CN101793543A

CN101793543A - 利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法

Info

Publication number: CN101793543A
Application number: CN 201010143941
Authority: CN
Inventors: 郑粉莉; 张鹏; 王彬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2010-08-04

Abstract

本发明公开了一种利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法，该方法快速、准确、精度高，尤其适用于坡面尺度土壤侵蚀动态监测。它包括以下步骤：a)划定测量区域，测定测量区域的土壤密度；在测量区域边界贴一圈反光材料贴纸，然后用三维激光扫描仪对待测量区域进行扫描，使得待测区域不同部位都生成点云数据；b)对各站点的扫描数据进行统一拼合得到原始数据；c)利用测量区域边界的反光材料在原始数据中形成的亮线，进行测量区域的裁剪；d)将裁剪后生成的点云数据抽稀后导入地理信息系统软件，分析降雨前后待测区域的体积变化；根据坡面土壤密度和待测区域体积的变化量，计算次降雨土壤侵蚀量的变化。

Description

利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法

技术领域：

本发明涉及一种土壤侵蚀过程动态监测的研究方法，尤其涉及一种利用三维激光扫描技术进行坡面尺度侵蚀发育过程动态监测的研究方法。

背景技术：

土壤侵蚀已成为全球主要生态环境问题之一，在我国表现更加突出。我国土壤侵蚀不仅侵蚀面积大、分布范围广，而且侵蚀强度大、侵蚀危害严重，每年造成的经济损失超过1000亿元以上。严重的水土流失对我国粮食安全和生态安全造成严重威胁，土壤侵蚀已成为我国头号环境问题。土壤侵蚀强度是反映土壤侵蚀危害程度、生态环境状况和区域社会经济发展态势的重要指标，是水土保持学和环境生态学研究的核心内容。但由于土壤侵蚀发生与演变过程的复杂性及影响因素的多变性，致使坡面土壤侵蚀研究方法取得的创新性研究成果较少。

目前，常用的坡面土壤侵蚀研究方法有径流小区法、插钎法、填土法、侵蚀沟体积量测法、地形测针法和元素示踪法及几何摄影测量、激光微地形扫描、大比例尺航空摄影测量和高精度全球定位系统(GPS)测量等方法。径流小区观测法是坡面土壤侵蚀观测常用的方法；但由于受观测设备(如径流分水箱的分水不均匀性及泥沙样采集的不准确性)的影响，使坡面侵蚀量估算存在较大误差。插钎法、填土法和侵蚀沟体积量测法尽管在实验数据和数据分析方面易于掌握，但受人为因素影响较大，使分析结果往往与实际有较大的偏差，而且测量过程对坡面侵蚀形态造成破坏，导致测量结果的不准确性增大。元素示踪法是利用天然核素¹³⁷Cs、²¹⁰Pbex、⁷Be或稀土元素(REE)等具有的固定半衰期化学元素进行坡面土壤侵蚀监测。其理论基础基于质能守恒定律，通过测定不同历时条件下不同坡面部位土壤吸附大气沉降物中半衰期元素的含量；根据相关模型估算坡面不同部位土壤侵蚀状况，进而确定坡面土壤侵蚀分布规律。但由于土壤对不同示踪元素吸附能力不同，尤其是受估算方程精度及经验方程无法求得唯一解的限制，导致坡面土壤侵蚀量估算的不确定性。几何摄影测量技术存在测量范围小，投影变形大及对地面坡度反应过于敏感等缺陷，致使该技术在土壤侵蚀方面的应用受到极大的限制。激光微地形扫描技术仅适用于很小坡面尺度(小于5m²)土壤侵蚀监测，且需要在暗光条件下进行测量，使其应用受到极大限制。大比例尺航空摄影测量技术是利用正射摄影在高空拍摄连续的大比例尺航空相片，然后进行相片的后期处理；但高空飞行器(如热气球)受气流的紊动性影响较大，从而对相片数据的采集造成偏差，且执行这类航摄任务的手续繁杂、周期较长、成本费用高、经济效益差；现者现有的航空摄影专业单位一般很难承担分散的小面积区域测量，限制了摄影测量技术在土壤侵蚀监测中的应用。高精度GPS测量方法受精度误差、信号传输误差和接收机误差三部分的影响，且其后期图像处理受测量点数的多少的影响较大，尤其在坡面小尺度的测量误差凸显，因此不适应于坡面小尺度土壤侵蚀动态监测。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法，该方法快速、准确、精度高，尤其适用于坡面尺度土壤侵蚀动态监测。

