三维激光扫描建模技术在水土保持科技示范园区规划设计中的应用

胡云华 ，张小波 ，秦 伟 ，殷 哲 ，何永福 ，陈尚书

（1.中国水利水电科学研究院 水利部水土保持生态工程技术研究中心，100048，北京；2.四川省成都市水土保持监测分站，610031，成都；3.四川省崇州市水务局，611230，崇州；4.四川省水土保持局，610065，成都）

随着生态文明建设被纳入国家“五位一体”总体布局，生态建设规模、质量和进程得到快速发展。规划设计是生态建设的纲领性技术文件，是一切后续工作的总蓝图。在各类生态建设规划设计中，作为基础资料的地形数据，是进行功能分区布局、措施典型设计的基本依据，是决定后续规划设计成果准确性与合理性的重要前提。针对不同类型的生态建设规划设计，探索有效的地形信息获取方法，具有十分重要的意义。

我国是世界上水土流失最严重的国家之一，党中央和国务院历来高度重视水土保持工作。建设美丽中国，水土保持更成为生态文明建设的基础性工程。作为集技术示范、科研试验、技术培训、教育宣传和产业培育为一体的综合园区，水土保持科技示范园区是促进水土流失治理、示范水土保持科技、增强公众生态意识的重要载体，推进园区建设成为当前及今后一个时期水利科技示范体系建设的重要工作。

高效创建高水平水土保持科技示范园区，前期必须做好规划设计，而根据建设需要，水土保持科技示范园区规划一般多为详细性规划，基础数据和规划内容的现势性要求高。参照《城市测量规范（CJJ/T 8—2011）》这类规划所需地形数据的比例尺度宜大于1∶1000，若进行挖填土方计算和措施典型设计时，对应地形数据的准确度和时效性要求更高，而满足如此要求的地形数据一般都需实地勘测才能获取。实际勘测中，目前主要采用全野外测图或航空摄影测量两种方法，但均存在一定不足，难以有效支撑规划工作的需要。因此，探索不同大比例尺地形数据高效、准确获取及其分析方法，是保障水土保持科技示范园区规划设计质量的重要基础。

本研究以四川省崇州桤木河水土保持科技示范园区建设规划中废弃渣场景观化设计为典型实例，尝试采用三维激光扫描快速建模技术及其数据分析方法支撑园区规划设计，并与传统测量方法进行了效率对比，探索提出在水土保持科技示范园区等专项规划设计中应用三维激光扫描建模技术的基本方案，以期为提升科技示范园区、小流域综合治理、生产建设项目防治措施等水土保持相关规划与设计的工作效率与科技水平提供有益参考。

一、三维激光扫描技术特点与设备选型

1.三维激光扫描技术特点

传统地形数据获取方法主要有全野外数字测图法和航空摄影测量法。其中，全野外数字测图法具有技术流程简单、定位准确度高等优点，但工作效率低、人力成本高；航空摄影测量法具有快速高效等优点，但精度较低，目前主要适用于比例尺小于1∶1000的地形图测制，且受天气状况、禁飞管制和地物遮挡等因素的限制较多。三维激光扫描是近年逐步成熟的地形数据获取方法，具有效率和精度高、限制性因素少等特点，可全天时、非接触、高效率获取地物空间三维信息，虽然设备的软硬件成本相对较高，但针对水土保持科技示范园区建设中一些兼具治理防护和景观展示功能的要素设计，以及一些工程措施多、开挖扰动强，且需详细核算工程造价的设计工作，则具有突出技术优势与工作效率。

2.三维激光扫描设备选择

三维激光扫描仪的基本原理是由发射器发出激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同路径反向传回接收器，由此解算反射点坐标，进而由点到面，获得扫描区域的相对位置与高度，再由基准点获得绝对地形信息。按照扫描平台的不同可以分为：机载或星载激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。激光测量的有效距离是决定设备应用范围的重要条件，通常也据此进行分类，具体包括：短距离激光扫描仪、中距离激光扫描仪、长（超长）距离激光扫描仪。不同扫描距离的设备特性、适用范围见表1。

