(shí)使用Trimble GX 3D激光掃描儀對(duì)支溝的邊界進(jìn)行掃描(圖2)，掃描的標(biāo)準(zhǔn)差為2.5 mm，在100 m范圍內(nèi)測(cè)量，位置精度為12 mm，距離精度為7 mm，角度精度為 0.003°，視野范圍垂直水平 60°×360°，設(shè)置掃描點(diǎn)云的水平與垂直分辨率為80 mm。以連續(xù)導(dǎo)線的方式建設(shè)基準(zhǔn)站掃描，每一基站通過掃描前一站3個(gè)標(biāo)靶作為后期數(shù)據(jù)處理拼接的的參照公共點(diǎn)，其中第二基準(zhǔn)站架在固定的打樁點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)于差分GPS采集的數(shù)據(jù)，通過E640后處理軟件下載相應(yīng)的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，同時(shí)在E718CM上下載流動(dòng)站數(shù)據(jù)，通過FieldMapper Tools輸入打樁點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，然后用基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)對(duì)流動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行后差分處理，后差分精度為0.1～0.2 m。將處理過的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件，根據(jù)GPS采集點(diǎn)，數(shù)字化提取支溝的邊界信息(圖1)。

圖1 差分GPS支溝監(jiān)測(cè)圖

對(duì)于三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先根據(jù)公共參照點(diǎn)在掃描儀配套的Real works Survey軟件對(duì)掃描的每一基站數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)，剔除誤差點(diǎn)云，組成完整的點(diǎn)云圖景(圖2)。利用處理軟件提取支溝Top平面圖，并將圖添加比例尺后導(dǎo)出。對(duì)于該圖無點(diǎn)云區(qū)邊界的勾勒計(jì)算有兩種方法，一種是將支溝圖直接導(dǎo)入AutoCAD軟件中，通過Sketch命令徒手繪制邊界輪廓線，但是由于拖動(dòng)鼠標(biāo)繪制邊界不靈巧，易滑動(dòng)，輪廓線效果不佳，出入大;另一種是將二維圖導(dǎo)入GIS軟件，數(shù)字化邊界后轉(zhuǎn)成*.dwg格式導(dǎo)入Auto-CAD軟件，本研究采用了后者，根據(jù)比例尺和其所在圖中的實(shí)測(cè)線段長(zhǎng)之比，對(duì)沖溝的二維信息進(jìn)行換算。

圖2 三維激光掃描儀切溝監(jiān)測(cè)圖

3 結(jié)果與討論

由于監(jiān)測(cè)區(qū)人工設(shè)置的泥墻，阻礙了掃描支溝溝頭末端，因此在2種數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)，把差分GPS和激光掃描儀掃描的邊界統(tǒng)一在一個(gè)區(qū)域范圍(表2)，計(jì)算得到差分GPS測(cè)得的支溝侵蝕面積為36 524.792 1 m2，三維激光掃描儀所測(cè)得的侵蝕面積為36 435.144 9 m2，相差89.647 2 m2，而2種測(cè)量方法監(jiān)測(cè)的支溝侵蝕周長(zhǎng)相差28.13 m，差分GPS測(cè)得的侵蝕量大于三維激光掃描儀所測(cè)得的。侵蝕量差別的出現(xiàn)主要有2方面的原因:(1)GPS是由人工監(jiān)測(cè)，涉及到安全問題，GPS的移動(dòng)位置只能逼近溝岸，該研究在測(cè)量當(dāng)中與實(shí)際邊界有0.3 m左右的間距，對(duì)于彎曲的邊界線，GPS的點(diǎn)測(cè)量還是未能更好的體現(xiàn)實(shí)貌，所以兩種測(cè)量的侵蝕周長(zhǎng)差值并不大;(2)兩種儀器本身存在著誤差[12]，差分GPS的誤差要高于三維激光掃描儀。三維激光掃描儀在土壤侵蝕監(jiān)測(cè)中非接觸的高精度測(cè)量，較真實(shí)地反映地表形態(tài)是其最大優(yōu)勢(shì)。

表2 差分GPS與三維激光掃描儀支溝監(jiān)測(cè)侵蝕量

本次監(jiān)測(cè)的侵蝕區(qū)較為平緩，但仍有掃描死角，存在數(shù)據(jù)缺損，造成數(shù)據(jù)黑洞(圖1)。支溝前端未掃描到的侵蝕面積，差分GPS計(jì)算為105.179 7 m2。以掃描儀的監(jiān)測(cè)面積為基準(zhǔn)，差分GPS與激光掃描儀每平米差0.002 m2，倘在安全的地形監(jiān)測(cè)中差值更小。從數(shù)據(jù)處理的角度上來看，通過AutoCAD的二次開發(fā)軟件南方CASS，將兩種測(cè)量數(shù)據(jù)的定樁點(diǎn)設(shè)為統(tǒng)一基準(zhǔn)點(diǎn)，有利于不同監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析，且對(duì)于掃描儀沒有掃描到的黑洞數(shù)據(jù)，高精度的差分GPS可作為一個(gè)局部的數(shù)據(jù)補(bǔ)充。

三維激光掃描儀掃描容易，但數(shù)據(jù)處理難，與遙感、GIS軟件兼容性較差[1]，需要圖形處理軟件的多次轉(zhuǎn)換，也是制約應(yīng)用于土壤侵蝕研究中的一個(gè)重要因素。在今后的研究中嘗試著用高精度的靜態(tài)機(jī)測(cè)量掃描控制點(diǎn)的坐標(biāo)和方位，再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得實(shí)體點(diǎn)云數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[13]，這樣就能和遙感影像匹配起來進(jìn)行更全面詳細(xì)的研究分析。此外對(duì)于深而陡的負(fù)地形，由于掃描儀的掃描俯角有限，高精度差分GPS采集的溝底數(shù)據(jù)也可與掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)相匹配，構(gòu)建較為完整的負(fù)地形DEM模型，為土壤侵蝕和區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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