FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過(guò)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過(guò)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過(guò)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用29-/NUM-29-FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過(guò)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過(guò)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過(guò)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用摘要：中國(guó)是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，水土流失分布范圍廣、面積大，為了更好地解決水土流失造成的制約經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、政治、文化協(xié)調(diào)發(fā)展的嚴(yán)重問(wèn)題。本文以黃土高原坡面模型為例,通過(guò)模擬天然降雨為動(dòng)力條件對(duì)黃土高原土壤侵蝕沖刷現(xiàn)象，獲取不同的土壤侵蝕量和侵蝕溝的演變過(guò)程，分析土壤侵蝕機(jī)理，論述三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用的基本方法，分析土壤細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕、切溝侵蝕、沖溝侵蝕的演變機(jī)理，對(duì)于制定治理水土流失方案，科學(xué)指導(dǎo)水土保持措施配置有重要的實(shí)踐意義。關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；侵蝕；坡面形態(tài)；細(xì)溝；FARO3DLaserScannerintheProcessofSoilErosioninSlopeMonitoringAbstract：Chinaisoneoftheworld'smostserioussoilerosioninthecountry,thedistributionofawiderangeofsoilerosion,largearea,inordertobetteraddresstheseriousproblemsofsoilerosioncausedbytheconstraintoneconomic,social,politicalandculturaldevelopmentof.Inthispaper,theLoessPlateauslopemodel,forexample,thephenomenonoferosionSoilErosionpoweredbysimulatingnaturalrainfallconditions,accesstotheevolutionofthedifferentsoilsanderosiongullyerosion,andsoilerosionmechanismanalysis,discussesthe3Dpointclouddataacquisition,dataprocessing,dataanalysis,basicmethodsofdataapplications,analysisofsoilrillerosion,ephemeralgullyerosion,gullyerosion,gullyerosionevolutionmechanismforthedevelopmentofprogramstocontrolsoilerosion,waterconservationmeasuresscientificguidancehasimportantpracticalconfigurationsignificance.Keywords：3Dlaserscanner；Pointclouddata；Erosion；Slopeform；Rill；三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)、高精度、立體式掃描技術(shù)，又稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的新型測(cè)繪技術(shù)，使測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取方法、服務(wù)水平、數(shù)據(jù)處理等進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段[1]。三維激光掃描儀獲得的原始數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點(diǎn)的集合體，是指通過(guò)3D掃描儀獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描資料以點(diǎn)的形式記錄，每一個(gè)點(diǎn)包含有三維坐標(biāo)（X、Y、Z），有些可能含有顏色信息（RGB）或反射強(qiáng)度信息（Intensity）[2]。顏色信息通常是通過(guò)相機(jī)獲取彩色影像，然后將對(duì)應(yīng)位置像素的顏色信息（RGB）賦予點(diǎn)云中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。強(qiáng)度信息的獲取是激光掃描儀接收裝置采集到的回波強(qiáng)度，此強(qiáng)度信息與目標(biāo)表面材質(zhì)、粗糙度、入射角方向、儀器的發(fā)射能量以及激光波長(zhǎng)有關(guān)。三維激光掃描的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性、主動(dòng)性、適應(yīng)性好，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理便可以滿(mǎn)足多種情況的應(yīng)用需求，包括滿(mǎn)足輸出到CAD或其它成圖軟件如ArcGis的要求[3]。