水土保持科技示范园面积范围大多为0.1～100 km2，且无须达到微米级精细化建模的精度要求，因此一般可采用长（超长）距离三维激光扫描仪开展地形数据获取工作。本研究选用瑞士某公司HDS8800超长测程三维激光扫描仪，具有测距长、精度高、速度快等优势，最远扫描距离达2000m，扫描速度达8 800点/s，扫描视场角度为水平方向 0°～360°、 垂直方向 0°～80°，集成7 000万像素球幕相机，可同步获取每个激光点的像素信息。

二、应用园区及其规划设计概况

1.园区基本情况

四川省崇州桤木河水土保持科技示范园区以成都市崇州桤木河湿地公园一期工程核心区为建设范围，位于崇州市崇阳镇以西，总面积39.37 hm2。园区北临成温邛高速，东临成温邛高速安仁连接线，南临成蒲铁路，西临桤木河观光道，距崇州城西约3 km、成都市区50 km、双流国际机场40 km，交通便利，区位优势明显。项目区地处我国西南紫色土区，属川渝山地丘陵二级分区中的四川盆地南部中低丘土壤保持三级分区；沱江一级支流桤木河穿流而过，年均雨量1 012 mm，土壤以水稻土、冲积土和紫色土为主，经过前期湿地公园治理，生态环境良好，林草植被和湿地覆盖面积达66%，年来访客流约50万人次，具有广泛的科普示范受众。

2.园区规划设计

鉴于崇州桤木河项目区具有创建水土保持科技示范园区的良好基础，2017年四川省水利厅将其纳入园区创建重点项目区，同年9月四川省财政厅、水利厅联合下发《有关下达2017年省级财政水利发展专项资金的通知》，安排崇州市在桤木河开展生态清洁小流域建设项目，同步推进水土保持科技示范园区建设。同时，崇州市水务局编制了崇州市桤木河科技示范园区工程项目建议书，同年12月获得崇州市发展和改革局批复，计划总投资约1 100万元。为做好园区建设的顶层设计，崇州市水务局委托中国水利水电科学研究院开展园区建设规划编制工作。

表1不同扫描距离的三维激光扫描仪基本信息

在全面调查、现场勘测、深入论证和广泛征求意见的基础上，中国水利水电科学研究院编制完成《四川省崇州桤木河水土保持科技示范园区建设规划》，并于2018年12月通过四川省水利厅组织的技术评审并获得批复。根据批复的规划内容，园区按照国家级水土保持科技示范园区评定标准进行规划设计，通过充分依托现有湿地公园生态治理基础，将湿地公园景观提升与水土保持科普示范有机结合，打造以科普教育为主体功能，集科技示范和观赏游憩为一体的高水平水土保持科技示范园区。针对创建目标和功能定位，最终将规划范围划分为水土保持科普宣传区、坡地水土流失防治区、生态梯田工程展示区、水土保持植物观赏区、工程弃渣治理示范区、湿地生态修复游憩区、生态农田试验宣传区等功能区。其中工程弃渣治理示范区主要通过合理整治和利用规划范围内现有占地约2万m2的废弃堆渣，实现生态景观提升和科普教育示范。

按照园区建设需求，建设规划的深度总体确定为水土保持建设项目前期工作可行性研究阶段，其中工程弃渣治理示范区需对现有废弃堆渣进行景观化设计，因此相关内容按初步设计深度编制。根据对渣土占地、规模等初步踏勘，将开展其规划设计所需地形数据比例尺确定为1∶500。由于园区靠近崇州豪芸通用机场且紧邻成雅高铁，属于禁飞区域，无法利用航拍进行信息采集，全野外测图法人力成本较高，工作效率较低，本次规划选择三维激光扫描建模技术获取所需地形数据，同时辅以RTK实地测量检查点进行精度检核。

三、外业数据测量与采集

1.踏勘选点

首先，根据规划范围内的勘测对象分布及周边地物状况，实地选取图根点。图根点除需能满足直接架设仪器进行测量外，还要作为测量后视点，其质量好坏直接决定扫描数据建模的完整性及工作效率，具体选取要求包括：

