张芳齐

（太原理工大学建筑设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概况

江西铭宸智慧农业科技产业园开发建设项目位于江西省景德镇市浮梁县，项目占地面积共533.33 hm2，总投资预30 亿元，分两期建设。其中一期占地200 hm2，投资5.98 亿元，工期12 个月，主要建设智能温室、育苗研发中心、农产品检测中心及膜棚种植区；二期则建设钢架薄膜生产大鹏333.33 hm2。在项目开发建设过程中必然对工程所在地环境产生不利扰动和侵蚀，必须进行工程建设期间可能造成的区域内水土流失量及土壤侵蚀量的合理估算，基于此采取切实可行的水保措施。

2 试验方案

生产建设项目水土保持监测主要通过典型地段及重点部位不同时段土壤侵蚀量的定位观测和综合分析，进行项目建设期间所造成土壤侵蚀量的推算。考虑到监测点位的可操作性和代表性，选择该工程项目干扰相对较少的采石场排土边坡，进行雨季多场自然降雨土壤侵蚀量现场径流小区集流桶多次测量和3D 激光扫描仪多次监测；同时进行集流桶多次测量和3D激光扫描仪监测的室内模拟试验。将自然降雨监测结果和室内土壤侵蚀模拟结果进行对比，探索3D 激光扫描仪在生产建设项目水土保持监测中的实用性。

2.1 室内试验

在该生产建设项目水土保持中应用3D激光扫描仪前必须进行室内降雨土壤侵蚀模拟试验。2 次试验均安排在南昌工程学院模拟降雨大厅进行，先后间隔1 个月，试验过程中应用下喷式降雨设备，土槽长4 m、宽1.50 m，液压自动升降系统，设计坡度为30°。在吐槽底部先加铺砂砾层，上覆纱布，以控制降雨过程中可能出现的积水，再分层填筑工程所在地区代表性的赤红壤土。所用赤红壤土必须事先经过挑选和过筛，将其中杂物及石块等完全清除后分层填筑并拍实，待填充好后取样进行土壤容重测量。

试验开始后先通过3D 激光扫描仪扫描降雨前的基准值，模拟工程区实际降雨过程实施几次小型降水，待土壤坡面达到沉降稳定状态后通过钢尺测量土层实际厚度，并标定降雨强度。此后通过集流桶收集降雨径流及泥沙，泥沙经过风干处理后称量，并根据土壤容重参数进行质量及体积转换，得出每次降雨所对应的土壤侵蚀量。在每次模拟降雨后通过3D激光扫描仪进行坡面多站式扫描，得出降雨后可能的土壤侵蚀量值，同时测量土层实际厚度，进行土层沉降计算。

2.2 现场试验

此试验主要采用配备HDS高清测量系统ScanStation2三维激光扫描仪，该仪器扫描速度可以达到50 000 点/s，扫描视场角为360°×270°，对于反射率分别为90%和18%的物体扫描距离可达300 m和134 m，截面友好，测绘精度高。结合工程实际及测量需要，此次使用时将扫描距离设定为30 m，点云空间分辨率确定为0.01 m。

试验区设置在该建设项目采石场内，试验区位于亚热带季风气候区，年气温均值20.30℃，年降雨量均值1 645 mm，且降雨主要集中出现在每年4～9月份，该时期降雨量在全年降雨量中占比80.40%。区域内地势平坦，海拔高度在110 m左右，主要分布花岗岩分化而成的赤红壤土为主，土质疏松，透水性极强，受到工程扰动及植被退化后水土流失极易发生。

径流小区是工程项目特定坡地水土流失及土壤侵蚀展开定量观测的常规性监测设施，该监测技术和3D 激光扫描仪结合应用能充分利用扫描仪在降雨下对土壤侵蚀量的测量精度，发挥常规监测措施和现代化仪器的双重优势。为展开现场观测，应结合工程采石场坡面实际地形，选择坡面平整、无植被覆盖的区域，按照长5 m、宽2 m的设计尺寸规划出1个矩形径流小区，同时在区域内增设小区边埂、导流管、集流槽、集流桶等设施，观测场设计坡度38°～40°。为保证监测结果的可比性，扫描小区和径流小区应保持位置一致。

