激光測距儀在海崖剖面形態快速測量中的應用

常方強，孟希，羅才松

（1.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門361021；2.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州350108）

海岸帶地形地貌測量是海洋工程師和學者們關注的重要問題.對海岸剖面進行高度、寬度、坡度和沉積物體積等測量，能夠獲得海岸地形地貌形態及其變化情況［1］.迄今為止，海岸帶地形地貌測量已發展了多種剖面測量方法，主要包括地面測量方法和空中測量方法［2－5］.地面測量方法結合高精度GPS可以提高測量精度，將誤差控制在1cm 之內，但對于難以攀爬的海蝕崖（以下簡稱為海崖）以及一些局部地貌形態則難以測量出剖面形狀.空中測量方法較為先進，適合大范圍的測量，對于局部地貌形態則無法測量，或測量精度較低，花費較大.上述測量方法對于坡度較小的海灘剖面測量適用性較好，對于坡度較大（30°以上）的海崖適用性較差，對于海崖上部海蝕槽和海蝕平臺等微地貌形態則無法測量.在保證測量人員的人身安全以及滿足經濟需求適用性等前提下，本文提出一種基于激光測距儀的快速、簡易、低成本的海崖剖面形態的測量方法，特別地，該方法能夠測量出海蝕槽的剖面形態.

1 測量儀器和方法

1.1 測量儀器

選用GLM80型手持式激光測距儀（德國博世（BOSCH）公司），尺寸為111mm×51mm×30mm，內置充電式鋰電池，總質量為140g.該儀器內置±60°傾角傳感器，能同時測出距離和傾角，借助此功能，可連續測出距離和傾角一組數據，進而繪制出海崖的剖面形狀.測量距離可達80m，精度為±1.5 mm；傾斜度測量范圍為±60°，精度為±0.2°.

對于海崖的剖面形狀測量，毫米級的誤差完全能夠滿足要求.測量數據可以自動存儲在儀器里，為了避免數據丟失，測量時手動記錄在記錄表上.儀器后部安置有固定螺絲，為減小測量誤差，將固定螺絲擰到三角架上配合使用.

1.2 測量方法

將三腳架置于崖面前方的海灘上，支腳插入砂土中進行固定.為了獲得較佳的測量質量，測距儀傾斜角度控制在30°以內，測量距離控制在50m 以內，三腳架離崖面的垂直距離L為

若三腳架高度取1.0m，即

式（1），（2）中：H為海崖的垂直高度；H0為三腳架高度.

將測距儀安置于三腳架上部，激光發射口對準崖面，調整測距儀的傾角使其為零，此時測距儀處于水平狀態.水平轉動測距儀測量幾組距離數據，距離最小時，表明激光垂直于崖面，此時，擰緊三腳架水平轉動的螺絲，防止其發生水平轉動.測量時，使激光發射點對準崖面的腳部，按下啟動鍵進行測量，記錄距離和傾角.然后，抬高測距儀激光發射口一端，使測距儀傾角變小.普通崖面的剖面形態測量，傾角每次變化1.0°，海蝕槽的剖面形態測量，傾角每次變化0.5°，記錄距離和傾角，直至激光發射點達到崖頂.依此方法，獲得一組崖面距離和傾角的數據.

利用Auto CAD 軟件將現場實測的崖面數據繪制成崖面形狀.首先，確定一個點.例如，可將Auto CAD 的坐標原點定為測距儀的測量基點，輸入“＠距離＜角度”命令，繪制出一條直線.依此方法，繪制出所有數據的直線，利用樣條曲線連接其末端即可獲得崖面的形狀.

2 測量結果

為了檢驗測量方法的可靠性，選取福建省平潭島東北部流水鎮流水碼頭附近的海崖作為測量研究區，進行崖面剖面形態測試.共測試不同位置的7條崖面的剖面形態（從流水碼頭至西樓村方向，編號分別為1＃～7＃），每條剖面的測量位置采用GPS定位和木樁基準點定位，具體位置如表1所示.表1中：1＃，3＃，4＃為普通崖面；2＃，5＃，6＃，7＃為發育有海蝕槽的海崖.

