3D激光扫描测量开发建设项目堆弃土边坡侵蚀强度的试验研究

何元庆，魏建兵，郭彦娟，陆卫星，刘 庆，刘 平，程 炯

(1.广东省生态环境与土壤研究所，广东广州510650;2.广州市水土保持监测站，广东广州510006;3.中国科学院广州地球化学研究所，广东广州510640)

随着社会经济的快速发展，各地各类项目建设造成的人为水土流失问题日益突出。相比于自然状态下的水土流失发生发展过程而言，项目建设造成的水土流失具有突发性、强度高、危害大等特点［1］。2002年国家颁布实施的《水土保持监测技术规程》(SL 277—2002)，将开发建设项目水土保持监测单独列出，对开发建设项目的水土流失监测技术、方法作出了原则性规定，并在监测方法中明确提出应积极鼓励采用新技术新方法［2］。在开发建设项目水土保持方案编制和日常水土保持监督检查工作中，水土流失量的变化情况和水土流失强度是重要的计算和检查指标［3］。目前，地面观测土壤流失量的传统测量方法有径流小区法、测钎法、侵蚀沟量测法、沉沙池法和控制站法等，这些测量方法在实际应用过程中往往存在着工作量大、设备落后、测量精度低、主观随意性大等问题［4］。

针对目前开发建设项目水土流失监测技术和设备比较传统和落后的情况，国内如黄河水土保持生态环境监测中心、中科院水利部水土保持研究所等一些研究机构，引进3D激光扫描仪，在各自的人工降雨基地进行了水土流失监测方面的试验研究，但其主要的目的是应用土槽或径流场试验检验仪器的测量精度［5］，而将该设备应用于生产实践检验研究的还很少见。作为新技术和新方法，3D激光扫描已经逐步应用于考古、文物保护、土木工程、医学、应急服务等领域［6］，但正如前面所述，目前在水土保持监测方面的应用还处于初级阶段。因此，选择典型的生产建设项目和典型的流失类型，开展该仪器在水土流失测量中的操作规程和精度检验研究具有重要的理论意义和实践价值。

1 研究区概况

试验研究区位于广州市太平镇顺兴采石场，该地区地貌以丘陵、谷地为主，属南亚热带季风气候区，年平均气温21.4℃，年平均降水量1776 mm，降水主要集中在汛期4—9月，期间降水量占全年的80.8%。项目区的海拔在100 m左右，土壤以赤红壤为主，由花岗岩风化而成，土层疏松，透水性强，持水力差，在植被退化或工程扰动的情况下极易造成严重的水土流失。

2 研究内容与方法

开发建设项目现场条件的复杂性和扰动的频繁性，使得很难用扫描仪将所有的水土流失防治责任范围和流失类型记录下来。根据监测点位的可达性和可操作性，在生产运行期选择干扰相对较少的排土场、典型的水土流失类型和典型的水土流失坡面，进行土壤流失强度的3D激光扫描监测，并在现场设置了测钎小区进行水土流失强度测量比较研究。

2.1 3D激光扫描仪

本研究使用广州市水土保持监测站引进的徕卡HDS高清晰测量系统ScanStation2三维激光扫描仪。扫描速度50000点/s，全方位视角360°×270°，扫描距离约为300 m(90%反射率)和134 m(18%发射率)，是目前使用界面友好、测量精度较高的测绘仪器，本次研究设定扫描距离为30 m、点云空间分辨率为0.01 m。

2.2 测钎与扫描监测场地的选取

为与常规监测方法进行对比，以确定扫描仪在野外特定类型坡面土壤流失强度测量上的精度，将测钎小区与扫描小区选取在同一位置。小区均为矩形，尺寸(宽×斜高)为10 m×12 m，坡向北偏东40°，观测场坡度θ为35°，坡长15 m。监测前先将直径1.4 cm、长100 cm的20根钢钎沿铅垂方向打入测钎小区坡面，每行4根每列5根，行距3 m、列距2 m，每根标桩打至钉帽与坡面相距10 cm，并在钉帽上涂上便于识别的红漆，编号记录。

2.3 数据采集与分析

在2011年雨季，以大约1个月为监测周期进行了5次监测，测钎和扫描监测在同一天进行，一般以2～3次大到暴雨为间隔，每次扫描记录坡面土壤形态的点云数据，使用系统配置的Cyclone软件进行室内数据后处理和计算分析，并同日记录钉帽露出地面与上一次的高度差，供室内分析土壤流失量。

3 结果与分析

3.1 扫描监测

3D扫描通过数据采集、点云拼接、坐标转换、数据降噪、地形建模和土方量计算，最后获得各个监测间隔期的土壤流失量。图1为5次扫描获取的点云数据(分别为4月19日、5月18日、6月21日、7月22日、8月31日)，图2为系统软件处理后的小区水土流失过程中坡面地形的三维显示。雨季中，在降雨冲刷侵蚀下，坡面发生了面状侵蚀—细沟侵蚀—切沟侵蚀等过程。扫描数据计算的土方量及其在监测期间的变化如表1所示。监测时段内的6—7月份的土壤流失量最大，平均土壤侵蚀强度62417 t/(km2·a)(由于大部分水土流失发生在雨季，所以以雨季的流失量代表全年的)，属剧烈侵蚀。

