李万能 金平伟 向家平 张自军 李岚斌

(珠江水利委员会珠江流域水土保持监测中心站)

随着经济社会的发展，各地各类开发建设项目逐渐增多，人为水土流失现象日益突出，加强开发建设项目的水土保持监测，已成为一项重要任务。但在开发建设项目水土流失定量化研究上，深度与精度不够，侵蚀沟量测方法过于陈旧，难以适应现阶段开发建设项目水土保持监测的相关要求。随着高新技术的发展与普及，水土保持监测技术逐步提高。本文采用先进的激光扫描技术对侵蚀沟坡面进行测量，为开发建设项目水土流失定量监测提供了一个新的技术平台。

1 地面三维激光扫描技术及其基本工作原理

1.1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术［1］指采用高速激光扫描方法，快速获取大面积被测目标表面的高分辨率点云数据，并由系统后处理软件对采集的点云和影像数据进行处理，且与已知坐标进行联测后获得绝对三维坐标，以快速获取空间信息数据库的数据源，为不同方面应用需要提供了新的技术支撑［2］。

三维激光扫描技术在国外很多领域，如在土木工程、地面模型、地理数据采集等方面［4－6］，已得到广泛应用，但是在国内尚处于应用起步阶段，研究领域主要覆盖在工程、考古、医学等方面［1，3，7－9］，在农学尤其在水土保持领域的应用研究则较少。

1.2 基本工作原理［10］

三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，采用非接触高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式集合图形数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成了CCD数字影像和仪器内部校正等系统。

1.2.1 激光测距系统

激光测距技术发展已经相当成熟，目前激光测距原理主要有脉冲法测距、干涉法测距和相位差法测距三种。在微观领域及短距离内的三维激光扫描仪主要采用相位差法或干涉法测距。目前，地面三维激光影像扫描仪主要采用的是脉冲法测距。测距过程主要包括四个环节:激光发射、激光探测、时延估计和时延测量。

1.2.2 激光扫描系统

对于激光扫描技术，目前用得最多的是光机扫描、电镜扫描、多棱镜扫描和全息光栅扫描。大范围的扫描幅度、高精度的小角度扫描间隔及高帧频成像技术是三维激光扫描技术的主要特点。地面三维激光扫描系统通过内置驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。

1.2.3 三维激光扫描测量原理

三维激光扫描仪通过数据采集获取测距观测值S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。地面激光扫描三维测量一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，由此可得到三维激光脚点坐标的计算公式:

式中，X、Y、Z为被测物三维坐标，D为被测物与仪器之间的距离，β为垂直扫描角度，α为水平扫描角度。

2 开发建设项目水土保持监测内容

2.1 施工准备期

该时期主要是以调查土壤侵蚀背景值、原地形地貌、植被的种类和覆盖度(郁闭度)、水土保持措施种类和数量等为主。通过收集到的数据与施工期、植被恢复期监测到结果数据进行分析比较，以论证其开发建设项目扰动对项目区水土保持的影响变化，从而能够实时反映该项目施工准备期的水土流失情况。

2.2 施工期

施工期是高填深挖、土石方运移的主要时期，产生大量的裸露边坡，如路堤边坡、路堑边坡、取(弃)土(渣)场边坡等，遇降雨可能产生严重水土流失。本时期主要任务是监测水土流失量、水土流失灾害事件，同时监测水土保持措施的实施情况等。

2.3 植被恢复期(或运行期)

本时期主要监测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、植被恢复率及林草植被覆盖度、工程措施的运行情况等。

3 应用实例

本文主要依托广州市开发建设项目水土流失定量监测项目，选择花都祈福赤泥黄金海岸房地产(项目I)、110kV富鹏输变电工程(项目Ⅱ)、广州黄埔至东莞麻涌高速公路及东莞麻涌至长安高速公路工程(项目Ⅲ)等三个典型坡面为研究对象，采用两期三维激光扫描仪数据，通过徕卡系统软件进行全彩点云数据处理、三维实体模型分析以及三维实体点云叠加处理，得出该坡面侵蚀量及侵蚀模数(其中降雨量采用2011年度附近气象站数据，土壤容重采用现场测定，且未考虑地面沉降)。实地监测成果详见表1和表2。原始数据采集现场见图1，扫描结果见图2。

图1 原始数据采集监测现场

图2 三维激光扫描仪扫描效果图

表1 三维激光扫描法测定的土壤侵蚀模数

表2 简易观测场测定土壤侵蚀模数表

由表1和表2可以看出，激光扫描仪测定结果与简易观测场测定结果在数量级上基本一致，基本已经满足开发建设水土保持监测精度要求，为大范围应用于开发建设项目水土保持监测提供了理论支持。但是，监测数据存在一定偏差，分析主要原因:(1)三维激光扫描仪与简易观测场监测的位置不一致;(2)监测区域的土壤理化性质存在差异，导致不同土壤质地抗冲性与抗蚀性差异较大。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)将三维激光扫描技术应用于开发建设项目水土保持监测，是对传统开发建设项目水土保持监测的扩展与补充，在快速提高工作效率的同时提高了开发建设项目水土保持监测精度。通过本次实验可以看出，三维激光扫描技术的应用，可以满足水土保持监测中侵蚀量测定的精度要求，为水土保持定量监测提供了强有力的技术支持。

(2)将这一先进技术及时应用到生产实践中去，可大大改善水土保持监测工作人员的作业环境，提高工作效率。伴随我国正处于全面开展基础建设，综合利用当代的先进科技，探索水土保持监测的新手段，增强水土保持监测预警能力具有重要的现实意义。

4.2 建议

(1)应用三维激光扫描仪开展水土保持监测时，应该注意两点:一是主要已知点在使用之前必须进行仪器检验;二是扫描的范围尽量控制在一定范围内，以免造成结果中物体边缘难以识别。

(2)应用激光扫描仪进行水土保持监测，在提高测量精度上应该注意两点:一是在监测网的基础上，采用差分式测量方案，可以消除或减弱各种误差对测量结果精度的影响;二是在测量时，要尽量采用强制对中装置，认真测量气温、气压，观测时视线应高于地面和旁离障碍物一定距离，以减弱旁折光差的影响。

(3)加强后期土壤侵蚀机理及对比研究，可保证在同一基准下三维激光扫描仪精度的可靠性。

(4)三维激光扫描仪后期软件数据处理是一个至关重要的环节，是结果正确性与否的重要基础，因此，应加强后续软件数据处理模型方面的研究。

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