二十世紀(jì)九十年代末，激光測(cè)量技術(shù)得到巨大發(fā)展，在很多領(lǐng)域都取得了成功。尤其是以三維激光掃描測(cè)量技術(shù)為代表的激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展，使激光測(cè)量技術(shù)在以下幾個(gè)方面得到突破：=1\*GB3①激光測(cè)距從一維測(cè)距向二維、三維掃描發(fā)展；=2\*GB3②實(shí)現(xiàn)無(wú)合作目標(biāo)快速高精度測(cè)距；=3\*GB3③實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)(距離和角度)的自動(dòng)采集和傳輸[3]。三維激光掃描儀作為一種新型的非接觸式海量高精度數(shù)據(jù)獲取手段，在國(guó)內(nèi)外的眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段[3]。特別是機(jī)載激光掃描系統(tǒng)發(fā)展很快,已經(jīng)用于快速獲取大面積三維地形數(shù)據(jù)[4]，基于地面的三維激光掃描系統(tǒng)目前正引起廣泛的關(guān)注,是三維激光掃描發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前國(guó)內(nèi)三維激光掃描儀在建筑與土木工程（如城市規(guī)劃、數(shù)字城市、隧道工程、公路驗(yàn)收、沉降監(jiān)測(cè)、建筑結(jié)構(gòu)安全檢查、城市災(zāi)害分析、橋梁改造、鐵路建設(shè)、機(jī)場(chǎng)及港口建設(shè)）；文物遺產(chǎn)保護(hù)（如古建筑保護(hù)、遺址挖掘保護(hù)、古生物記錄、數(shù)字博物館）；地質(zhì)與科研應(yīng)用（如地形測(cè)繪、滑坡監(jiān)測(cè)、礦區(qū)作業(yè)、林業(yè)綠量）；電力與水利應(yīng)用（如變電站、電力巡線、水庫(kù)大壩）；制造業(yè)及數(shù)字工廠（如工廠設(shè)施、檢測(cè)和逆向工程、航空、船舶制造）；公共安全應(yīng)用（如交通事故、犯罪現(xiàn)場(chǎng)）等領(lǐng)域有著很廣泛的用途。傳統(tǒng)測(cè)量方式是單點(diǎn)采集數(shù)據(jù),獲取的是單點(diǎn)數(shù)據(jù),而三維激光掃描測(cè)量技術(shù)不需要合作目標(biāo),可以自動(dòng)、連續(xù)、快速地獲取目標(biāo)物表面的密集采樣點(diǎn)數(shù)據(jù),獲取的信息量也從點(diǎn)的空間位置信息擴(kuò)展到目標(biāo)物的紋理信息和顏色信息,并且擁有許多自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),如:①數(shù)據(jù)獲取速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)；②數(shù)據(jù)量大,精度較高；③主動(dòng)性強(qiáng),能全天候工作；④全數(shù)字特征,信息傳輸、加工、表達(dá)容易[5]。細(xì)溝侵蝕是坡面地表土壤侵蝕的主要方式之一，是非常復(fù)雜的土壤侵蝕過(guò)程，研究細(xì)溝侵蝕過(guò)程及其影響機(jī)制一直是土壤侵蝕領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。關(guān)于降雨強(qiáng)度、降雨量、土壤性質(zhì)、坡度、坡長(zhǎng)、坡形、土壤前期含水量等眾多因素對(duì)土壤細(xì)溝侵蝕影響以及不同因素組合情況下細(xì)溝侵蝕過(guò)程的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果[6-9]。蔡強(qiáng)國(guó)等[6]、M.J.Singer等[7]研究表明表土結(jié)皮的形成對(duì)細(xì)溝的形成和發(fā)展有著很大的影響。以往許多學(xué)者對(duì)細(xì)溝侵蝕的發(fā)育演變過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)而全面的研究,但還未充分認(rèn)識(shí)和掌握細(xì)溝侵蝕的形成和演化機(jī)理。受以往的研究條件和手段的局限,目前太多的研究方向集中在細(xì)溝產(chǎn)生的臨界條件、影響細(xì)溝侵蝕的因素、細(xì)溝形態(tài)及細(xì)溝發(fā)育過(guò)程的主觀描述和產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程階段,且集中在單次降雨條件下的細(xì)溝發(fā)育過(guò)程的研究。為了研究坡面土壤在不同坡度、不同地形地貌情況下的水土流失情況，更好的闡明坡面土壤水土流失的詳細(xì)細(xì)節(jié)問(wèn)題，個(gè)人認(rèn)為：研究細(xì)溝侵蝕的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程,細(xì)溝侵蝕所處的不同階段(小跌水、下切溝頭、斷續(xù)細(xì)溝、連續(xù)細(xì)溝、細(xì)溝網(wǎng)等)的沖刷侵蝕過(guò)程,這些研究分析需要從無(wú)細(xì)溝坡面土壤到細(xì)溝產(chǎn)生進(jìn)行多場(chǎng)次不同雨強(qiáng)降雨沖刷,再利用三維激光掃描儀對(duì)每一階段土壤表面細(xì)微地形變化過(guò)程進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)，這樣對(duì)坡面細(xì)溝發(fā)育過(guò)程實(shí)現(xiàn)的全方位監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了以往諸多學(xué)者研究的不足。因此,通過(guò)室內(nèi)人工降雨系統(tǒng)模擬降雨實(shí)驗(yàn),結(jié)合三維激光掃描儀對(duì)各場(chǎng)次降雨后坡面土壤地表掃描監(jiān)測(cè),研究同一坡面經(jīng)過(guò)多場(chǎng)降雨地形地貌發(fā)育過(guò)程以及相應(yīng)的泥沙徑流量和侵蝕量的變化過(guò)程。