三維激光掃描技術在水土保持與荒漠化防治中的研究進展

張 超，高 永，黨曉宏，李婉嬌，韓彥隆，丁延龍，劉湘杰，翟 波

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三維激光掃描技術在水土保持與荒漠化防治中的研究進展

張 超，高 永，黨曉宏，李婉嬌，韓彥隆，丁延龍，劉湘杰，翟 波

（內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010011）

三維激光掃描技術是近年來興起的一種對于土壤侵蝕監測、風沙地貌、防沙措施效益評價的新手段，對于水土保持研究與荒漠化防治具有重要的促進作用。本文對前人使用三維激光掃描技術在水土保持與荒漠化防治工作中的應用進行總結，并對目前存在的問題和后續研究進行探討，以期為三維激光掃描技術進一步發展與應用提供借鑒。

三維激光掃描技術；土壤侵蝕；荒漠化；展望

三維激光掃描技術是依托三維激光掃描儀在高時空分辨率下獲取地面空間信息的技術手段[1]，相比于傳統的高精度智能型的全站儀，三維激光掃描技術可以更快速、精準地對各種大型、復雜、不規則的實體進行多點測量，高效地獲取被測目標的三維坐標數據、色彩信息和點云數據，其中點云數據包含了距離、角度、反射率等數值[2]。近年來國內外學者對三維激光掃描技術的研究主要集中在大面積地形圖繪制[3]、橋梁變形檢測[4-6]、建筑物三維模型的重建[7-8]、礦物學[9-11]、植物學[12]等眾多領域，對于滑坡和侵蝕溝穩定性監測以及沙丘移動監測、防沙治沙工程效益評價等方面鮮有報道。三維激光掃描儀在水土保持與荒漠化防治工作的應用還處于成長階段，雖然具有一定的優點，但是同時也受自身的因素影響使其在工作中具有一定的限制性，因此，為了后續更好地將三維激光掃描技術應用于水土保持與荒漠化防治研究中，本文通過總結前人使用三維激光掃描技術在水土保持與荒漠化防治工作中的應用成果，并對目前存在的問題和后續研究進行探討，以期為今后工作提供相關基礎建議。

1 在水土保持領域的研究現狀

三維激光掃描儀是一種高精度非接觸式測量儀器，利用激光脈沖二極管發射脈沖，經旋轉棱鏡射向目標，通過電子掃描探測器接收并記錄返回的脈沖，再由后處理軟件將數據轉成坐標系中的模型，其測量誤差小，可以真實的反映測量物體表面特征變化[13]，經過數據拼接轉換及濾波消除噪音后可以描述被測物體表面細微的變化特征[14]。三維激光掃描儀操作模式簡單掃描時間快，測得點數據所生成DEM（Digital Elevation Model，DEM），其精度最高分辨率能達到±3 mm[15]，垂直測量精度在±0.02 m[16]。相比于傳統的侵蝕測針、高精度GPS監測方法，三維激光掃描儀技術能夠在短時間內更好更精細地描述面蝕演變過程，甚至可以明顯地展現出由于片蝕作用而生成的細小侵蝕坑洼點，在三種測量方法中，三維激光掃描儀估算的侵蝕誤差最小僅為4.56%，高精度GPS的誤差介于其他方法之間為7.38%，侵蝕測針法誤差最大為－12.78%[17]。基于上述高精度的測量原理和模式，三維激光掃描技術在探究侵蝕溝機理研究中具有很強的優勢。利用三維激光掃描技術獲取的多期高精度DEM數據，不僅可以從時間尺度和空間尺度對溝坡侵蝕進行差異研究，而且還可以對侵蝕溝的發育過程進行描述與建模。這方面目前已有一定的研究成果，如徐加盼等利用降雨前后DEM進一步分析得出，坡底主要分布高級別的坡度，沖溝現象易出現在坡底[18]。余叔同[19]、張姣[20]等均利用三維激光掃描技術動態監測精細的揭示了溝蝕的發育過程。楊春霞等[21]利用三維激光掃描技術證明了坡面中下部與溝坡中部是坡溝系統侵蝕強度最大的部位。覃超等在間歇性人工模擬降雨的條件下，通過三維激光掃描技術提取了高精度 DEM數據，分析結果表明，細溝侵蝕速率和總侵蝕速率的最大值出現在以細溝溝底下切侵蝕為主的細溝發育活躍期，最小值出現在以溝頭溯源侵蝕為主的細溝發育初期[22]。但是利用三維激光掃描技術受天氣影響較大，如果在連續降雨的過程中測定地表數據，野外試驗由于機器自身的防水性不好，不能進行觀測，而在室內試驗過程中，降雨的雨滴會成為噪聲點與粗差點，這樣會對后續點云數據拼接建模造成很大的影響，目前點云去噪的方法有很多，可以根據具體實際情況選擇合適的方法去噪，對于降雨過程中的去噪可以通過點云分層去噪[23]，刪除獨立的噪聲點和非地面點，剩余的可以在軟件中手動刪除。

