樊 冰，馬 良，高 群

(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014； 2.山東水土保持學(xué)會(huì)，山東 濟(jì)南 250014)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，各類(lèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目如礦山、電力、鐵路、公路、城市建設(shè)等迅猛增長(zhǎng)成為新增水土流失的主要源地，但在水土保持設(shè)施驗(yàn)收過(guò)程中，建設(shè)單位或委托的技術(shù)評(píng)估單位往往還是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)影像、遙感、無(wú)人機(jī)等手段對(duì)水土保持相關(guān)措施量進(jìn)行核算統(tǒng)計(jì)，或者直接引用施工單位或水土保持監(jiān)測(cè)單位的數(shù)據(jù)，對(duì)項(xiàng)目核查區(qū)域無(wú)法做到準(zhǔn)確“復(fù)盤(pán)”、逐個(gè)“過(guò)關(guān)”，數(shù)據(jù)、資料的可靠性無(wú)法得到保障，對(duì)施工單位的違法違規(guī)行為無(wú)法準(zhǔn)確取證，導(dǎo)致自主驗(yàn)收?qǐng)?bào)告與實(shí)際情況不符，針對(duì)存在的問(wèn)題無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決。

1 現(xiàn)狀及問(wèn)題

根據(jù)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施驗(yàn)收技術(shù)規(guī)程要求，建設(shè)單位需委托水土保持設(shè)施驗(yàn)收技術(shù)評(píng)估機(jī)構(gòu)對(duì)水土保持設(shè)施的數(shù)量、質(zhì)量、進(jìn)度及水土保持效果等進(jìn)行全面評(píng)估。當(dāng)前，如何在驗(yàn)收過(guò)程中有效定量開(kāi)展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施相關(guān)工程量的統(tǒng)計(jì)，準(zhǔn)確計(jì)算出項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的土石方量及工程建設(shè)過(guò)程中造成的水土流失量，仍是一項(xiàng)重要研究課題。本研究在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有水土流失監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討基于便攜三維激光掃描技術(shù)的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施工程量核算方法體系，旨在為今后開(kāi)展生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估工作提供參考。

目前常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法有測(cè)釬法、遙感解譯法、模型估算法、調(diào)查法等，這些方法工作量大、效率低、周期長(zhǎng)，已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代水土流失監(jiān)測(cè)高時(shí)效性、自動(dòng)化和系統(tǒng)化的發(fā)展要求。如本次試驗(yàn)場(chǎng)地魯南高速鐵路路基工程區(qū)，在對(duì)坡面進(jìn)行監(jiān)測(cè)期間各類(lèi)機(jī)械操作頻繁，監(jiān)測(cè)設(shè)施極易被損壞或被觸碰，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果參考價(jià)值不大。目前應(yīng)用較廣且便捷的監(jiān)測(cè)技術(shù)有無(wú)人機(jī)正射或傾斜攝影測(cè)量+RTK相控技術(shù)，可快速對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行三維建模，對(duì)堆積體體積進(jìn)行量測(cè)，但該方法局限于普通無(wú)人機(jī)外業(yè)操作時(shí)間短，極易受到各種干擾而無(wú)法航測(cè)，再加上后期處理數(shù)據(jù)量龐大、處理周期長(zhǎng)、水平量測(cè)精度高但高程數(shù)據(jù)誤差仍然較大，多期模型很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確疊加。

隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，水土流失監(jiān)測(cè)通過(guò)與信息化自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合，監(jiān)測(cè)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(shù)被喻為全球定位系統(tǒng)之后測(cè)繪領(lǐng)域又一次技術(shù)革命。近幾年，三維激光掃描儀已經(jīng)成為重要的測(cè)量工具，廣泛應(yīng)用于地圖測(cè)繪、土木工程、醫(yī)學(xué)、勘探、BIM設(shè)計(jì)及各類(lèi)規(guī)劃等重要領(lǐng)域。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是一部激光測(cè)距儀加上一組可導(dǎo)引激光以等角速度掃描的反射棱鏡，激光測(cè)距儀分脈沖式、相位式、激光三角式、脈沖-相位式4種類(lèi)型，均可主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接收來(lái)自“被測(cè)物體表面”的反射訊號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)距，測(cè)得每一掃描點(diǎn)至掃描儀之間的斜距，配合發(fā)射激光的方向角，可推求每一掃描點(diǎn)與測(cè)站之間的三維空間相對(duì)坐標(biāo)差，通過(guò)掃描儀所處位置已知的三維坐標(biāo)可推求出掃描物體中每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)[1-4]。目前常規(guī)三維激光掃描儀的掃描速度已可達(dá)每秒數(shù)十萬(wàn)甚至百萬(wàn)點(diǎn)，因此可瞬間產(chǎn)生大量的點(diǎn)云，形成被測(cè)物體的精準(zhǔn)三維模型。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸運(yùn)用到各種變形監(jiān)測(cè)中，如能引入到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施驗(yàn)收中并有效縮小設(shè)備體積，簡(jiǎn)化掃描流程，使之方便攜帶、方便布設(shè)，將擁有廣闊的應(yīng)用前景，不僅可以為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持措施效果、水土流失動(dòng)態(tài)狀況展示等提供直觀準(zhǔn)確的信息，而且可根據(jù)建立的模型準(zhǔn)確獲取擾動(dòng)體積、植被覆蓋面積變化，以及棄渣場(chǎng)、料場(chǎng)、邊坡的土石方變化等信息，有效提高水土保持設(shè)施驗(yàn)收技術(shù)水平，從而為水土保持設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)及驗(yàn)收、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等提供較為翔實(shí)的資料。

