三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕研究中的應用

肖 海，夏振堯，朱曉軍，楊悅舒，李 瑤

（1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌443002；2.三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌443002；3.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌443002）

土壤侵蝕是危及人類生存與發展的主要環境問題之一，因此，土壤侵蝕研究在世界各國受到普遍重視［1］。常規土壤侵蝕監測方法主要包括調查法、徑流小區法、侵蝕針法、水文法、模型估算法和遙感解譯法等。上述方法具有野外工作量大、效率低、周期長等缺點［2］。近年來核素示蹤應用較為廣泛，并在定量研究土壤侵蝕方面取得了大量成果［3－4］。但對于野外大面積次降雨侵蝕，如何快速獲取土壤侵蝕信息，對土壤侵蝕進行檢測，評估次降雨的危害，為水土保持規劃做出指導，這些方法尚不成熟。三維激光掃描技術以激光應用為基礎，能夠快速獲取所掃描區域坐標點，并使用軟件進行三維建模。本文通過人工降雨試驗，使用三維激光掃描儀在降雨前后對坡面進行掃描，分析其計算過程及計算精度，為該技術應用于野外大面積土壤侵蝕研究提供基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計及研究方法

將長3m，寬0.5m，高0.5m鋼質土槽架設于所砌的造坡墻上形成20°坡度，土槽下端設集流裝置用以收集徑流泥沙樣品。試驗用土取自湖北省宜都市丘陵區坡耕地表層紅壤，其黏粒含量16.8%，粉粒含量74.6%，沙粒含量8.6%，有機質含量1.5%。土壤容重為1.25g／cm3。填土前先在土槽底下裝填25cm厚的天然細沙，以保證良好的透水性，然后以5，5，5，4，1cm 分層裝填20cm 厚的土壤，通過稱重控制容重在1.25g／cm3。

人工降雨試驗在三峽大學人工模擬降雨試驗場開展。降雨設施采用南京南林電子科技生產的NLJY－10－01型便攜式人工模擬降雨系統，降雨高度4m，由9組大中小噴頭均勻噴出雨滴，降雨均勻度大于0.86，降雨強度為60，90，105mm／h。利用均勻分布于坡面中的雨量筒，通過多次測定平均降雨強度對降雨強度率定。每次試驗鋪設好土槽后，對其進行霧化降雨，使坡面接近產流，并靜置15h左右。靜置完成后，每次降雨開始前，先將坡面表層濕潤，直至接近產生地表徑流。然后，使用Leica Stanstation C10脈沖式三維掃描儀對坡面進行掃描得到降雨前的坡面數據，之后將降雨強度調至設定值，在降雨開始產流后，開始計時，以3min為時間間隔接取全部泥沙樣品以待測試。同時照相并對試驗過程進行記錄。降雨30min結束后，關閉降雨器，并再次使三維掃描儀對坡面進行掃描得到降雨侵蝕后的坡面數據。最后在坡面上取環刀樣以測得降雨后的土壤容重。泥沙樣品接收后靜置至泥沙沉淀，倒掉上部清液，并將下部泥沙烘干稱重保存于自封袋中。

1.2 三維激光掃描及測量原理

地面三維激光掃描儀由激光發射器、接收器、時間計數器、馬達控制可旋轉的濾光鏡、彩色CCD相機、微電腦、控制電路及其他附件組成。

三維激光掃描工作原理是激光發射器發射窄波脈沖，發射到目標物體表面后反射回探測器。發射脈沖與接收回波脈沖之間的時間間隔t由數字轉換器（TDC）測量并被用來計算目標物體表面與發射器的距離。此距離為：

式中：D——距離（m）；c——光速（m／s）。

除距離外，三維激光掃描儀還測得并記錄了水平方向角度和豎直方向角度及掃描點的反射強度等原始觀測數據。根據前兩種數據計算掃描點的三維坐標，反射強度則用來給反射點匹配顏色。點P的坐標由公式（2）計算獲得：

式中：β，α——縱向和橫向掃描角度觀測值；X，Y，Z——掃描點的坐標；s——原點到掃描點的直線長度。

三維激光掃描儀可以將各種大型建筑物的表面快速直接地變換成離散的點云數據，從而用于快速地目標實體的三維可視化重構，因而在測繪、計量、仿真等方面得到廣泛應用。

2 結果與分析

2.1 不同降雨強度下的總徑流量及侵蝕量分析

3次模擬降雨試驗所產生的徑流量及侵蝕量見表1，結果表明，徑流量及侵蝕量隨著降雨強度的增大而增加，這是因為降雨強度增加，坡面承雨量增加，從而使得凈流量增加，同時隨著降雨強度增大，雨滴能量增大，引起侵蝕量增加，而且降雨強度增加對侵蝕量的影響大于徑流量，這與其他學者研究一致［5］。