三維激光掃描儀技術不僅只應用在溝蝕和面蝕等方面的研究，同時還應用于崩崗侵蝕、滑坡、泥石流的監測中，國外學者Abellán A驗證了該技術可以作為研究巖石崩塌的參考工具，且獲取的高精度DEM可以記錄落石情況以及更精確的模擬落石的軌跡和速度[24]。崩崗侵蝕方式多樣，造成崩崗流域內地形地貌的復雜多樣[25]，并且對于崩崗的監測使用傳統方法時，一方面測量困難，一些地方監測人員不能到達，且測量所得數據誤差相對較大，另一方面，在觀測過程中監測人員可能處于一個危險的測量環境，人身安全不能保障。因此劉洪鵠等發現三維激光掃描技術可以克服這些困難，給出高精度的崩崗的形態特征數據，分析崩崗的溝道發育特征[26]。劉希林等利用三維激光掃描技術對崩崗侵蝕過程研究結果表明，地形是崩崗發育的主要影響因素，崩崗侵蝕量與崩崗表面坡度變化呈現正態分布[27]。韓用順使用三維激光掃描技術和高分辨率遙感影像等手段，進行了不同降雨條件下的山洪泥石流坡面、溝道、斷面和小流域地表形變監測，構建高精度 DEM，提出了坡面泥石流和溝道泥石流的侵蝕、發育和演化特征，揭示了泥石流的變形破壞、沖淤變化和演化規律[28]。

綜上所述，三維激光掃描技術在水土保持方面的研究具有一定的優越性。第一，與傳統監測手段相比，三維激光掃描技術獲取侵蝕溝其形態變化的數據是高精度的，而且通過合理的數據分析，可以細致地分析整個侵蝕過程中各部位的變化，同時也可以建立侵蝕模型，更全面直觀地反映侵蝕溝的發育過程。第二，測量效率高，速度快，使得在大面積侵蝕溝測量不需耗費大量的人工和時間，非接觸式測量也提高了測量人員在外業測量中的安全性。

三維激光掃描技術在使用過程中也存在一定的局限性。一方面相比于道路、橋梁等建筑物掃描測量，不同尺度侵蝕地貌掃描測量，沒有明顯的標志點，人為布設標志點必須依據研究區的實際情況和后期數據處理的要求來合理布設，否則會加大工作量，后期數據拼接與校驗困難。另一方面在測量過程中氣候因素（降雨、刮風等），地面植被、電線桿等非需求物體，都會產生大量不可避免的噪聲數據，如果不進行合理的去噪濾波處理，會嚴重影響后期數據結果的處理。

2 在荒漠化監測領域的研究現狀

荒漠化是目前全球性的生態環境問題，在設置合理的防沙治沙措施前對于各種風蝕地貌形態變化及發育演變特征的研究是非常有必要的，目前關于風沙地貌形態觀測的手段分為兩大類：傳統監測研究手段、現代監測研究手段。傳統監測研究手段有文字觀測記錄法、插標桿法，現代監測研究手段有3S技術航空航天遙感測量法、地面差分GPS（RTK）、全站儀等方法[29]，但這些方法都存在一定的局限性，文字觀測記錄法在進行風沙地貌測量時，只適用于小尺度的定量研究，對于大、中尺度的測量獲取精確的數據比較困難；插標桿法人為誤差影響極大，測量結果有偏差；航天航空測量雖能進行大、中尺度的測量，但在進行長期動態監測過程中，費用極高；全站儀在工作過程中主機需與棱鏡保持通視狀態，這就限制了其對高大沙丘形態地貌的監測；使用RTK測量中雖然流動站和參考站無需通視，但對于大面積沙丘的形態測量耗時長，工作量大，同時在背風坡的測量過程中，測量人員行走困難，測量過程中遮擋、強磁場干擾及超遠距離測量等原因都會導致連接失鎖，測量誤差和精度不高，達不到預期的效果。三維激光掃描儀不受這些自然及人為因素的影響，經過多次掃描可精細逼真的還原風沙地貌動態變化過程，對于風沙微觀地貌有一定的適用性，在荒漠化防治研究中，尤其是沙丘形態變化、防沙治沙措施效益評估等方面有非常好的應用前景。2004年Nagihara就驗證了使用三維激光掃描儀對沙丘形態周期變化的可行性[30]。Ochoa使用三維激光掃描技術研究了一個沙丘的地貌演變過程[31]。Nield從三維激光掃描技術回波信號強度入手，通過獲取沙粒躍變的點云的初步數據，并結合地表土壤水分和粗糙度，闡明了躍變在沙粒遷移過程中的重要性，并使用這種方法探究了干旱沙灘風沙帶的移動和發育，其結果證明了三維激光掃描技術在研究海灘和沙漠環境的風沙過程有潛在的用途[32-33]。國內很多學者陸續將三維激光掃描儀應用到荒漠化防治不同領域中，取得了一系列重要研究成果，促進了荒漠化研究的發展。其中針對觀測環境惡劣，紋理特征不明顯的風沙地物（例如：沙丘、雅丹體等），安志山等經過前期試驗應用的總結和科學的探究，提出了一套從外業標靶、測站布設到內業數據處理的觀測的方案，同時與傳統全站儀測量進行對比，最終確定風沙地物測量測站不應該超過6站[34]。張慶圓將三維激光掃描儀應用到沙丘監測的研究中，通過對比兩次監測結果來分析沙丘的整體變化[35]。丁連剛則應用于對草方格沙障障格內蝕積形態的監測，獲得高精度障格內的蝕積量[36]。張克存等利用三維激光掃描儀評價了青藏鐵路沿線風沙工程防護體系的效益，結果表明礫石方格內垂直鐵路方向易形成穩定凹曲面，固沙效果顯著，阻沙柵欄有效防護距離為柵欄高度的12倍[37]。

