利用三維雷射掃描技術動態監測坡面尺度侵蝕發育過程的研究方法

2023-07-26 10:35:26

專利名稱：利用三維雷射掃描技術動態監測坡面尺度侵蝕發育過程的研究方法
技術領域：
本發明涉及一種土壤侵蝕過程動態監測的研究方法，尤其涉及一種利用三維雷射
掃描技術進行坡面尺度侵蝕發育過程動態監測的研究方法。
背景技術：
土壤侵蝕已成為全球主要生態環境問題之一，在我國表現更加突出。我國土壤侵 蝕不僅侵蝕面積大、分布範圍廣，而且侵蝕強度大、侵蝕危害嚴重，每年造成的經濟損失超 過1000億元以上。嚴重的水土流失對我國糧食安全和生態安全造成嚴重威脅，土壤侵蝕已 成為我國頭號環境問題。土壤侵蝕強度是反映土壤侵蝕危害程度、生態環境狀況和區域社 會經濟發展態勢的重要指標，是水土保持學和環境生態學研究的核心內容。但由於土壤侵 蝕發生與演變過程的複雜性及影響因素的多變性，致使坡面土壤侵蝕研究方法取得的創新 性研究成果較少。 目前，常用的坡面土壤侵蝕研究方法有徑流小區法、插釺法、填土法、侵蝕溝體積 量測法、地形測針法和元素示蹤法及幾何攝影測量、雷射微地形掃描、大比例尺航空攝影測 量和高精度全球定位系統(GPS)測量等方法。徑流小區觀測法是坡面土壤侵蝕觀測常用的 方法；但由於受觀測設備(如徑流分水箱的分水不均勻性及泥沙樣採集的不準確性)的影 響，使坡面侵蝕量估算存在較大誤差。插釺法、填土法和侵蝕溝體積量測法儘管在實驗數據 和數據分析方面易於掌握，但受人為因素影響較大，使分析結果往往與實際有較大的偏差， 而且測量過程對坡面侵蝕形態造成破壞，導致測量結果的不準確性增大。元素示蹤法是利 用天然核素^Cs、，Pbex、786或稀土元素(REE)等具有的固定半衰期化學元素進行坡面土 壤侵蝕監測。其理論基礎基於質能守恆定律，通過測定不同歷時條件下不同坡面部位土壤 吸附大氣沉降物中半衰期元素的含量；根據相關模型估算坡面不同部位土壤侵蝕狀況，進 而確定坡面土壤侵蝕分布規律。但由於土壤對不同示蹤元素吸附能力不同，尤其是受估算 方程精度及經驗方程無法求得唯一解的限制，導致坡面土壤侵蝕量估算的不確定性。幾何 攝影測量技術存在測量範圍小，投影變形大及對地面坡度反應過於敏感等缺陷，致使該技 術在土壤侵蝕方面的應用受到極大的限制。雷射微地形掃描技術僅適用於很小坡面尺度
(小於5m2) 土壤侵蝕監測，且需要在暗光條件下進行測量，使其應用受到極大限制。大比例 尺航空攝影測量技術是利用正射攝影在高空拍攝連續的大比例尺航空相片，然後進行相片 的後期處理；但高空飛行器(如熱氣球)受氣流的紊動性影響較大，從而對相片數據的採集 造成偏差，且執行這類航攝任務的手續繁雜、周期較長、成本費用高、經濟效益差；現者現有 的航空攝影專業單位一般很難承擔分散的小面積區域測量，限制了攝影測量技術在土壤侵 蝕監測中的應用。高精度GPS測量方法受精度誤差、信號傳輸誤差和接收機誤差三部分的 影響，且其後期圖像處理受測量點數的多少的影響較大，尤其在坡面小尺度的測量誤差凸 顯，因此不適應於坡面小尺度土壤侵蝕動態監測。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用三維雷射掃描技術動態監測坡面尺度侵蝕發育過 程的研究方法，該方法快速、準確、精度高，尤其適用於坡面尺度土壤侵蝕動態監測。
本發明利用三維雷射掃描技術動態監測坡面尺度侵蝕發育過程的研究方法，包括 以下步驟 a)劃定測量區域，測定測量區域的土壤密度；在測量區域邊界貼一圈反光材料貼 紙，然後用三維雷射掃描儀對待測量區域進行掃描，使得待測區域不同部位都生成點雲數 據； b)對各站點的掃描數據進行統一拼合得到原始數據； c)利用測量區域邊界的反光材料在原始數據中形成的亮線，進行測量區域的裁 剪； d)將裁剪後生成的點雲數據抽稀後導入地理信息系統軟體，分析降雨前後待測區 域的體積變化；根據坡面土壤密度和待測區域體積的變化量，計算次降雨土壤侵蝕量的變 化。 