丹东市水土保持监测中3D激光扫描技术的应用

潘松一

(丹东市水土保持局，辽宁 丹东 118000)

丹东市水土保持监测中3D激光扫描技术的应用

潘松一

(丹东市水土保持局，辽宁 丹东 118000)

水土保持是《新环境保护法》下实施的一种生态恢复措施。随着信息技术形式不断增多，当前在区域水土保持实践中，采用的技术手段日益先进，如三维激光扫描技术，其不仅可以对研究区开发建设项目水土保持监测中的相关数据进行分析，而且可结合水土保持监测中地表坡面局部侵蚀量特点，对水土保持监测项目物体表面的三维空间坐标量进行高精度及快速测量，从而精确描述物体表面细部状况。基于此技术优势，文章将着重以辽宁省丹东市某水土保持工程项目为例，对三维激光扫描技术在该研究区的具体运用情况进行分析。

丹东市；水土保持；监测；3D激光扫描；技术

随着辽宁省“十三五”计划战略的实施，各市开发建设的大型水土保持项目工程日益增多。丹东市作为辽宁省及中国最美的边境城市之一，其承担着调节生态的重要社会功能。但近年来，随着该区域的社会生产实践活动不断增多，人为因素所造成的水土流失现象日益严重。所以，采用先进的技术手段加强对该区域水土保持行为进行监测，已成为新时期丹东市经济、社会和生态环境建设中的一项重要任务[1]。

1 3D激光扫描技术简介及应用原理

1.1 3D激光扫描技术简介

3D激光扫描技术也称“三维激光扫描技术”，其主要是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；然后，由系统后处理软件对采集的影像和点云数据进行处理的一种方法。在此基础上，其与区域已知空间坐标点进行联测最终获取三维坐标，以快速得到区域空间信息数据库中相关数据源。三维激光扫描技术在国内很多技术领域都得到广泛应用，如地面模型分析及地理信息数据采集和土木工程建设等。但是与国外相比，国内的三维激光扫描技术依然处于起步发展阶段。从目前的学科应用范围来看，其基本涵盖了医学、考古学和工程学等领域，但在水土保持生态技术领域中的应用甚少[2]。

1.2 3D激光扫描技术的应用原理

3D激光扫描技术在实施过程中，将多种高新技术测绘仪器集成在一起，如激光扫描系统和激光测距系统及仪器内部校正系统，还有CCD数字影像监测系统等。在此基础上，基于非接触高速激光测量方式，主要以点云形式对研究区内复杂物体和地形三维表面的阵列式集合图形、数据进行科学获取。

1)3D激光扫描技术下的激光测距技术当前应用已经非常成熟，其中主要基于相位差法、干涉法和脉冲法进行距离测量。干涉法及相位差法主要适用于短距离内及微观技术领域内的三维激光扫描测距。而干涉法测距技术则适用于地面较大范围及较远距离内的激光扫描测距，主要测距过程可分为激光发射、探测和时延估计及测量4个环节[3]。

2)3D激光扫描技术下的激光扫描技术主要包括全息光栅扫描、多棱镜扫描和电镜扫描及光机扫描几种形式。应用表明，3D激光扫描技术具有高帧频成像、小角度、高精度扫描间隔及大范围扫描幅度几大技术特点。在扫描过程中，3D激光扫描系统主要基于内置驱动马达系统精密控制技术，对系统内部多面反射冷镜的转动进行控制，从而使系统脉冲激光束沿着纵轴与横轴方向进行快速扫描。

3)在3D激光扫描过程中，测距观测值S主要由三维激光扫描仪通过数据采集系统来获取[4]。在此过程中，系统每个激光脉冲横向及纵向扫描角度观测值主要由精密时钟控制编码器同步测量。在采用3D激光扫描中的地面激光扫描三维测量技术进行水土保持监测时，通常采用的坐标系统为仪器内部坐标系统；其中，X轴在横向扫描面内，Y轴和Z轴分别在横向扫描面内与X轴和横向扫描面相互垂直，由此得到如下所示的三D激光脚点坐标计算公式：