這項(xiàng)研究為解釋土壤侵蝕過(guò)程有一定的實(shí)際意義,對(duì)于制定水土流失治理方案，科學(xué)指導(dǎo)水土保持措施配置有重要的實(shí)踐意義。1三維激光掃描儀簡(jiǎn)介及工作原理1.1簡(jiǎn)介圖1FARO的Focus3D三維激光掃描儀本文采用FARO的Focus3D三維激光掃描儀(見(jiàn)圖1)，結(jié)合三維激光掃描儀的基本工作原理,探討從數(shù)據(jù)獲取到應(yīng)用的整個(gè)流程，通過(guò)對(duì)黃土高原坡面模型(見(jiàn)圖2)的數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用,論述采用三維激光掃描儀獲取空間數(shù)據(jù)的流程,從而制定治理黃土高原水土流失及治理方案，科學(xué)指導(dǎo)水土保持措施配置的研究。圖2黃土高原坡面模型1.1.2FARO的Focus3D三維激光掃描儀特點(diǎn)：Focus3D三維激光掃描儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：①小巧方便，F(xiàn)ocus3D是現(xiàn)今最小最方便的掃描儀；②觸摸屏，F(xiàn)ARO在用戶(hù)友好方面建立了一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)；③集成彩色相機(jī)，7000萬(wàn)像素的全真三維圖像；=4\*GB3④SD卡，SD卡可以更安全儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)與電腦的瞬間傳輸數(shù)據(jù)處理和接口，利用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)注冊(cè)軟件可以自動(dòng)處理數(shù)據(jù)；=5\*GB3⑤高效電池，內(nèi)置電池使用五個(gè)小時(shí)，充電快速，而且在操作過(guò)程中即可更換。1.2工作原理1.2.1三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)工作原理地面三維激光掃描系統(tǒng)基本由地面三維激光掃描儀、系統(tǒng)軟件、電源、附屬設(shè)備構(gòu)成，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)備向高集成度一體化方向發(fā)展。地面的三維激光掃描儀類(lèi)型很多,如有Leica公司的HDS系列,奧地利Riegl公司出品的LMS2Z420i，Trimble公司生產(chǎn)MensiGS200三維激光掃描儀等,不同設(shè)備制造商的掃描儀獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量(例如:分辨率、精度、掃描速度、激光射束發(fā)散性)不同,但三維激光掃描儀的基本工作原理在本質(zhì)上都是相同的[10]。三維激光掃描儀的基本構(gòu)造包括：一臺(tái)高速精確激光測(cè)距儀、一組引導(dǎo)激光并以均勻角速度旋轉(zhuǎn)的反射棱鏡，通過(guò)傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)掃描,完成對(duì)目標(biāo)物體表面全方位掃描,然后通過(guò)內(nèi)置計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,經(jīng)過(guò)一系列處理后獲取目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光測(cè)距儀由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、微電腦組成。激光測(cè)距主要應(yīng)用兩種測(cè)量原理：脈沖測(cè)時(shí)測(cè)距和激光相位差測(cè)距。脈沖式測(cè)距包括以下過(guò)程,激光發(fā)射器周期地驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)射激光脈沖,同時(shí)接受由目標(biāo)表面后向反射信號(hào),利用穩(wěn)定的石英鐘對(duì)發(fā)射與接收時(shí)間差作計(jì)數(shù),利用微電腦計(jì)算儀器和掃描點(diǎn)間的距離。相位式測(cè)距則是通過(guò)測(cè)定激光在待測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲而間接測(cè)定傳播時(shí)間,從而求得待測(cè)距離，與脈沖式測(cè)距相比相位式測(cè)距速度更快[11]。三維激光掃描儀的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括:①根據(jù)兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的用來(lái)反射脈沖激光的鏡子的角度值得到的激光束的水平方向值和豎直方向值；②根據(jù)激光傳播的時(shí)間計(jì)算得儀器到掃描點(diǎn)的距離,根據(jù)這個(gè)距離,再配合激光束的水平方向角和垂直方向角,可以得到每一掃描點(diǎn)相對(duì)于儀器的空間相對(duì)坐標(biāo),如圖3所示；③掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度等，根據(jù)前兩種數(shù)據(jù)計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo),掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度則用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色，點(diǎn)的表示形式為(x,y,z,reflectivity)不僅包含點(diǎn)的空間位置還包含點(diǎn)的反射強(qiáng)度[2]。