①与测量主体的距离小于仪器有效测量距离；

②应便于安置设备和操作，视场内周围障碍物的高度角一般应小于15°，保持前方视野开阔，以便获取更多有效数据；

③所有图根点的位置应在测区均匀分布，视场应覆盖所有待测范围，水平和垂直方向均无遮挡死角，相邻图根点上获取的数据重叠率应大于20%；

④后续若采用GPS测量图根点坐标，其位置还应远离电视台、微波站等大功率无线电发射源，相隔距离需在200 m以上，以减少信号干扰。

研究区范围内无大功率无线电发射源，根据上述原则综合实地特征，最终选定 6个图根点（TG1—TG6）。同时为了检核三维激光扫描仪精度，在测区范围内随机选取20个点作为检查点（JC1—JC20），图根点和检查点位置分布见图1。

2.单点测量

在所选的每个图根点和检查点测量其位置和高程信息。单点测量一般采用网络RTK方式，若测区无手机信号GPRS数据传输时，采用静态方式施测临时骨架基准点，然后采用单基准站RTK方式开展测量。当测区GPS干扰严重时，可根据已知点利用全站仪等设备采用解析测量法获取控制点坐标。本研究采用天宝R8高精度RTK测量图根点和检查点平面坐标和大地高高程，RTK平面收敛阀值设置为2 cm，垂直收敛阀值设置为3 cm，重复测量次数5次，当5次测量之间的平面、高程互差小于0.15 m时，取平均值作为最终测量成果，单点测量时间约50 s，最后利用水准面精化模型解算图根点正常高度。

3.数据采集

将扫描仪架设于图根点上，对中整平，记录并量取设备仪器高。输入架设点坐标 （X,Y,Z）和后视点坐标（X,Y,Z），进行后视点照准定向，并根据测区状况设置扫描参数。鉴于水土保持科技示范园区规划设计的对象面积与规模相对较大，适宜采用远距离扫描模式，为便于后期滤波处理，对于带有高清相机的设备可同步勾选采集激光点像素信息，随后启动设备进行自动采集。每一图根点上的测量时间与所设置的扫描点云密度、扫描对象间距呈正相关，即设置的密度、距离越长则所需扫描时间越长。本研究中设置的点云密度为15cm、对象间距为1000m，并同步获取扫描点像素信息，单点扫描时间约60 s。扫描结束后关闭设备，移至下一个图根点进行扫描作业，直至全部图根点逐一扫描完成。

图1 弃渣渣体区图根点和检查点位置分布图

四、内业数据处理与分析

1.数据处理

内业处理采用与HDS8800配套的专业数据处理软件Leica Cyclone三维扫描工具进行。首先，利用软件打开手簿导出的所有图根点上所采集的数据并进行拼接（见图2）。由于各图根点均进行定向，因此数据可实现自动匹配拼接。其次，为获取真实地形数据，对拼接后的数据进行过滤去噪、抽稀提纯处理，主要去除植被、建筑、飞鸟等无用信息。Leica Cyclone软件提供了距离过滤、角度过滤、离散点过滤、边缘过滤、面过滤等多种过滤模式，可根据实地情况优选组合。最后，借助扫描仪内置相机所拍摄的像素信息进行手工抽稀，以进一步去除噪点信息，并将完成抽稀处理的数据导出为dat格式用于后期三维建模分析。

2.三维建模

首先，利用ArcGIS软件打开抽稀处理后的地形点数据，根据规划范围对地形点数据进行裁切，去掉规划范围以外的无用地形点数据，获得覆盖规划范围的有效地形测图数据范围20 590 m2。其次，利用ArcGIS软件CreateTIN工具创建不规则三角网模型（Triangulated Irregular Network，TIN），并利用TIN to Raster工具自动生成数字高程模型 （Digital Elevation Model，DEM），本研究中像元大小设置为0.1 m，最终获得规划范围的三维地面模型（TIN和DEM数据见图3）。

3.精度检核

提取各检查点位置在三维建模中的地面模型高程，与RTK实地测量结果进行对比（结果见表2），并计算平均误差、中误差、误差标准差等指标。对比可知，测量误差的平均值为3.62 cm，最小值-14.26 cm，最大值25.39 cm，中误差17.95 cm，误差标准差17.58 cm。从误差结果来看，利用三维激光扫描仪获取的三维地面模型的精度，整体高于丘陵地区1∶500地形图高程精度要求（高程中误差≤25 cm），可以满足水土保持科技示范园区中废弃渣体等对象精细化景观规划设计的基础数据要求。