所述的反光材料貼紙具有很好的反光效果，其在原始數據中形成的亮帶清楚，明顯。 所述的用三維雷射掃描儀對待測區域進行掃描，使得待測區域不同部位都生成點 雲數據，本領域技術人員可以根據待測區域的具體地形，應用本領域的普通知識選擇合適 的站點位置以及測站數量，站點的位置和數量，使三維雷射掃描儀掃描出待測區域不同部 位的數據都能生成點雲數據，以便對各站點掃描的點雲數據進行統一拼合得到待測區域的 原始數據；根據待測區地形複雜程度選取適宜站點數，至少需要3-5個站點，推薦選用5個 站點。由於地面三維雷射掃描中點雲的拼接和坐標的轉換都是靠標靶點來進行的，它在各 站點的拼接和坐標轉換中起連接點和控制點的作用，因此各測站位置優選盡全覽所有三維 雷射掃描儀的靶標。 在d)步驟中對裁剪後生成的點雲數據優選進行抽稀後，再導入地理信息系統軟
件，這樣有利於數據的後期處理。抽稀所用軟體為三維雷射掃描儀自帶軟體，通過軟體調節
點雲的密度值，得到既可以完善的表達掃描區域同時又儘可能少量的測量數據。 本發明利用一種新的技術——三維雷射掃描技術對待測區域進行掃描，以獲取坡
面土壤侵蝕信息，與現有的坡面土壤侵蝕研究方法相此，該方法具有以下優點 1)快速性應用三維雷射掃描測量技術進行目標空問數據採集，速度非常快，可
以及時測定物體表面的立體信息。 2)不接觸性應用三維雷射掃描測量技術不需接觸測量目標，可獲取被測物表面 的三維信息；因此該技術可對適用於測量人們不易到達地區的地形測量，尤其是彌補了高 精度GPS在特殊地形下無法獲取衛星信號而導致地表信息缺失的缺陷。 3)穿透性三維雷射掃描儀的雷射能穿透一定覆蓋度的植被層到達目標表面，可 對林下土壤侵蝕狀況進行動態監測。 4)實時、動態、主動性三維雷射掃描儀能主動發射測量信號，不需要外部光源， 通過探測自身發射出的高功率光線反射來得到目標信息，不受時空約束。
5)高精度、高密度三維雷射掃描測量技術是通過對目標的直接掃描來描述目標特徵，具有高精度、高密度的優點。 6)數位化、自動化三維雷射掃描測量技術可直接獲取數字距離信號，全數字特 徵，易自動化，可靠性好。 本發明在測量區域周邊粘貼一圈反光材料貼紙，該反光材料貼紙經三維雷射掃描 儀掃描後形成的點雲數據中會形成一條亮線，將所有的各站點的點雲數據進行統一拼合得 到原始數據，再根據原始數據中的亮線進行裁剪，而得到待測區域的原始數據；因此，解決 了原始數據中待測區域很難裁剪的難題，方便數據的處理。不加此反光貼紙的測量數據雖 然也可以進行裁剪，但是難度相應增加很多。 因此本發明的利用三維雷射掃描技術動態監測坡面尺度侵蝕發育過程的研究方 法具有快速、準確、精度高、密度高、實時、簡單方便、且數據容易處理的優點。


圖1是實例1的測量模型示意圖；
圖2是實例1的測站和靶標示意圖。
具體實施例方式
以下實例是對本發明的進一步說明，而不是對本發明的限制。
實例1 : 本實例根據黃土丘陵溝壑區坡溝系統空間分異特徵建造坡溝系統實體模型(圖 1)。該模型高度a :6. 01m、寬度c :3m、長度b :13m，投影面積40m2 ;且所建的坡溝系統實體 模型根據黃土丘陵區典型坡溝系統的坡面坡度變化，將該試驗土槽從坡上到坡下分成五個 坡度段，坡度值分別為5。 、10° 、15° 、20° 、35°分別對應為d、e、f、g、h段，各段投影長度 對應著lm，2m，2m，2m，5m。坡溝系統概化試驗模型下設置一個三角集流口 ，用於在降雨過程 中隨時收集坡溝系統實體模型的產流產沙量，以備驗證三維雷射掃描測量結果是否與實際 侵蝕量一致。
本模型的其他參數如下