ZZXYP（x,y,z）θαS圖3地面三維激光掃描儀掃描系統(tǒng)定位原理三維激光掃描儀的工作過(guò)程,實(shí)際上就是一個(gè)不斷數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程,它通過(guò)具有一定分辨率的空間點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z),其坐標(biāo)系是一個(gè)與掃描儀設(shè)置位置和掃描儀姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系所組成的點(diǎn)云圖來(lái)表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果[12]。1.2.2三維激光掃描測(cè)量的定位原理地面三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行掃描后采集到的空間位置信息是以?xún)x器特定的坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)的,這種特殊的坐標(biāo)系稱(chēng)為儀器坐標(biāo)系,不同儀器采用的坐標(biāo)軸方向可能不盡相同,通常其定義為：坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光束發(fā)射處,Z軸位于儀器的豎向掃描面內(nèi),向上為正；X軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與Z軸垂直，且垂直于物體所在方向；Y軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，且與X軸、Y軸一起構(gòu)成右手坐標(biāo)系，同時(shí)Y軸正方向指向物體[13]。三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y,z)在圖3中計(jì)算公式為X=Scosθsinα,Y=Scosθcosα,（1）Z=Ssinθ.式中：θ為激光束的豎直方向角,α為激光束的水平方向角,S為儀器到掃描點(diǎn)的斜距。1.2.3三維激光掃描數(shù)據(jù)處理想要利用三位激光掃描儀獲取的目標(biāo)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)滿(mǎn)足相應(yīng)的需求,必須經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理過(guò)程,三維激光掃描數(shù)據(jù)處理可分為兩個(gè)步驟:掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最終產(chǎn)品，常用的數(shù)據(jù)處理工作流程如圖4所示：目標(biāo)物點(diǎn)云目標(biāo)物點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取各站數(shù)據(jù)注冊(cè)，統(tǒng)一坐標(biāo)系，拼接目標(biāo)物形成完整點(diǎn)云圖3D模型需求格式文件TIN、DEM圖4三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程圖數(shù)據(jù)預(yù)處理是指 掃描完成后直接在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上的處理操作,包括數(shù)據(jù)拼接、坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)濾波、地理參考、數(shù)據(jù)分割、曲面擬合和格網(wǎng)建立等。數(shù)據(jù)拼接是為了能夠保證完全覆蓋目標(biāo)區(qū)域，采取對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行多站掃描，掃描結(jié)束后將數(shù)站數(shù)據(jù)拼接在一起，使目標(biāo)區(qū)域成為一幅完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；坐標(biāo)糾正是在掃描區(qū)域中設(shè)置控制點(diǎn)或標(biāo)靶點(diǎn),使得相鄰區(qū)域的掃描點(diǎn)云圖上有3個(gè)以上不在同一條直線上的同名控制點(diǎn)或控制標(biāo)靶，通過(guò)控制點(diǎn)的強(qiáng)制附合注冊(cè),將相鄰的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下；數(shù)據(jù)濾波主要是為了減少數(shù)據(jù)的噪聲點(diǎn)，減小數(shù)據(jù)誤差；地理參考是把儀器坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到當(dāng)?shù)鼗蛉蜃鴺?biāo)系統(tǒng)下；數(shù)據(jù)分割是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分到不同的點(diǎn)云子集中,每個(gè)點(diǎn)云子集代表同一種曲面形式；曲面擬合是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法確定點(diǎn)云子集所屬表面類(lèi)型的數(shù)學(xué)形式；格網(wǎng)建立時(shí)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上的三角網(wǎng)建立，為建立模型做準(zhǔn)備[14]。最終的產(chǎn)品形式主要有3D模型、格式文件（DXF、PTX、PTS、TXT）等、正射影像；在3D模型上可以提取等高線、剖面圖等，利用導(dǎo)出的格式數(shù)據(jù)文在可以在CAD、Arcgis中進(jìn)行進(jìn)一步處理，進(jìn)而生成不同的產(chǎn)品，如TIN、DEM等。