2 研究?jī)?nèi)容及方法

2.1 研究?jī)?nèi)容

在我國(guó)，三維激光掃描技術(shù)在水土保持措施相關(guān)工程量統(tǒng)計(jì)應(yīng)用方面還處于初期階段，多數(shù)應(yīng)用屬于試驗(yàn)研究性的，只有少數(shù)應(yīng)用技術(shù)路線相對(duì)成熟。本項(xiàng)目擬在目前一些學(xué)者的研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究便攜三維激光掃描儀在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)方面的數(shù)據(jù)采集、處理、分析計(jì)算的方法。以魯南高速作為試驗(yàn)場(chǎng)地，選用FARO FOCUS S350便攜式三維激光掃描儀，針對(duì)其水土保持情況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。測(cè)量距離從0.6 m到350 m。

2.2 技術(shù)路線

(1)現(xiàn)場(chǎng)勘察，收集測(cè)區(qū)內(nèi)已有控制點(diǎn)。根據(jù)掃描對(duì)象的位置和掃描精度科學(xué)規(guī)劃掃描站點(diǎn)，繪制現(xiàn)場(chǎng)草圖，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、掃描對(duì)象拍照，方便后續(xù)建模。

(2)科學(xué)設(shè)置站位。結(jié)合GNSS、全站儀快速定位、無(wú)人機(jī)輔助測(cè)量對(duì)每個(gè)站點(diǎn)掃描的影像賦以坐標(biāo)值。

(3)內(nèi)業(yè)處理。通過(guò)數(shù)據(jù)拼接、去噪、重采樣、建模、土方量計(jì)算等標(biāo)準(zhǔn)化軟件操作規(guī)程計(jì)算得出填方面積、填方體積、挖方面積和挖方體積等參數(shù)值，精準(zhǔn)核算出工程量，還可再結(jié)合實(shí)地采樣分析得出的土質(zhì)密度，算出土壤侵蝕量。

(4)通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期目標(biāo)邊坡的模型數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)邊坡的土壤侵蝕量及其變化。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線

基于標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法采用儀器配備的靶球。進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，要求掃描儀能同時(shí)后視到3個(gè)及以上靶球。為滿足細(xì)節(jié)特征提取和描述，便攜激光掃描儀和全站儀、GPS定位、無(wú)人機(jī)結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的完美互補(bǔ)。目前三維激光掃描儀均集成了高清數(shù)碼相機(jī)及GPS定位，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掃描物體的彩色信息進(jìn)行融合，但由于三維掃描儀屬地面掃描站，拍照時(shí)尤其對(duì)物體上部存在盲點(diǎn)，因此結(jié)合無(wú)人機(jī)DSM三維地表模型建模技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描對(duì)象的全方位立體展示。通過(guò)結(jié)合外部全站儀或RTK定位系統(tǒng)可快速獲得被測(cè)對(duì)象的絕對(duì)大地坐標(biāo)，作為多期建模結(jié)果對(duì)比基準(zhǔn)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的依據(jù)(多源數(shù)據(jù)融合模型示意圖見(jiàn)圖2)。

圖2 多源數(shù)據(jù)融合模型示意

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在對(duì)工程設(shè)施掃描時(shí)，由于坡面進(jìn)行了綠化，在數(shù)據(jù)處理時(shí)要進(jìn)行去噪。首先采用掃描儀標(biāo)配FARO SCENE軟件的各種過(guò)濾器對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步去噪，主要包括異常值過(guò)濾、深色掃描點(diǎn)過(guò)濾、離群點(diǎn)過(guò)濾等。在進(jìn)行初步自動(dòng)去噪后，采用Cyclone軟件進(jìn)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(dòng)選擇噪聲點(diǎn)，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(diǎn)，選取完成后，進(jìn)行刪除；也可以選擇要保留的區(qū)域，刪除選擇圖形以外的噪聲點(diǎn)，最后得到需要的點(diǎn)云圖。

4 模型對(duì)比

分別將兩次掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入體積監(jiān)測(cè)軟件后，根據(jù)色彩信息和反射率信息，分別利用自動(dòng)和手動(dòng)模式對(duì)山體表面植被及其他地物進(jìn)行去噪處理，得到精確的地表數(shù)據(jù)，然后分別對(duì)地表點(diǎn)云進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，分別導(dǎo)入監(jiān)測(cè)對(duì)比軟件中，利用參測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比命令對(duì)兩表面模型進(jìn)行自動(dòng)比對(duì)，形變區(qū)域?qū)?huì)用不同的顏色顯示不同的體積變化量。監(jiān)測(cè)軟件不僅能夠自動(dòng)對(duì)形變區(qū)域進(jìn)行比對(duì)，而且能夠自動(dòng)生成報(bào)表，對(duì)土壤侵蝕范圍、體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5 評(píng)估應(yīng)用