為了檢測該儀器的可靠性，在室外一直立墻面前方10m 處放置該測距儀，不斷變化角度，測量直立墻面的剖面形狀，測量結果與豎直墻面的理論形狀十分接近，誤差在±0.2mm 以內.

表1 剖面位置Tab.1 Location of profiles

2.1 普通崖面形態

崖面的測量結果，如圖1所示.圖1中：s為離基準點水平距離；h為海崖高度.1＃崖面的剖面形狀共測試4次，以檢測該方法重復測量的可靠性.其中，前3次位于同一地點，第4次測試地點比前3次遠離崖面0.5m，測試結果如圖1（a）所示.由圖1（a）可知：同一位置測量的剖面形狀幾乎完全重合，最大差距為0.8mm，可能是由于現場測量時風力較大導致三腳架和儀器微振動引起的.測量結果記錄在筆記本上，每測量15組數據檢查其正確性，每條崖面的測量時間為7～16min.3＃，4＃普通崖面的測量結果，如圖1（c）和圖1（e）所示.

圖1 海蝕崖面的測量結果Fig.1 Results of measured sea－cliff profiles

2.2 海蝕槽形態

為了測量到海蝕槽的局部形態，測距儀傾角每次變化0.5°，其他位置每次變化1.0°，在研究區330 m 的岸線范圍內，共觀測到2＃，5＃，6＃，7＃等4處崖面發育有海蝕槽.測量結果如圖2所示.圖2中：s為離基準點水平距離；h為海崖高度.

圖2 海蝕槽的剖面形態Fig.2 Results of measured marine notches

3 討論

3.1 測量海崖剖面形態的原因

受海平面上升、波浪、降雨等因素影響，海崖逐年后退［6］.對于快速蝕退的海崖，明確其形狀和位置具有重要意義.采用極限平衡法計算海崖土體的大規模滑塌時，海崖高度、坡度等形狀數據是必需的參數.了解崖面形態，特別是局部地貌形態有助于理解蝕退誘發因素、蝕退過程和機制.每隔一段時間測量海崖的位置，能計算出蝕退速率.測量海崖的剖面形態，通過對比海崖剖面形態的變化能估算出蝕退土體的體積，如圖3所示.每次測量時，測距儀確保在水平面上的同一位置（測量基點），結合高精度GPS定位和打設樁體定位.估算海崖的蝕退速率和蝕退量可為海崖保護和城鄉土體規劃提供參考建議.

3.2 測量海蝕槽剖面形態的原因

海蝕槽是發育在海崖（軟質海崖或巖質海崖）上的溝槽，其走向平行于海岸線.海蝕槽形成的主要原因是波浪、潮汐的動力作用及化學溶解.隨著波浪等作用的持續，海蝕槽發育越來越大，當發育到一定程度時，上覆土體失去支撐作用而發生大規模滑塌，造成海崖的一次性嚴重蝕退.海蝕槽的位置和高度也常用于海平面變化的調查.Pirazzoli［7］指出除了海蝕槽的高度，海蝕槽的形狀也非常重要，并給出了9種可能發育有海蝕槽的地層.迄今為止，細致地測量出海蝕槽的文獻報道較少，多數是通過簡單測量后手繪出來.Pirazzoli建議海蝕槽形態的測量包括：1）海蝕槽頂點位于崖底的以上高度；2）海蝕槽槽底邊緣和槽頂邊緣的垂直高度，即槽高（圖4）；3）海蝕槽的深度，簡稱槽深，即頂點至崖面的距離［7］.

研究區觀測到的4個剖面中發育的海蝕槽形態，其各部分要素如表2所示.表2中：h1為距崖底的高度；h2為槽高；h3為槽深；θ為海蝕槽傾角.由表2可知：各個海蝕槽均發育在距崖底1.0m 的高度范圍內；7＃斷面處，海蝕槽槽底緊貼海灘面，發育2個相鄰的海蝕槽，可能是由于該處原先存在一花崗巖球狀風化大孤石，經波浪侵蝕搬運后形成的.離7＃斷面大約十幾米的地方，有一處非常明顯的球狀凹坑存在，其成因同7＃斷面.海蝕槽傾角位于23°～29°范圍內，且海蝕槽上部崖面的傾角大于下部崖面的傾角.上部土體的蝕退破壞面幾乎是垂直的，以塊狀形式蝕退；下部是波浪逐漸崩解侵蝕土顆粒，以粒狀形式蝕退.