2實(shí)驗(yàn)過(guò)程2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是對(duì)黃委會(huì)水土保持研究所(鄭州花園路水科路)黃土高原坡面模型掃描,采用FAROFocus3D三維激光掃描儀和處理軟件SCENE處理數(shù)據(jù),FARO的Focus3D的主要技術(shù)指標(biāo)：Focus3D控制簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)緊湊，能夠適用于各種情況，包括建筑物建檔，施工監(jiān)測(cè)，逆向工程，文物保護(hù)以及犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等，采用相位式測(cè)距法,掃描速度976,000點(diǎn)/秒，精確度達(dá)到毫米級(jí),掃描最大距離為120m，采用直觀的觸摸屏，高獨(dú)立性，無(wú)需額外的電纜或者筆記本。尺寸為24*20*10cm，質(zhì)量5Kg，攜帶方便。還有一個(gè)功能是可以無(wú)線連接移動(dòng)終端，如手機(jī)、平板電腦、掌上計(jì)算機(jī)等等，通過(guò)便攜移動(dòng)終端無(wú)線連接掃描儀，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，這一功能的優(yōu)點(diǎn)在于要掃描測(cè)量人員不便進(jìn)入的空間位置或者對(duì)操作人員有一定的危險(xiǎn)性位置，測(cè)量操作人員可以通過(guò)無(wú)線移動(dòng)終端連接到掃描設(shè)備對(duì)掃描儀遠(yuǎn)程遙控。掃描前進(jìn)行的準(zhǔn)備工作：首先要對(duì)掃描模型目標(biāo)物區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)堪踏,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘踏以確定掃描順序,掃描的測(cè)站數(shù)、測(cè)站位置,標(biāo)靶數(shù)，標(biāo)靶位置。由于黃土高原坡面模型規(guī)模較小，模型是參照黃土高原溝壑發(fā)育的地貌按一定比例縮小堆砌而成的，地貌形狀比較簡(jiǎn)單，因此想要獲取黃土高原淤洪壩模型表面的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)僅須進(jìn)行一站掃描。掃描黃土高原淤洪壩模型的掃描距離為20m—27m,掃描分辨率設(shè)置為1/3分辨率,采樣顏色為黑白，經(jīng)過(guò)估測(cè)掃描，數(shù)據(jù)的掃描預(yù)估時(shí)間為3'15"，水平掃描角度為30°，豎直掃描角度均為-70°～90°，這些設(shè)置經(jīng)過(guò)勘踏和粗測(cè)，能夠保證在整個(gè)實(shí)驗(yàn)掃描過(guò)程中掃描到整個(gè)模型。本次實(shí)驗(yàn)的掃描站點(diǎn)設(shè)置在人工降雨支架之上，F(xiàn)AROFocus3D的掃描距離為120m,人工降雨系統(tǒng)高24m，這個(gè)距離在掃描儀器的有效工作范圍之內(nèi)，掃描方向?yàn)楦╊珤呙?。?shí)驗(yàn)計(jì)劃每次降雨之后掃描1站。由于黃土高原淤洪壩模型面積較小,因此主要采用球標(biāo)靶,放置黃土高原坡面模型的四個(gè)邊角上（如圖5），球標(biāo)靶一旦放置，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束之前，不能觸碰和移動(dòng)，一旦球標(biāo)靶移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)精度降低，甚至導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)掃描的失敗。圖5三維激光掃描儀球標(biāo)靶位置圖實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用頂部噴頭自動(dòng)降雨系統(tǒng)，噴頭距離地面高度為23m。實(shí)驗(yàn)降雨強(qiáng)度按1.0mm/min、2.0mm/min、3.0mm/min順序循環(huán)。實(shí)驗(yàn)所用模型設(shè)計(jì)規(guī)格：分一支溝、二支溝、三支溝，模型下端設(shè)集流裝置,用來(lái)收集徑流泥沙樣品。土壤取自黃河岸耕地表層土作為實(shí)驗(yàn)用土，土壤顆粒以細(xì)沙粒土和粉粒土為主，坡面初始處理為平整曲面裸坡。降雨徑流產(chǎn)生后每隔2min取1次樣,18分鐘后每隔5分鐘取一次樣，用烘焙法測(cè)量獲得瞬時(shí)徑流含沙量。用高錳酸鉀溶液染色測(cè)定各支溝內(nèi)表層水流最大流速。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诙哑鐾瓿珊蟮谝淮谓涤曛跋扔肍AROFocus3D三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)物地表先進(jìn)行第一次掃描,獲取的坡面點(diǎn)云數(shù)據(jù)記作A0(本次實(shí)驗(yàn)坡面地形掃描誤差控制在2mm范圍之內(nèi))。掃描完成后進(jìn)行第1次人工模擬降雨,雨強(qiáng)為1.0mm/min，至溝壑內(nèi)積水出現(xiàn)漫過(guò)淤洪壩時(shí)結(jié)束，然后等待各支溝及坡面表面積水下滲完畢無(wú)積水時(shí)，進(jìn)行第二次模型表面掃描，獲得模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)記作A1。A1掃描結(jié)束后,以2.0mm/min雨強(qiáng)繼續(xù)進(jìn)行第2次降雨,降雨下滲無(wú)積水后再次掃描地表得點(diǎn)云數(shù)據(jù)記作A2。掃描完畢，以3.0mm/min降雨強(qiáng)度再次進(jìn)行降雨，結(jié)束靜置無(wú)水后進(jìn)行掃描，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)記作A3。按照1.0mm/min、2.0mm/min、3.0mm/min雨強(qiáng)順序循環(huán)重復(fù)上述操作，依次記作A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12。本次實(shí)驗(yàn)共降雨12次，掃描13次。2.2數(shù)據(jù)處理2.2.1標(biāo)靶坐標(biāo)糾正坐標(biāo)糾正有兩種方法,即采用球標(biāo)靶糾正和點(diǎn)云糾正。