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

FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過程監(jiān)測中的應(yīng)用FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過程監(jiān)測中的應(yīng)用29-/NUM-29-FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過程監(jiān)測中的應(yīng)用FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過程監(jiān)測中的應(yīng)用FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過程監(jiān)測中的應(yīng)用摘要：中國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一，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、政治、文化協(xié)調(diào)發(fā)展的嚴(yán)重問題。本文以黃土高原坡面模型為例,通過模擬天然降雨為動力條件對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、高精度、立體式掃描技術(shù)，又稱為“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)代意義的新型測繪技術(shù)，使測繪數(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相機(jī)獲取彩色影像，然后將對應(yīng)位置像素的顏色信息（RGB）賦予點(diǎn)云中對應(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有關(guān)。三維激光掃描的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性、主動性、適應(yīng)性好，經(jīng)過簡單的處理便可以滿足多種情況的應(yīng)用需求，包括滿足輸出到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量技術(shù)為代表的激光測距技術(shù)的發(fā)展，使激光測量技術(shù)在以下幾個(gè)方面得到突破：=1\*GB3①激光測距從一維測距向二維、三維掃描發(fā)展；=2\*GB3②實(shí)現(xiàn)無合作目標(biāo)快速高精度測距；=3\*GB3③實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)(距離和角度)的自動采集和傳輸[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、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（如地形測繪、滑坡監(jiān)測、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、水庫大壩）；制造業(yè)及數(shù)字工廠（如工廠設(shè)施、檢測和逆向工程、航空、船舶制造）；公共安全應(yīng)用（如交通事故、犯罪現(xiàn)場）等領(lǐng)域有著很廣泛的用途。傳統(tǒng)測量方式是單點(diǎn)采集數(shù)據(jù),獲取的是單點(diǎn)數(shù)據(jù),而三維激光掃描測量技術(shù)不需要合作目標(biāo),可以自動、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,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)雜的土壤侵蝕過程，研究細(xì)溝侵蝕過程及其影響機(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、坡形、土壤前期含水量等眾多因素對土壤細(xì)溝侵蝕影響以及不同因素組合情況下細(xì)溝侵蝕過程的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果[6-9]。蔡強(qiáng)國等[6]、M.J.Singer等[7]研究表明表土結(jié)皮的形成對細(xì)溝的形成和發(fā)展有著很大的影響。以往許多學(xué)者對細(xì)溝侵蝕的發(fā)育演變過程進(jìn)行了詳細(xì)而全面的研究,但還未充分認(rèn)識和掌握細(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)育過程的主觀描述和產(chǎn)流產(chǎn)沙過程階段,且集中在單次降雨條件下的細(xì)溝發(fā)育過程的研究。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)問題，個(gè)人認(rèn)為：研究細(xì)溝侵蝕的動態(tài)演化過程,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)的沖刷侵蝕過程,這些研究分析需要從無細(xì)溝坡面土壤到細(xì)溝產(chǎn)生進(jìn)行多場次不同雨強(qiáng)降雨沖刷,再利用三維激光掃描儀對每一階段土壤表面細(xì)微地形變化過程進(jìn)行掃描監(jiān)測，這樣對坡面細(xì)溝發(fā)育過程實(shí)現(xiàn)的全方位監(jiān)測，彌補(bǔ)了以往諸多學(xué)者研究的不足。因此,通過室內(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各場次降雨后坡面土壤地表掃描監(jiān)測,研究同一坡面經(jīng)過多場降雨地形地貌發(fā)育過程以及相應(yīng)的泥沙徑流量和侵蝕量的變化過程。這項(xiàng)研究為解釋土壤侵蝕過程有一定的實(shí)際意義,對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介及工作原理1.1簡介圖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，通過對黃土高原坡面模型(見圖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)，7000萬像素的全真三維圖像；=4\*GB3④SD卡，SD卡可以更安全儲存數(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)級標(biāo)準(zhǔn)的自動注冊軟件可以自動處理數(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，而且在操作過程中即可更換。1.2工作原理1.2.1三維激光掃描測量系統(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：一臺高速精確激光測距儀、一組引導(dǎo)激光并以均勻角速度旋轉(zhuǎn)的反射棱鏡，通過傳動裝置的運(yùn)動掃描,完成對目標(biāo)物體表面全方位掃描,然后通過內(nèi)置計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,經(jīng)過一系列處理后獲取目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光測距儀由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、微電腦組成。激光測距主要應(yīng)用兩種測量原理：脈沖測時(shí)測距和激光相位差測距。脈沖式測距包括以下過程,激光發(fā)射器周期地驅(qū)動激光二極管發(fā)射激光脈沖,同時(shí)接受由目標(biāo)表面后向反射信號,利用穩(wěn)定的石英鐘對發(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。相位式測距則是通過測定激光在待測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位延遲而間接測定傳播時(shí)間,從而求得待測距離，與脈沖式測距相比相位式測距速度更快[11]。三維激光掃描儀的原始觀測數(shù)據(jù)主要包括:①根據(jù)兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動的用來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)相對于儀器的空間相對坐標(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程,實(shí)際上就是一個(gè)不斷數(shù)據(jù)采集和處理過程,它通過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)云圖來表達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果[12]。1.2.2三維激光掃描測量的定位原理地面三維激光掃描測量系統(tǒng)對物體進(jìn)行掃描后采集到的空間位置信息是以儀器特定的坐標(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)滿足相應(yīng)的需求,必須經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理過程,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，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，通過控制點(diǎn)的強(qiáng)制附合注冊,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)過程2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是對黃委會水土保持研究所(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，逆向工程，文物保護(hù)以及犯罪現(xiàn)場調(diào)查等，采用相位式測距法,掃描速度976,000點(diǎn)/秒，精確度達(dá)到毫米級,掃描最大距離為120m，采用直觀的觸摸屏，高獨(dú)立性，無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)功能是可以無線連接移動終端，如手機(jī)、平板電腦、掌上計(jì)算機(jī)等等，通過便攜移動終端無線連接掃描儀，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，這一功能的優(yōu)點(diǎn)在于要掃描測量人員不便進(jìn)入的空間位置或者對操作人員有一定的危險(xiǎn)性位置，測量操作人員可以通過無線移動終端連接到掃描設(shè)備對掃描儀遠(yuǎn)程遙控。