表1 监测期间土方量及其变化

3.2 测钎监测

该排土场是试验前几个月堆积成的，测钎小区的钢钎与土体会产生沉降，钢钎内的土体也会产生沉降。考虑到只有钢钎内的土体沉降才对测钎法产生影响，因此实际流失(侵蚀)厚度计算公式为［2］

式中:Z为实际土壤流失厚度，mm;Z0为土壤流失厚度(观测值)，mm;β为钢钎内土体的沉降高度，mm。

计算出实际土壤流失厚度，采用下式计算土壤流失量:

式中:ST为土壤流失总量，kg;S为简易土壤流失观测场面积，m2;Z为实际流失厚度，mm;γ为流失(侵蚀)泥沙容重(密度)，kg/m3;θ为简易土壤流失观测场坡度，(°)。

通过对水蚀测钎法观测记录表进行整理，土壤容重取1480 kg/m3，根据对照观测β取0.112Z0，运用上述两个公式计算，得出测钎小区在4月19日到8月31日这个时段内的土壤流失量，见表2。土壤侵蚀强度为54140 t/(km2·a)。

表2 各监测时段的测钎法土壤流失监测结果

钢钎监测结果与扫描监测结果对比，其结果要偏小一些，偏差为13.26%。原因在于，钢钎记录的数据只是其所在局部点位的土壤厚度变化情况，而无法反映其他部位如钎间侵蚀沟的侵蚀量，因此结果会偏小，而扫描仪点云间距设计精度高，基本能够完全记录面蚀和所有大小沟蚀造成的水土流失量。因此，相对传统的监测方法，3D扫描法监测的精度有较大提升。

4 结语

本研究通过选择开发建设项目中典型的水土流失坡面，进行3D激光扫描监测技术在生产实践中的应用精度研究，初步得出如下结论和建议:

(1)在同一水土流失坡面同时期的监测中，传统钢钎法监测结果与用3D激光扫描法监测的结果偏差为13.26%，3D激光扫描仪具有较高的土壤形态变化记录性能，相对传统的监测方法具有较高的监测精度。

(2)开发建设项目形成的堆弃土坡面一般具有土质疏松、易于沉降的特点，实际监测过程中土方自然沉降的问题不容忽视，需要设置土方沉降的标记，计算沉降系数，以校正该条件下的监测数据，这样监测的结果才更准确、客观。

(3)土壤流失初期，坡面会产生很多细沟，为提高扫描监测的精度，还需要提高点云间距精度(扫描分辨率)，一般的激光扫描仪该参数精度可达到2 mm，能够保证记录水土流失引起的面蚀和所有大小沟蚀造成的土壤流失量。另外，由于扫描仪的原理是通过障碍物激光反射测量标的物的形态，单站扫描会出现一些盲点，需要在目标周围多设几个扫描站位，通过点云拼接和叠加消除盲点。因此，在本次研究结果的基础上，通过设定更高的扫描分辨率和更多的站位，监测精度还有较大的提升空间。

(4)本次研究中，无论是测钎法还是扫描法，所监测到的土壤流失量都非常大，主要有如下几方面原因:①该排土场是试验前几个月堆积成的，堆体松散，降雨后流失量大;②该排土场的土质由花岗岩风化而成，含沙量比较高，土层疏松，属于沙壤土质，透水性强，持水力差，加剧了水土流失;③所监测的点位处于排土场的下坡位，降雨时上方的雨水集中下泄，水流对坡面的剧烈冲刷造成严重的沟蚀;④南方夏季的台风雨天气降雨强度大、历时长，水蚀严重;⑤监测点位的地表完全裸露，没有任何水土保持防护措施。因此，本次所监测到的土壤流失强度仅为代表特定流失类型特定监测时段的情况。

(5)利用3D扫描仪进行水土保持监测，是提升水土保持监测精度的发展方向，但还需要针对不同的项目、不同的监测点位和不同的监测时段进行更多的研究。比较3D扫描法与常规的监测方法之间所获得数据的差异性，可为采用新技术新方法进行水土保持监测积累基础数据和经验。

［1］胡续礼，杨树江.开发建设项目水土流失监测技术与发展趋势［J］.治淮，2007(1):32－33.

［2］SL277—2002，水土保持监测技术规程［S］.

［3］刘鹏.云南省开发建设项目水土保持监测若干问题的探讨［J］.中国水土保持，2011(2):32 －33.

［4］喻权刚.新技术在开发建设项目水土保持监测中的应用［J］.水土保持通报，2007，27(4):5－9.

［5］张鹏，郑粉莉，王彬，等，高精度GPS，三维激光扫描和测针板三种测量技术监测沟蚀过程的对比研究［J］.水土保持通报，2008，28(5):11 －20.

［6］徐进军，余明辉，郑炎兵.地面三维激光扫描仪应用综述［J］.工程勘察，2008(12):31 －34.