第一種適用條件是相鄰兩個(gè)測(cè)站之間有3個(gè)或3個(gè)以上公共標(biāo)靶點(diǎn),利用公共標(biāo)靶作為約束條件進(jìn)行糾正。后一種方式是兩測(cè)站之間公共標(biāo)靶數(shù)不足3個(gè)或無(wú)標(biāo)靶,采用同名點(diǎn)進(jìn)行糾正,這種方式誤差較大。要轉(zhuǎn)為實(shí)測(cè)坐標(biāo),還需導(dǎo)入3個(gè)以上標(biāo)靶的測(cè)量坐標(biāo),把儀器坐標(biāo)系下的標(biāo)靶坐標(biāo)糾正成到實(shí)際測(cè)量坐標(biāo),這樣所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為公用坐標(biāo)系下的坐標(biāo)方便對(duì)比分析。由于此次掃描球標(biāo)靶有4個(gè),采用球標(biāo)靶糾正方法,糾正后的點(diǎn)云圖如圖6所示。圖6三維激光掃描點(diǎn)糾正后的點(diǎn)云圖實(shí)驗(yàn)采用第一次儀器掃描數(shù)據(jù)測(cè)得球標(biāo)靶坐標(biāo)作為參考坐標(biāo)系，用于把實(shí)驗(yàn)掃描獲得的所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正到參考坐標(biāo)系下,坐標(biāo)系文件格式保存為為.csv格式,使用時(shí)直接將該文件拖進(jìn)數(shù)據(jù)處理軟件SCENE的操作界面即可完成所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換統(tǒng)一。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得4個(gè)球標(biāo)靶的測(cè)量坐標(biāo),如表1所示。表1標(biāo)靶的測(cè)量坐標(biāo)（單位：m）球標(biāo)靶號(hào)X坐標(biāo)系Y坐標(biāo)系Z坐標(biāo)系123414.48308416.6059274.8270242.781693-1.258903-5.248828-5.753041-0.76883512.04385611.83167812.10262711.825369由于球標(biāo)靶坐標(biāo)系中X、Y、Z中存在負(fù)值，為了便于數(shù)據(jù)的分析比較，同時(shí)對(duì)X、Y值加500予以坐標(biāo)平移，使數(shù)據(jù)都為正值，平移依舊保存為.csv格式文件，作為此次整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)處理的控制坐標(biāo)系，獲得平移后的坐標(biāo)系如表2表2標(biāo)靶的糾正坐標(biāo)（單位：m）球標(biāo)靶號(hào)X坐標(biāo)系Y坐標(biāo)系Z坐標(biāo)系1234514.483084516.605927504.827024502.781693498.741096494.751172494.246958499.23116512.04385611.83167812.10262711.8253692.2.2數(shù)據(jù)濾波掃描黃土高原淤洪壩模型時(shí)如遇遮擋物（如此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中放置在模型上方的橫鐵桿和高速攝像機(jī)）就會(huì)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面形成空洞，即噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云的分割和濾波,除去各測(cè)站點(diǎn)掃描獲得云圖的噪聲點(diǎn),包括非目標(biāo)物采樣點(diǎn),如橫鐵桿、降雨系統(tǒng)噴頭等，進(jìn)而提取出目標(biāo)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，將模型周?chē)狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)裁剪掉，獲得模型表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而達(dá)到去除冗余數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)量的目的，如圖7所示。圖7三維激光掃描模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖經(jīng)過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)一系列處理后，可以根據(jù)需要導(dǎo)出數(shù)據(jù)，如DXF、PTX、PTS、TXT等，這些數(shù)據(jù)文件可以在CAD、ArcGis等軟件中進(jìn)一步處理后得到相關(guān)產(chǎn)品。3結(jié)果與分析3.1同一坡面連續(xù)多場(chǎng)次降雨產(chǎn)流過(guò)程分析表3降雨徑流的主要特征參數(shù)降雨場(chǎng)次降雨強(qiáng)度（mm/min）泥水總重（g）平均泥水重（g）泥沙總重（g）平均泥沙重（g）平均輸沙率（1）第三場(chǎng)第四場(chǎng)第五場(chǎng)第六場(chǎng)第七場(chǎng)第八場(chǎng)第九場(chǎng)第十場(chǎng)第十一場(chǎng)3.01.02.03.01.02.03.01.02.06885.50003998.90005542.60007078.00003639.20004274.60008820.90004127.70006519.6000573.7917333.2417461.8833589.8333303.2667328.8154678.5308375.2455592.69091077.5000844.00001035.10001473.7000626.0000677.50001719.7000573.40001630.700089.791737.009263.164299.215037.003352.1154118.714052.127394.903315.6488%11.1058%13.6754%16.8209%12.2016%15.8494%17.4957%13.8915%16.0123%表3反映的是同一坡面經(jīng)過(guò)多場(chǎng)降雨徑流的主要特征參數(shù)變化,通過(guò)分析表3數(shù)據(jù)可知,由于第一場(chǎng)降雨時(shí)土壤含水量較低，且降雨強(qiáng)度為1.0mm/min，雨強(qiáng)小，降雨初期水分下滲很快,沒(méi)有產(chǎn)生徑流。