表1 不同降雨強度下的徑流量及侵蝕量對比

2.2 掃描處理過程分析

掃描完成后，將次降雨侵蝕前的掃描數據導入Cyclone軟件中進行數據除噪并進行剪切等初始處理去掉無效點后留下土層及槽上邊沿數據。然后將整個坡面數據轉化為同一個坐標系并生成Tin網格。然后以土槽上邊緣的某一點作為原點，并通過計算確定垂直于坡面20°的法向量來確定通過原點且平行于侵蝕前坡面的公共面，將土層表面以0.05m為采樣間隔投影至公共面，最后使用Cyclone軟件的測量功能測得坡面至公共面的體積。以同樣的方法將侵蝕后的坡面投影至同一公共面上，并計算出侵蝕后坡面至同一公共面的體積。三維掃描數據處理流程如圖1所示。

圖1 三維掃描數據處理流程

2.3 掃描結果分析

通過掃描分析，得到各次侵蝕情況如圖2所示。由于每次降雨侵蝕前后坡面拉伸到同一面的體積，則侵蝕體積等于侵蝕前體積減去侵蝕后體積；計算侵蝕量由侵蝕體積與干密度相乘并換算單位得到；誤差為計算侵蝕量與實際侵蝕量之差與實際侵蝕量之比的百分比，具體方程如下：

式中：Vc——計算侵蝕體積；Vf— —侵蝕前體積；Vl— —侵蝕后體 積；Ec——計 算 侵 蝕 量；Ea——實 際 侵 蝕 量；ρd——坡 面 土 壤 干 密 度；Er— —計算誤差。

使用環刀法在坡面取樣，得到降雨后坡面土壤干密度為ρd＝1.353g／cm3，使用公式（3）—（5）計算各個參數，并匯總于表2。從表2中可以看出，計算侵蝕量與實際侵蝕量相差不大，3次降雨計算誤差分別為0.872%，9.349%和4.495%，計算誤差均在10%以內。表明了使用三維激光掃描儀對坡面進行掃描能夠精確的計算侵蝕量。同時，從圖2中還可以直觀的看出侵蝕發生部位，其中60mm／降雨強度下侵蝕主要發生在下坡面，中上坡面侵蝕不明顯，而90mm／h降雨強度下侵蝕主要發生在中下坡面，侵蝕范圍與60mm／h降雨強度下有所增大；105mm／降雨強度下坡面除了坡頂外均能夠觀察到明顯侵蝕，坡面破碎程度明顯大于前兩次較小降雨強度，說明隨著降雨強度的增加，不僅是侵蝕量大幅度增加，而且能夠加快細溝的發育，增加坡面破碎程度。

圖2 各次降雨前后坡面的掃描效果

表2 計算侵蝕量與實際侵蝕量對比分析

3 結論

（1）徑流量及侵蝕量隨著降雨強度的增大而增加，而且降雨強度增加對侵蝕量的影響大于對徑流量的影響。

（2）使用三維激光掃描儀在降雨前后對坡面進行掃描，所得計算侵蝕量誤差較小，3次計算誤差分別為0.872%，9.349%和4.495%，計算誤差均在10%以內。

（3）隨著降雨強度的增加，不僅是侵蝕量大幅度增加，而且能夠加快細溝的發育，增加坡面破碎程度。

（4）使用三維激光掃描儀能夠快速、精確的計算出坡面侵蝕體積及侵蝕量，同時能夠很直觀的觀測到侵蝕的空間分布，因此，該方法在技術層面上可以應用于野外土壤侵蝕研究。

［1］ 王紅兵，許炯心，顏明.影響土壤侵蝕的社會經濟因素研究進展［J］.地理科學進展，2011，30（3）：268－274.

［2］ 唐強，鮑玉海，賀秀斌，等.土壤侵蝕監測新方法和新技術［J］.中國水土保持科學，2011，9（2）：11－18.

［3］ 湯振權，劉剛，許文年.稀土元素示蹤技術及其在土壤侵蝕研究中的應用［J］.中國稀土學報，2011，29（5）：515－522.

［4］ 石輝，劉普靈，田均良.核示蹤技術在土壤侵蝕研究中的應用［J］.水土保持通報，1997，17（3）：44－49.

［5］ 和繼軍，蔡強國，劉松波.次降雨條件下坡度對坡面產流產沙的影響［J］.應用生態學報，2012，23（5）：1263－1268.