4.效率对比

根据 《测绘生产成本费用定额计算细则（2009版）》，按Ⅰ类困难类别测算，采用航测法生产一幅1∶500地形数据需3定额工日，采用全野外法生产一幅1∶500地形数据需6定额工日。研究区测图总面积 20590m2，按 1∶500 地形图标准分幅面积折算约合0.33标准分幅，航飞数据获取按0.5定额工日估算，若采用航测法需1.49定额工日，采用全野外法需1.98定额工日。研究区三维激光扫描图根点测量和测站数据采集共约耗时2小时，内业数据处理耗时约4小时，合计0.75定额工日。采用三维激光扫描获取地形数据，相较于航测法提高效率49.66%，相较于全野外测图提高效率62.12%。

五、数据规划应用

1.地形信息获取

通过三维激光扫描获得有效地形测图面积20 590 m2，弃渣堆最大高差 11.98 m，最大坡度 86.76°，平均坡度 10.65°，利用 ArcGIS软件 Cut Fill工具，设定计算基准面为529.82 m，计算可得规划区现有堆渣占地面积约20 200 m2，弃渣（石）量 63 000 m3。

2.规划设计应用

图2 拼接后的点云数据

图3 渣体TIN和DEM数据三维效果

表2 检查点高程值和三维建模地面模型高程值的对比

图4 工程弃渣治理示范区规划设施效果

为合理利用废弃渣体及其占用土地，并提升生态景观和加强科普示范，本研究提出通过对现有堆渣进行集中堆放、拦挡平整等，形成类似假山的造景地形。根据测量获取的精细地形信息，进行了渣体整体和边坡稳定分析、地基承载能力复核、挡渣墙稳定计算等。在此基础上，围绕桤木河湿地公园以桤木为主题乔木植物的特色，将重新堆放的渣体设计为桤木叶形，通过设置拦挡和排水等水土保持工程措施，种植景观花卉植物，铺设透水地面及设立普法宣传展板等方法，打造以生产建设项目人为水土流失防治为主题的示范宣传景观元素，并使顶面向旁边的成雅高铁略倾，以扩大景观展示受众。经测算，渣体整治堆形后占地缩减为7 900 m2，共需修建挡渣墙410 m、截排水沟523 m、沉沙池 1座，铺设透水砖 811 m2，清运堆渣19 000 m3，恢复植被17 400 m2（设计效果见图 4）。

六、结论与建议

综上所述，应用三维激光扫描建模技术支撑水土保持治理规划设计，首先根据园区规划范围合理选择三维激光扫描仪器，在进行实地踏勘的基础上，选择图根点和测站点进行实地测量，随后进行内业编辑整理、精度检核，最终获得满足精度要求的地形数据，在此基础上开展填挖方计算及典型设计工作。在外业数据获取过程中，应注意图根点的选择，点位需位于仪器的有效扫描范围内且视场开阔，确保扫描范围尽量覆盖测量主体，若需要使用网络RTK测量图根点坐标，还应尽量避开无线电辐射源。数据采集时，应根据测量范围和精度要求，合理设置扫描点密度和扫描距离，减少数据冗余和单站测量时间。内业数据处理中，需对获取的点云数据进行过滤去噪、抽稀提纯处理，使用带有像素获取功能的三维激光扫描仪，可有效提高特征点提取的效率和准确度。

经试验，采用三维激光扫描建模技术获取的崇州桤木河水土保持科技示范园区地面模型数据，高程中误差17.95 cm，满足丘陵地区1∶500地形图高程中误差≤25 cm的精度要求，测图工作相较于航测法提高效率49.66%，相较于全野外测图提高效率62.12%，有效支撑了园区规划，为工程设计、测算堆渣清运量和植被恢复面积提供了精确的数据支撑。本研究应用三维激光扫描建模技术支撑水土保持治理规划设计的基本方案，可在今后水土保持科技示范园区和小流域综合治理等规划设计中推广应用。