X=DcosβcosαY=DcosβsinαZ=Dsinβ

(1)

式中：被测物三维坐标分别通过变量“X、Y、Z”表示；被测物与仪器之间的距离通过D表示；水平与垂直扫描角度分别通过α及β表示。

2 水土保持监测中3D激光扫描技术的运用

2.1 工程项目实例

文章主要依托于辽宁省丹东市水土流失定量监测项目，以该开发建设项目部分区域3个不同典型坡面为研究对象，分别采集施工准备期与施工期两个阶段的3D激光扫描仪数据，然后采用徕卡系统软件对全彩点云数据信息技术处理。在此基础上，对相关信息数据进行3D模型分析及3D实体点云叠加处理，从而获取该水土保持工程三个不同典型坡面的水流侵蚀模数和具体侵蚀量。其中，降雨量数据为2016年度该研究区附近气象监测数据；通过现场测定，获取工程场地土壤容重数据[5]。

1)水土保持项目施工准备期监测中3D激光扫描技术的运用。

在该施工阶段，主要采用3D激光扫描技术对施工地土壤侵蚀背景值、植被种类和郁闭度、原地形地貌等参数进行监测收集；将收集到的相关数据与水土保持项目施工期和植被恢复期的相关数据进行对比，以此定量与定性描述工程开发建设项目对丹东市水土保持工作的影响，从而以科学的数据量客观反映该区域施工准备阶段工程开发建设项目的水土流失情况[6]。

2)水土保持项目施工期监测中3D激光扫描技术的运用。

在施工期内，主要针对高填深挖、土石方移运等导致的水土流失问题进行分析，采用3D激光扫描技术全面对施工场地路堑边坡、路堤边坡和弃土与取土场地边坡等因降雨引发的严重水土流失参数进行扫描。此阶段的主要工作任务是监测水土流失量与水土流失灾害事件的危害程度，同时监测水土流失治理手段等[7]。

3)水土保持项目植被恢复期监测中3D激光扫描技术的运用。

在植被恢复期，主要针对水土流失治理工程实施的水土保持效果进行对比监测。通过3D激光扫描技术对相关数据参数进行提取，以此对植被存活率、林草植被覆盖率等进行分析。

详细测定结果见表1。

表1 丹东市水土保持监测中3D激光扫描测定的土壤侵蚀模数

表2 丹东市水土保持监测中现场试验测定的土壤侵蚀模数

2.2 应用结果分析

从上述监测数据对比结果中可以看出，每个监测项目基于3D激光扫描技术测定的水土保持监测结果相差变化不大，在量级上基本一致，基本能够满足丹东市水土保持监测过程中的监测精度要求，从而为大范围将3D扫描技术运用于区域水土保持监测工作中提供了必要的理论和技术支撑[8]。

但总体来看，每个监测项目监测结果数据之间也存在一定的偏差。究其原因，主要在于现场扫描测量技术装置存在技术偏差，且监测位置与监测点布置存在一定的差异，这一不足依然有待在今后监测工作中继续完善[9]。

3 结 语

综上所述，三维激光扫描技术在日常工作中的运用非常广泛。但是，将其应用于水土保持监测工作中依然属于全新的尝试。本研究结合某水土保持治理实践工程，对3D扫描技术在该工程水土保持效果监测中的具体运用实践情况进行了详细阐述。通过全面的数据对比统计，最终应用结果表明，基于3D扫描技术得到的水土保持监测数据结果精确度较高，基本可满足工程项目开发建设水土保持监测精度要求，值得在今后工作中全面应用与推广。

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1007-7596(2017)08-0156-03

2017-07-16

潘松一(1986-)，男，辽宁丹东人，工程师，从事水土保持规划、综合治理等工作。

S157

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