3 三維激光掃描技術應用與展望

三維激光掃描技術在水土保持監測與荒漠化監測中雖取得了一定程度的應用，但還有很大的發展空間，尤其是在沙丘各部位形態特征變化、沙丘移動、侵蝕溝發育過程中細微變化具有優越性。

（1）后續的研究中要耦合技術，例如關于高大密集流動沙丘時空動態變化監測，形成“三維激光掃描儀+無人機+GIS”監測系統[38]，將三維激光掃描技術對沙丘形態年、季三維形態測量與航空航天大尺度多年測量相結合，如遇到云層、掃描盲區等因素的影響，可以使用小型無人機監測，同時配合地面傳統測量方法進行補充與驗證，可以更準確地為揭示高大密集流動沙丘時空動態變化提供一定數據支撐。土壤侵蝕地貌與風沙地貌建模中，可以將三維激光掃描儀生產的DEM形態數據與數學模型測算的數據相結合，把數字模型和數學模型結合起來共同運用，篩選最優模型，精細的描述和模擬地貌形態的演化機理。

（2）儀器自身問題尚需解決，目前加拿大、奧地利、美國等國家已經規模化生產高精的三維激光掃描儀[39]，國外對三維激光掃描技術及產品上擁有關鍵技術，形成技術壟斷，使得三維激光掃描儀價格昂貴，不具有普適性。同時為了滿足儀器在無直流電源狀態下的正常使用，電池被設計的質量重，體積大，在野外數據采集過程中搬運尤其困難；一些地物對激光光源的反射敏感性差，使得掃描過程中出現盲區；測量完成后獲得數量極大的點云數據，地面植被會產生大量不可避免的噪聲數據，如何快速去噪、有效的篩選和處理點云數據是應用三維激光掃描儀目前存在的問題之一[40]。因此需要加強這些方面的研究工作，除自身優化升級儀器及軟件配套設施外，儀器設計人員應與相關的科研人員要合作攻關，進行技術創新，打破技術壟斷，結合實際問題，合理設計，使其符合現在的研究需求。

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Application of 3D Laser Scanning Technique in Soil and Water Conservation and Desertification Control

ZHANG Chao，GAO Yong，DANG Xiao-hong，LI Wan-jiao，HAN Yan-long，DING Yan-long，LIU Xiang-jie，ZHAI Bo

（College of Desert Control Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China）

Descriptions were made on application of 3D laser scanning technique in monitoring of soil erosion, evaluation of sand control measures in recent years. Propositions were offered such as further study on coupling technology and cost of the instrument.

3D laser scanning technology; soil erosion; desertification; expectation

10.3969/j.issn.1001-3776.2018.03.011

S157；P234.4

A

1001-3776（2018）03-0072-05

2017-09-17；

2018-03-22

內蒙古自治區自然科學基金“高大密集流動沙丘上營建植被與沙丘活動的互控機制”項目

張超，碩士研究生，從事荒漠化防治研究；E-mail：zc1995777@126.com。

高永，教授，從事荒漠化防治研究；E-mail：13948815709@163.com。