本发明利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法，包括以下步骤：

a)划定测量区域，测定测量区域的土壤密度；在测量区域边界贴一圈反光材料贴纸，然后用三维激光扫描仪对待测量区域进行扫描，使得待测区域不同部位都生成点云数据；

b)对各站点的扫描数据进行统一拼合得到原始数据；

c)利用测量区域边界的反光材料在原始数据中形成的亮线，进行测量区域的裁剪；

d)将裁剪后生成的点云数据抽稀后导入地理信息系统软件，分析降雨前后待测区域的体积变化；根据坡面土壤密度和待测区域体积的变化量，计算次降雨土壤侵蚀量的变化。

所述的反光材料贴纸具有很好的反光效果，其在原始数据中形成的亮带清楚，明显。

所述的用三维激光扫描仪对待测区域进行扫描，使得待测区域不同部位都生成点云数据，本领域技术人员可以根据待测区域的具体地形，应用本领域的普通知识选择合适的站点位置以及测站数量，站点的位置和数量，使三维激光扫描仪扫描出待测区域不同部位的数据都能生成点云数据，以便对各站点扫描的点云数据进行统一拼合得到待测区域的原始数据；根据待测区地形复杂程度选取适宜站点数，至少需要3-5个站点，推荐选用5个站点。由于地面三维激光扫描中点云的拼接和坐标的转换都是靠标靶点来进行的，它在各站点的拼接和坐标转换中起连接点和控制点的作用，因此各测站位置优选尽全览所有三维激光扫描仪的靶标。

在d)步骤中对裁剪后生成的点云数据优选进行抽稀后，再导入地理信息系统软件，这样有利于数据的后期处理。抽稀所用软件为三维激光扫描仪自带软件，通过软件调节点云的密度值，得到既可以完善的表达扫描区域同时又尽可能少量的测量数据。

本发明利用一种新的技术——三维激光扫描技术对待测区域进行扫描，以获取坡面土壤侵蚀信息，与现有的坡面土壤侵蚀研究方法相此，该方法具有以下优点：

1)快速性：应用三维激光扫描测量技术进行目标空问数据采集，速度非常快，可以及时测定物体表面的立体信息。

2)不接触性：应用三维激光扫描测量技术不需接触测量目标，可获取被测物表面的三维信息；因此该技术可对适用于测量人们不易到达地区的地形测量，尤其是弥补了高精度GPS在特殊地形下无法获取卫星信号而导致地表信息缺失的缺陷。

3)穿透性：三维激光扫描仪的激光能穿透一定覆盖度的植被层到达目标表面，可对林下土壤侵蚀状况进行动态监测。

4)实时、动态、主动性：三维激光扫描仪能主动发射测量信号，不需要外部光源，通过探测自身发射出的高功率光线反射来得到目标信息，不受时空约束。

5)高精度、高密度：三维激光扫描测量技术是通过对目标的直接扫描来描述目标特征，具有高精度、高密度的优点。

6)数字化、自动化：三维激光扫描测量技术可直接获取数字距离信号，全数字特征，易自动化，可靠性好。

本发明在测量区域周边粘贴一圈反光材料贴纸，该反光材料贴纸经三维激光扫描仪扫描后形成的点云数据中会形成一条亮线，将所有的各站点的点云数据进行统一拼合得到原始数据，再根据原始数据中的亮线进行裁剪，而得到待测区域的原始数据；因此，解决了原始数据中待测区域很难裁剪的难题，方便数据的处理。不加此反光贴纸的测量数据虽然也可以进行裁剪，但是难度相应增加很多。

因此本发明的利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法具有快速、准确、精度高、密度高、实时、简单方便、且数据容易处理的优点。