5.1 邊坡侵蝕量計(jì)算

以某邊坡為例，見(jiàn)圖3。邊坡掃描及坡面侵蝕模型見(jiàn)圖4。坡面侵蝕量變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)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(guò)間隔5天兩次的掃描監(jiān)測(cè)以及彩色顯示對(duì)比結(jié)果、報(bào)表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(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(cè)量范圍中絕大部分水土流失厚度在2 cm以內(nèi)，占整體掃描數(shù)據(jù)的97.06%，部分位置產(chǎn)生了大于2 cm小于5 cm厚度的水土流失。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，水土流失監(jiān)測(cè)前后時(shí)間間隔5天，期間降水量為80.8 mm，兩處路基邊坡合計(jì)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(hù)措施、植物措施發(fā)揮了水土保持作用，避免了高強(qiáng)度降雨情況下的水土流失。

表1 坡面侵蝕量變化統(tǒng)計(jì)

5.2 棄渣量計(jì)算

通過(guò)三維激光掃描獲得有效地形測(cè)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(shè)定計(jì)算基準(zhǔn)面為294.46 m。計(jì)算可得棄渣場(chǎng)占地面積30 490 m2，棄渣量154 671 m3。

圖5 棄渣場(chǎng)掃描模型

5.3 取土量計(jì)算

通過(guò)三維激光掃描獲得有效地形測(cè)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(shè)定計(jì)算基準(zhǔn)面為290.11 m，計(jì)算得到取土量87 890 m3。

圖6 取土場(chǎng)掃描模型

5.4 精度檢驗(yàn)

在試驗(yàn)場(chǎng)地，通過(guò)標(biāo)定特征點(diǎn)，采用RTK測(cè)量其高程，對(duì)比三維激光掃描建模技術(shù)獲取的全場(chǎng)地面模型數(shù)據(jù)，分析特征點(diǎn)的高程誤差。通過(guò)對(duì)比分析，高程中誤差18.1 cm，滿足丘陵地區(qū)1∶500地形圖高程中誤差≤25 cm的精度要求,測(cè)圖工作相較于相控正射航測(cè)法大幅提高，有效提高了測(cè)量工作效率，有效支撐了驗(yàn)收數(shù)據(jù)，為水土保持設(shè)施驗(yàn)收過(guò)程中測(cè)算堆渣清運(yùn)量和植被恢復(fù)面積提供了精確的數(shù)據(jù)支撐(表2)。本研究應(yīng)用三維激光掃描建模技術(shù)支撐水土保持設(shè)施驗(yàn)收的基本方案,可在今后生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水保驗(yàn)收及行政監(jiān)督檢查中進(jìn)行推廣。

表2 特征點(diǎn)RTK高程值和三維建模地面模型高程值的對(duì)比

6 結(jié) 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(yōu)勢(shì)，在水土保持設(shè)施驗(yàn)收中進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集，以期提高評(píng)估核算質(zhì)量、監(jiān)測(cè)效率，節(jié)約成本。通過(guò)模型疊加對(duì)比可直接精確計(jì)算出邊坡水土流量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模型掃描直接量取棄渣場(chǎng)棄渣量及取土場(chǎng)取土量，填補(bǔ)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施驗(yàn)收及監(jiān)測(cè)中無(wú)快速定量方法和手段的技術(shù)空白，并可大幅提高水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估工作的自動(dòng)化程度。

(2)三維激光掃描技術(shù)在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施驗(yàn)收中的應(yīng)用，有效地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)模式下單點(diǎn)不連續(xù)、反映不全面的局限性，通過(guò)三維模型的直接比較，能夠?qū)吰滤亮魇дw變化情況做出定量判定。通過(guò)建立基于便攜式三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接機(jī)制、去噪機(jī)制、參數(shù)率定機(jī)制及誤差消除機(jī)制，并將便攜三維激光掃描技術(shù)與無(wú)人機(jī)、全站儀、RTK等常規(guī)測(cè)量手段相結(jié)合，可為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持設(shè)施驗(yàn)收中土壤流失、工程開(kāi)挖量及堆積量評(píng)估提供由點(diǎn)到面、由內(nèi)到外更加全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)通過(guò)研發(fā)和推廣該信息化手段，可對(duì)水土保持工程措施進(jìn)行直觀量測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、追溯監(jiān)測(cè)、快速分析，并能做到無(wú)損、快速、準(zhǔn)確，以替換低效率核查、套用施工單位數(shù)據(jù)等帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)損失。該項(xiàng)技術(shù)還可用于水土保持方案編制、區(qū)域評(píng)估、水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)理等各項(xiàng)技術(shù)服務(wù)，通過(guò)創(chuàng)新方法手段，壓實(shí)工作責(zé)任，推動(dòng)驗(yàn)收工作順利進(jìn)行。