試驗用土 陝北安塞的黃綿土 ； 裝填形式安塞原狀土，不過篩、不研磨保持土的自然結構狀態； 降雨設備側噴式的人工降雨設備； 噴頭組合形式6個噴頭對噴，噴頭距地面7. 5m ;試驗所選降雨強度50mm/h ; 降雨形式連續降雨試驗； 由於在地面三維雷射掃描中點雲的拼接和坐標的轉換都是靠標靶點來進行的，它 在各站點的拼接和坐標轉換中起連接點和控制點的作用。三維雷射掃描標靶點選擇在各個 測站都可以輕鬆掃描到的位置，每次進行坡面掃描之前都要進行靶點的掃描，為了更好的 對點雲數據進行拼接防止數據錯位，耙點的位置要做到固定統一，在本次試驗中運用防水 記號筆畫出第一次靶點的輪廓位置下次安置時按照原位擺放；如果條件允許可以進行固定 不進行移動。為了全覽測量區域的全貌，本實例根據測量模型的地形條件，在測量小區周邊 設置5個測站點和5個標靶點(圖2)，其中5個測站點分別為21、22、23、24、25， 5個標靶點分別為11、12、13、14、15，測站以及靶點的位置並沒有嚴格的要求，只要各個測站能夠使模 型的各個部位都生成點雲數據。首先在坡溝系統實體模型待測量邊界粘貼一圈反光材料貼 紙，然後在圖2中的5個測站位置進行掃描，將每次掃描的點雲數據，根據標靶進行拼接匯 總而得到原始數據，原始數據經過反光條帶形成的亮線進行室內裁剪處理，最終生成待測 區域的點狀三維圖像數據，為了該數據能夠在地理信息系統信軟體中進行處理，後期對數 據進行抽稀(屬於本領域技術人員常規知識)，得到坐標形式的點狀數據，導入地理信息系 統軟體Arcgis9. 2進行空間計算。 首先利用環刀法(公知方法)對土壤密度進行測量，測得土壤密謀為1. 29g/cm3， 然後再分別進行5次人工模擬降雨，每次降雨歷時為30分鐘。在每次人工模擬降雨前、後， 應用本實例三維雷射掃描儀進行坡面侵蝕發育過程動態監測研究方法對本實驗模型進行 掃描處理。 測量數據經地信軟體空間計算後，求得降雨前後坡面土壤減少的體積量為 0. 72m3，並根據土壤密度進一步求得坡面的侵蝕量為928. 8kg。 在降雨時可以全程記錄三角集流口流出產流和產沙量，烘乾稱重後獲得真實的坡 面土壤侵蝕量為918. 9kg與三維雷射掃描得到的掃描侵蝕量此較發現兩者相差1. 08%，說 明利用三維雷射掃描技術進行坡面土壤侵蝕動態監測是可行。
權利要求
利用三維雷射掃描技術動態監測坡面尺度侵蝕發育過程的研究方法，包括以下步驟a)劃定測量區域，測定測量區域的土壤密度；在測量區域邊界貼一圈反光材料貼紙，然後用三維雷射掃描儀對待測區域進行掃描，使得待測區域不同部位都生成點雲數據；b)對各站點的掃描數據進行統一拼合得到原始數據；c)利用測量區域邊界的反光材料在原始數據中形成的亮線，進行測量區域的裁剪；d)將裁剪後生成的點雲數據抽稀後導入地理信息系統軟體，分析降雨前後待測區域的體積變化；根據已測定的土壤密度和待測區域體積的變化量，計算次降雨侵蝕量的變化。
2. 根據權利要求1所述的利用三維雷射掃描技術動態監測坡面尺度侵蝕發育過程的 研究方法，其特徵在於所述的三維雷射掃描儀的測站位置要求全覽所有三維雷射掃描儀 的靶標。
3. 根據權利要求2所述的利用三維雷射掃描動態監測坡面尺度侵蝕發育過程的研究 方法，其特徵在於所述的三維雷射掃描儀的靶標為5個。
全文摘要
本發明公開了一種利用三維雷射掃描技術動態監測坡面尺度侵蝕發育過程的研究方法，該方法快速、準確、精度高，尤其適用於坡面尺度土壤侵蝕動態監測。它包括以下步驟a)劃定測量區域，測定測量區域的土壤密度；在測量區域邊界貼一圈反光材料貼紙，然後用三維雷射掃描儀對待測量區域進行掃描，使得待測區域不同部位都生成點雲數據；b)對各站點的掃描數據進行統一拼合得到原始數據；c)利用測量區域邊界的反光材料在原始數據中形成的亮線，進行測量區域的裁剪；d)將裁剪後生成的點雲數據抽稀後導入地理信息系統軟體，分析降雨前後待測區域的體積變化；根據坡面土壤密度和待測區域體積的變化量，計算次降雨土壤侵蝕量的變化。
文檔編號G01G17/04GK101793543SQ20101014394
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者張鵬, 王彬, 鄭粉莉 申請人:鄭粉莉;張鵬;王彬