圖3 不同時間海崖剖面形態的測量Fig.3 Measuring of profiles of sea－cliff at different time

圖4 海蝕槽形態要素Fig.4 Profile factors of marine notches

表2 研究區海蝕槽形態要素Tab.2 Profile factors of marine notches under investigation

3.3 影響測試結果的因素

在現場測試過程中，陽光、測試距離與傾角、平臺、植被等因素會對測試結果產生影響.陽光對激光測距有一定干擾，這是因為陽光光譜寬度較大，能夠“淹沒”測距儀發出的激光束，導致接收器不能正確接收本身發出的信號；再者陽光較強時，可能無法觀測到發射出的激光點位置.為解決這個問題，測試可以選擇在沒有陽光的天氣里進行，如陰天或早上、傍晚沒有陽光的時段.此外，適當縮短測量距離，選擇量程較大的測距儀均有助于提高精度.文中測距儀的有效量程為80m，選擇在陰天的凌晨時段進行測量，最大測量距離控制在20m 以內.因此，測量結果的精度較高.

在測量過程中，測量距離不應超出儀器的有效量程，傾角也不應超過有效傾角范圍.若測量傾角過大，儀器會自動提醒.因此，儀器應位于崖面前適當距離，具體可參見式（1），（2）.當崖面存在平臺時，平臺上的局部地貌形態，如凹坑則無法測量出來，這是文中測量方法的缺陷.若要測量平臺的地貌形態，可將測距儀移至平臺.當崖頂或崖面有草叢時，激光無法反射回來，因此無法測量有草叢的崖面.本次測量中的崖面上沒有植物，測量到崖頂的植物時，數據異常.此外，由于儀器不耐水，下雨時無法測量；當風勢較大時，可能導致測距儀擺動，從而降低測量精度.

3.4 與其他測試方法的比較

傳統的測量方法，如Emery地平方法［2］、水平尺方法、經緯儀和全站儀，以及LiDAR 等方法均能夠測量一定范圍內灘面形態，但這些方法受人力、地質環境、工具自身局限性的影響均無法測量坡度較大的海崖剖面形態，更無法測量海崖的細微變化.Kershaw 等［8］給出了一種利用卷尺和木桿測量海蝕槽剖面的方法，但只限于人能夠接觸的位置，由于皮尺自身直度、風力影響、量程等因素亦限制了該測量方法的精度，且在測量的過程中，容易偏移方向，產生較大的誤差.激光測距儀能夠很好地規避卷尺、木桿測量的問題，對于經緯儀、全站儀測量中坡度較大和人無法達到的位置亦可以精確測量，且測量工作量大幅降低.LiDAR 方法雖然可測量大面積海灘地形情況［9］，但文中方法在經濟上更實惠，既適用于各種小型工勘測程建，也適用于軍事搶灘行動對灘地地形的掌握.文中方法根據儀器精度與光照和反射條件，測量的崖面高度可達20～30m，測量距離可達80m.

利用激光測距儀測量海崖剖面形態的方法，其優勢在于：1）測距儀體積小、重量輕、攜帶和操作方便；2）不需事先設置，且消耗較少電能；3）測量快速，且能夠測量人不能到達的區域；4）測量精度高，方便測出長度和角度，進而利用繪圖軟件容易繪出海崖剖面形態和海蝕槽形態，為計算蝕退速率和土體蝕退量提供基礎數據.

4 結束語

提出一種利用激光測距儀測量海崖剖面形態的方法，該方法能測出海崖的局部地貌形態，如海蝕槽的幾何形態.該方法的測量精度高、速度快，一個斷面的測量只需7～16min，且能夠測量人不易到達的區域.這種測量方法能夠為研究海崖的蝕退機制、海崖防護和城鄉土地規劃等提供參考建議.

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