此次监测安排在4～9月份工程区雨季期间，选取连续1个月的监测周期实施5次监测，以2～3次大暴雨为间隔，并将对径流小区实施扫描监测和采集泥沙侵蚀量安排在同一天进行，将每次扫描、收集并记录到的坡面土壤形态点云数据输入Cyclone 软件处理分析。与此同时，对所收集的径流小区监测期间集流桶内的泥沙量进行土壤体积容重换算，将换算结果和扫描结果进行比较，评价扫描仪监测结果精度。

3 监测过程及结果分析

3.1 室内模拟降雨结果比较

通过分析经Cyclone软件处理后的室内土槽模型水土流失过程中坡面地形的变化趋势看出，室内模拟降雨冲刷土层时，坡面主要从面状侵蚀转向细沟侵蚀，3D 激光扫描仪土壤侵蚀量监测数据及径流小区集流桶实测数据具体见表1。由表1可知，3D 激光扫描仪所监测的试验区土壤侵蚀量比集实测侵蚀量大，不同试验序列下误差分别为5.31%和3.10%。造成误差的原因有三：一是3D激光扫描仪站位设置欠合理，扫描仪站高和土槽槽高间高差太小，但扫描仪站位和土槽间距又过大，导致扫描仪无法对土槽中土层进行全方位扫描，在土槽下方存在部分扫描盲区；二是土壤沉降量的测算过于简单粗略，应当将土槽内土层由远及近划分成三部分，进行两次试验间隔期间土层厚度变化测算，以合理预估土层沉降；三是试验间隔过长且次数过少，2 次试验间隔1 个月，试验结果缺乏合理性和代表性。

表1 室内试验土壤侵蚀量监测结果的比较表

3.2 径流小区自然降雨结果比较

根据Cyclone软件对野外径流小区水土流失及土壤侵蚀过程监测数据的处理结果，在整个监测期间，因持续受到降雨的冲刷侵蚀，坡面从面状侵蚀向细沟侵蚀、切沟侵蚀转变。自然降雨下土壤侵蚀量监测结果的比较具体见表2。由表2 可知，5～7月该工程区土壤侵蚀量较大；3D激光扫描仪土壤侵蚀量和实测泥沙侵蚀量的误差平均在6.78%，除04-25～05-20监测时段误差较大外，其余监测时段误差较小。造成这种误差的原因有三：一是差分GPS精度无法为监测站位和扫描标靶提供准确的空间定位；二是野外监测环境恶劣多变，影响多次监测期间空间叠加控制点的准确确定；三是径流小区土壤沉降不稳定。

表2 自然降雨下土壤侵蚀量监测结果的比较表

以上室内模拟试验和野外自然降雨监测结果的比较分析表明，3D 激光扫描仪土壤侵蚀监测手段必须和常规径流小区监测技术结合应用，且在两种试验环境下，通过采取有效的误差控制措施后，两种技术测量结果误差仍处于可控范围，能够满足生产建设项目水土保持监测及水保方案编制方面的要求。

4 结论

综上所述，3D 激光扫描仪在生产建设项目水土流失和土壤侵蚀监测方面的应用属于新技术新领域，该技术的应用可提高监测过程的自动化、智能化水平，随着GPS、差分增强技术、监测站数据处理技术、超级基准站的开发、监测站实时监控和数据处理软件的开发等配套技术的不断进步，监测结果精度有较大的提升空间，并能逐渐完全取代人工监测，体现水土保持监测的未来发展方向，实现生产建设项目水土保持监测全过程无人参与的高精度自动测量。