第二場(chǎng)降雨在第一場(chǎng)降雨的基礎(chǔ)上進(jìn)行,降雨強(qiáng)度為2.0mm/min，雨強(qiáng)相對(duì)較大，在經(jīng)過(guò)第一場(chǎng)降雨以后，坡面表層土壤含水量已經(jīng)基本趨近飽和,經(jīng)過(guò)持續(xù)降雨開(kāi)始起流,但由于雨強(qiáng)依舊小，所以徑流產(chǎn)生慢而且很小，徑流水所攜帶泥沙量也很小。到第三場(chǎng)降雨時(shí)，降雨強(qiáng)度為3.0mm/min，這次產(chǎn)流極快，徑流含沙量也相對(duì)較大，徑流輸沙率很高。輸沙率指單位時(shí)間內(nèi)單位面積坡面匯集于土槽下端集流裝置中徑流所攜帶的泥沙量(g/(m2.min))。綜合比較各場(chǎng)降雨徑流的主要特征參數(shù)可以總結(jié)出一個(gè)趨勢(shì)：泥水總重、平均泥水重、泥沙總重、平均泥沙重和降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。比較降雨徑流的主要特征參數(shù)最后一列平均輸沙率數(shù)據(jù)可以看出平均輸沙率隨著降雨強(qiáng)度的增大而增加，而且每一個(gè)降雨循環(huán)也是呈現(xiàn)逐漸遞增關(guān)系，即第四場(chǎng)、第七場(chǎng)、第十場(chǎng)降雨強(qiáng)度均為1.0mm/min，平均輸沙率為11.1058%、12.2016%、13.8915%；第五場(chǎng)、第八場(chǎng)、第十一場(chǎng)降雨強(qiáng)度均為2.0mm/min，平均輸沙率為13.6754%、15.8494%、16.0123%；第三場(chǎng)、第六場(chǎng)、第九場(chǎng)降雨強(qiáng)度均為3.0mm/min，平均輸沙率為15.6488%、16.8209%、17.4957%，這是因?yàn)樵谕寥赖乇硇纬杉?xì)溝以后，徑流對(duì)土壤侵蝕作用有增強(qiáng)加劇的趨勢(shì)，在降雨實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)?shù)乇硗寥廊霛B穩(wěn)定或者土壤水分飽和后，在坡面土壤表面抗蝕能力小于水流剪切力的位置,會(huì)首先出現(xiàn)一個(gè)個(gè)小跌落坎,這些跌落坎侵蝕不斷后退形成細(xì)溝，然后細(xì)溝不斷分叉、連接形成細(xì)溝網(wǎng)[9]。在細(xì)溝形成的過(guò)程中，伴隨著土壤的分散、搬運(yùn)、輸移現(xiàn)象,此時(shí)坡面徑流對(duì)坡面的侵蝕遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)雨滴對(duì)土壤的擊濺、分散能力,在坡面侵蝕中占主要地位[15]。圖7直觀的反映出平均輸沙率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系，平均輸沙率和降雨強(qiáng)度保持正相關(guān)。圖7雨強(qiáng)與輸沙率關(guān)系折線圖第三場(chǎng)至第十一場(chǎng)降雨均呈現(xiàn)相似趨勢(shì)：降雨開(kāi)始后輸沙率迅速增大,隨后穩(wěn)步增加并伴隨著一定起伏。這是因?yàn)樵谶@個(gè)階段,細(xì)溝發(fā)育穩(wěn)定,伴隨著溝底下切、溝壁崩塌、溝頭溯源侵蝕、細(xì)溝溝網(wǎng)逐漸形成。細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)流產(chǎn)沙表現(xiàn)為：在第一場(chǎng)降雨初期,土壤前期含水量較低,水分入滲較快,其打擊濺蝕作用明顯,使地表出現(xiàn)了很多從土體上分離出來(lái)的松散土粒。隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，表層土壤含水量逐漸達(dá)到飽和,降雨的水量不能繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥浪趾拖聺B,產(chǎn)流量加大，導(dǎo)致坡面土壤疏松、分散的土壤顆粒被坡面表層水流分散轉(zhuǎn)移,從而引起輸沙率的迅速增加。隨著降雨場(chǎng)次的增多,細(xì)溝逐漸形成,產(chǎn)流率趨于穩(wěn)定,而由于徑流對(duì)細(xì)溝的不斷沖刷、掏蝕,致使輸沙率穩(wěn)步增加并伴隨著一定的起伏。1號(hào)壩、2號(hào)壩、3號(hào)壩、4號(hào)壩、5號(hào)壩后的淤泥深度從降雨前的初始0m到最后一場(chǎng)雨結(jié)束后的0.145m、0.128m、0.091m、0.083m、0.068m，這些足以說(shuō)明坡面土壤侵蝕存在著穩(wěn)步發(fā)展和不斷加強(qiáng)的過(guò)程。將各次預(yù)處理后的的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在ArcGis中進(jìn)一步處理加工，把十三次的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）圖像，表4中為A0、A4、A9、A13的TIN圖像。表4直觀坡面侵蝕形態(tài)的空間分布及其變化：圖A0-TIN顯示，模擬降雨試驗(yàn)之前的坡面光滑平整（圖A0-TIN），隨著高程的逐漸增高測(cè)量數(shù)據(jù)生成的模擬圖像顯示出由低到高的漸變效果（圖A0-TIN）。第四次模擬降雨后，利用三維激光掃描儀測(cè)量數(shù)據(jù)生成TIN圖像跟實(shí)拍相片的擬合度非常好，特別是坡面上發(fā)生嚴(yán)重侵蝕的中部和下部非常相似，反映了三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)土壤侵蝕的精度較高。在生成圖像（圖A9-TIN）1-2m處出現(xiàn)了深淺交錯(cuò)的明暗條紋，這與實(shí)拍相片坡面中出現(xiàn)的細(xì)溝間與細(xì)溝位置一一對(duì)應(yīng)，特別是下部從左至右的兩條主細(xì)溝在生成圖像上表現(xiàn)的非常明顯。