附图说明：

图1是实例1的测量模型示意图；

图2是实例1的测站和靶标示意图。

具体实施方式：

以下实例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实例1：

本实例根据黄土丘陵沟壑区坡沟系统空间分异特征建造坡沟系统实体模型(图1)。该模型高度a：6.01m、宽度c：3m、长度b：13m，投影面积40m²；且所建的坡沟系统实体模型根据黄土丘陵区典型坡沟系统的坡面坡度变化，将该试验土槽从坡上到坡下分成五个坡度段，坡度值分别为5°、10°、15°、20°、35°分别对应为d、e、f、g、h段，各段投影长度对应着1m，2m，2m，2m，5m。坡沟系统概化试验模型下设置一个三角集流口，用于在降雨过程中随时收集坡沟系统实体模型的产流产沙量，以备验证三维激光扫描测量结果是否与实际侵蚀量一致。

本模型的其他参数如下：

试验用土：陕北安塞的黄绵土；

装填形式：安塞原状土，不过筛、不研磨保持土的自然结构状态；

降雨设备：侧喷式的人工降雨设备；

喷头组合形式：6个喷头对喷，喷头距地面7.5m；

试验所选降雨强度：50mm/h；

降雨形式：连续降雨试验；

由于在地面三维激光扫描中点云的拼接和坐标的转换都是靠标靶点来进行的，它在各站点的拼接和坐标转换中起连接点和控制点的作用。三维激光扫描标靶点选择在各个测站都可以轻松扫描到的位置，每次进行坡面扫描之前都要进行靶点的扫描，为了更好的对点云数据进行拼接防止数据错位，靶点的位置要做到固定统一，在本次试验中运用防水记号笔画出第一次靶点的轮廓位置下次安置时按照原位摆放；如果条件允许可以进行固定不进行移动。为了全览测量区域的全貌，本实例根据测量模型的地形条件，在测量小区周边设置5个测站点和5个标靶点(图2)，其中5个测站点分别为21、22、23、24、25，5个标靶点分别为11、12、13、14、15，测站以及靶点的位置并没有严格的要求，只要各个测站能够使模型的各个部位都生成点云数据。首先在坡沟系统实体模型待测量边界粘贴一圈反光材料贴纸，然后在图2中的5个测站位置进行扫描，将每次扫描的点云数据，根据标靶进行拼接汇总而得到原始数据，原始数据经过反光条带形成的亮线进行室内裁剪处理，最终生成待测区域的点状三维图像数据，为了该数据能够在地理信息系统信软件中进行处理，后期对数据进行抽稀(属于本领域技术人员常规知识)，得到坐标形式的点状数据，导入地理信息系统软件Arcgis9.2进行空间计算。

首先利用环刀法(公知方法)对土壤密度进行测量，测得土壤密谋为1.29g/cm3，然后再分别进行5次人工模拟降雨，每次降雨历时为30分钟。在每次人工模拟降雨前、后，应用本实例三维激光扫描仪进行坡面侵蚀发育过程动态监测研究方法对本实验模型进行扫描处理。

测量数据经地信软件空间计算后，求得降雨前后坡面土壤减少的体积量为0.72m³，并根据土壤密度进一步求得坡面的侵蚀量为928.8kg。

在降雨时可以全程记录三角集流口流出产流和产沙量，烘干称重后获得真实的坡面土壤侵蚀量为918.9kg与三维激光扫描得到的扫描侵蚀量此较发现两者相差1.08％，说明利用三维激光扫描技术进行坡面土壤侵蚀动态监测是可行。

Claims

1.利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法，包括以下步骤：

a)划定测量区域，测定测量区域的土壤密度；在测量区域边界贴一圈反光材料贴纸，然后用三维激光扫描仪对待测区域进行扫描，使得待测区域不同部位都生成点云数据；

b)对各站点的扫描数据进行统一拼合得到原始数据；

d)将裁剪后生成的点云数据抽稀后导入地理信息系统软件，分析降雨前后待测区域的体积变化；根据已测定的土壤密度和待测区域体积的变化量，计算次降雨侵蚀量的变化。

2.根据权利要求1所述的利用三维激光扫描技术动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法，其特征在于：所述的三维激光扫描仪的测站位置要求全览所有三维激光扫描仪的靶标。

3.根据权利要求2所述的利用三维激光扫描动态监测坡面尺度侵蚀发育过程的研究方法，其特征在于：所述的三维激光扫描仪的靶标为5个。