掃描前進(jìn)行的準(zhǔn)備工作：首先要對掃描模型目標(biāo)物區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場堪踏,通過現(xiàn)場勘踏以確定掃描順序,掃描的測站數(shù)、測站位置,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)過估測掃描，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)過勘踏和粗測，能夠保證在整個(gè)實(shí)驗(yàn)掃描過程中掃描到整個(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，一旦球標(biāo)靶移動，會導(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)過程采用頂部噴頭自動降雨系統(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，用烘焙法測量獲得瞬時(shí)徑流含沙量。用高錳酸鉀溶液染色測定各支溝內(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。后一種方式是兩測站之間公共標(biāo)靶數(shù)不足3個(gè)或無標(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)測坐標(biāo),還需導(dǎo)入3個(gè)以上標(biāo)靶的測量坐標(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)測得4個(gè)球標(biāo)靶的測量坐標(biāo),如表1所示。表1標(biāo)靶的測量坐標(biāo)（單位：m）球標(biāo)靶號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)過程中放置在模型上方的橫鐵桿和高速攝像機(jī)）就會在點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面形成空洞，即噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過對點(diǎn)云的分割和濾波,除去各測站點(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)，對濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，將模型周圍的點(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)過對掃描數(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)多場次降雨產(chǎn)流過程分析表3降雨徑流的主要特征參數(shù)降雨場次降雨強(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）第三場第四場第五場第六場第七場第八場第九場第十場第十一場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)過多場降雨徑流的主要特征參數(shù)變化,通過分析表3數(shù)據(jù)可知,由于第一場降雨時(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,沒有產(chǎn)生徑流。第二場降雨在第一場降雨的基礎(chǔ)上進(jìn)行,降雨強(qiáng)度為2.0mm/min，雨強(qiáng)相對較大，在經(jīng)過第一場降雨以后，坡面表層土壤含水量已經(jīng)基本趨近飽和,經(jīng)過持續(xù)降雨開始起流,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))。綜合比較各場降雨徑流的主要特征參數(shù)可以總結(jié)出一個(gè)趨勢：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、第七場、第十場降雨強(qiáng)度均為1.0mm/min，平均輸沙率為11.1058%、12.2016%、13.8915%；第五場、第八場、第十一場降雨強(qiáng)度均為2.0mm/min，平均輸沙率為13.6754%、15.8494%、16.0123%；第三場、第六場、第九場降雨強(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，徑流對土壤侵蝕作用有增強(qiáng)加劇的趨勢，在降雨實(shí)驗(yàn)過程中,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)坡面徑流對坡面的侵蝕遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過雨滴對土壤的擊濺、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)系折線圖第三場至第十一場降雨均呈現(xiàn)相似趨勢：降雨開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)育過程中產(chǎn)流產(chǎn)沙表現(xiàn)為：在第一場降雨初期,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的松散土粒。隨著降雨歷時(shí)的延長，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號壩、2號壩、3號壩、4號壩、5號壩后的淤泥深度從降雨前的初始0m到最后一場雨結(jié)束后的0.145m、0.128m、0.091m、0.083m、0.068m，這些足以說明坡面土壤侵蝕存在著穩(wěn)步發(fā)展和不斷加強(qiáng)的過程。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）和照片對比圖像A0-TINA0-照片A4-TINA4-照片A9-TINA9-TINA13-TINA13-照片通過對收集到的所有泥沙烘干稱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,通過三維激光掃描儀對降雨前地貌掃描和各次降雨之后地貌變化的監(jiān)測掃描，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，通過查詢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--L|式中：δ為實(shí)際相對誤差，△為絕對誤差，L真值計(jì)算出實(shí)驗(yàn)的相對誤差為δ=（1169-1125）/1169x100%=3.76%,說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)論與討論本文通過實(shí)例闡述了三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕監(jiān)測過程中的詳細(xì)應(yīng)用過程，淺溝侵蝕是我國黃土高原特有的侵蝕方式，對其研究是從土壤侵蝕分類和坡面土壤侵蝕垂直帶劃分開始的，而對其進(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、淺溝侵蝕過程動力機(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]通過定位觀測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坡面細(xì)溝侵蝕過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，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)測范圍大等優(yōu)點(diǎn),是一種應(yīng)用于監(jiān)測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)測侵蝕發(fā)育過程,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針板三種不同測量方法對同一坡面土壤侵蝕過程進(jìn)行測量，從測量侵蝕量估算精度、測量操作人員素質(zhì)、經(jīng)濟(jì)投入等幾個(gè)方面進(jìn)行對比，論述了三種測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)[20]。測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、測針板；測量人員素質(zhì)要求方面高精度GPS和三維激光掃描儀對測量人員的操作水平要求相對較高，兩者都需要測量人員具有相當(dāng)高的專業(yè)測量知識；測針板法操作簡單易行，對測量人員專業(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)方面來說，三維激光掃描儀擁的優(yōu)勢是最大的，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價(jià)格也會越來越便宜，普及率也會越來