實(shí)拍相片2-3m處出現(xiàn)的細(xì)溝（圖A9-TIN）在生成圖像上也能得到直觀的反映，并且侵蝕形態(tài)的模擬也非常相似；第十二次降雨后生成圖像完美的模擬了中間主溝的發(fā)展形態(tài)（圖A13-TIN），圖A13-照片中溝兩邊的細(xì)溝在生成圖像上得到了很好的反映，實(shí)拍相片上侵蝕溝的分叉與合并現(xiàn)象也在生成圖像上得到很好的反映。表4不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）和照片對(duì)比圖像A0-TINA0-照片A4-TINA4-照片A9-TINA9-TINA13-TINA13-照片通過(guò)對(duì)收集到的所有泥沙烘干稱(chēng)重得到泥沙和容器重量為1218.266kg，容器桶單個(gè)重0.5355kg，共用92個(gè)桶，總重49.266kg，泥沙凈重為1218.266-49.266=1169kg,通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)降雨前地貌掃描和各次降雨之后地貌變化的監(jiān)測(cè)掃描，將各次掃描數(shù)據(jù)在儀器配套軟件SCENE中進(jìn)行3、3.75m3、3.73m3、3.70m3、3.67m3、3.64m3、3.62m3、3.59m3、3.52m3、3.47m3、3.42m3、3.39m3、3.33m3，降雨之前和最后一次降雨之后的體積變化量為3.78-3.33=0.45m3,坡面體積變化了0.45立方米，通過(guò)查詢(xún)資料知道干泥沙密度ρ為2.5x1000kg/m3，根據(jù)公式m=ρV，得泥沙質(zhì)量為2.5x1000*0.45，即1125kg，再根據(jù)公式：δ=△/Lx100%△=|m測(cè)--L|式中：δ為實(shí)際相對(duì)誤差，△為絕對(duì)誤差，L真值計(jì)算出實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差為δ=（1169-1125）/1169x100%=3.76%,說(shuō)明三位激光掃描儀在此次實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用時(shí)很成功的。3.2結(jié)論與討論本文通過(guò)實(shí)例闡述了三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)過(guò)程中的詳細(xì)應(yīng)用過(guò)程，淺溝侵蝕是我國(guó)黃土高原特有的侵蝕方式，對(duì)其研究是從土壤侵蝕分類(lèi)和坡面土壤侵蝕垂直帶劃分開(kāi)始的，而對(duì)其進(jìn)行定量分析起于20世紀(jì)80年代[16]。目前研究仍局限在淺溝侵蝕量、淺溝發(fā)生的臨界坡長(zhǎng)與坡度及其影響因素、集水面積、淺溝橫斷面形態(tài)等方面。淺溝水流水力學(xué)特性、淺溝槽與淺溝區(qū)泥沙輸移關(guān)系、淺溝侵蝕過(guò)程動(dòng)力機(jī)制等方面的較為系統(tǒng)的研究報(bào)道較少[17]。張科利等[18]通過(guò)定位觀測(cè)及人工模擬降雨試驗(yàn)得出發(fā)生淺溝的臨界坡度為15°～20°。切溝侵蝕在現(xiàn)代土壤侵蝕中具有重要位置。張新和、鄭粉莉等[19]從切溝發(fā)展階段劃分、切溝發(fā)展過(guò)程的主要方式、切溝侵蝕影響因素、切溝侵蝕預(yù)報(bào)模型和切溝侵蝕測(cè)量技術(shù)等方面較全面論述了切溝侵蝕研究現(xiàn)狀，提出了切溝侵蝕研究待加強(qiáng)的研究領(lǐng)域有：切溝侵蝕發(fā)生演變過(guò)程、切溝侵蝕影響機(jī)理，切溝侵蝕預(yù)報(bào)模型，切溝侵蝕研究法與技術(shù)。利用三維激光掃描儀可以很好地對(duì)坡面細(xì)溝侵蝕過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)以前諸多學(xué)者研究的不足，利用三位激光掃描儀可以直觀地監(jiān)測(cè)坡面各點(diǎn)的細(xì)微地形變化,與以往研究中使用的儀器相比具有使用方便、精度高、監(jiān)測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn),是一種應(yīng)用于監(jiān)測(cè)降雨前后坡面微地形變化的新方法。筆者認(rèn)為三維激光掃描儀非常適合用于野外監(jiān)測(cè)侵蝕發(fā)育過(guò)程,并且可將掃描結(jié)果應(yīng)用于侵蝕模型的建立。張鵬采用高精度GPS、三維激光掃描儀和測(cè)針板三種不同測(cè)量方法對(duì)同一坡面土壤侵蝕過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，從測(cè)量侵蝕量估算精度、測(cè)量操作人員素質(zhì)、經(jīng)濟(jì)投入等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，論述了三種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)[20]。測(cè)量精度和侵蝕量估算從高到低順序依次為三維激光掃描儀、高精度GPS、測(cè)針板；測(cè)量人員素質(zhì)要求方面高精度GPS和三維激光掃描儀對(duì)測(cè)量人員的操作水平要求相對(duì)較高，兩者都需要測(cè)量人員具有相當(dāng)高的專(zhuān)業(yè)測(cè)量知識(shí)；測(cè)針板法操作簡(jiǎn)單易行，對(duì)測(cè)量人員專(zhuān)業(yè)素質(zhì)要求也不高。經(jīng)濟(jì)投入方面，三維激光掃描儀作為高新技術(shù)的前期投入最高，高精度GPS價(jià)格次之，測(cè)針板的制作材料很容易取得，所以前期投入在三者當(dāng)中最低。綜合以上各個(gè)方面來(lái)說(shuō)，三維激光掃描儀擁的優(yōu)勢(shì)是最大的，我相信，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和制造業(yè)的快速發(fā)展，三維激光掃描儀的市場(chǎng)價(jià)格也會(huì)越來(lái)越便宜，普及率也會(huì)越來(lái)