FARO三维激光扫描仪在坡面土壤侵蚀过程监测中的应用.docx

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FARO三维激光扫描仪在坡面土壤侵蚀过程监测中的应用

FARO三维激光扫描仪在坡面土壤侵蚀过程监测中的应用

摘要：

中国是世界上水土流失最为严重的国家之一，水土流失分布范围广、面积大，为了更好地解决水土流失造成的制约经济、社会、政治、文化协调发展的严重问题。

本文以黄土高原坡面模型为例,通过模拟天然降雨为动力条件对黄土高原土壤侵蚀冲刷现象，获取不同的土壤侵蚀量和侵蚀沟的演变过程，分析土壤侵蚀机理，论述三维点云数据获取、数据处理、数据分析、数据应用的基本方法，分析土壤细沟侵蚀、浅沟侵蚀、切沟侵蚀、冲沟侵蚀的演变机理，对于制定治理水土流失方案，科学指导水土保持措施配置有重要的实践意义。

关键词：

三维激光扫描仪；点云数据；侵蚀；坡面形态；细沟；

FARO3DLaserScannerintheProcessofSoilErosioninSlopeMonitoring

Abstract：

Chinaisoneoftheworld'smostserioussoilerosioninthecountry,thedistributionofawiderangeofsoilerosion,largearea,inordertobetteraddresstheseriousproblemsofsoilerosioncausedbytheconstraintoneconomic,social,politicalandculturaldevelopmentof.Inthispaper,theLoessPlateauslopemodel,forexample,thephenomenonoferosionSoilErosionpoweredbysimulatingnaturalrainfallconditions,accesstotheevolutionofthedifferentsoilsanderosiongullyerosion,andsoilerosionmechanismanalysis,discussesthe3Dpointclouddataacquisition,dataprocessing,dataanalysis,basicmethodsofdataapplications,analysisofsoilrillerosion,ephemeralgullyerosion,gullyerosion,gullyerosionevolutionmechanismforthedevelopmentofprogramstocontrolsoilerosion,waterconservationmeasuresscientificguidancehasimportantpracticalconfigurationsignificance.

Keywords：

3Dlaserscanner；Pointclouddata；Erosion；Slopeform；Rill；

三维激光扫描技术是一种先进的全自动、高精度、立体式扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项具有划时代意义的新型测绘技术，使测绘数据的获取方法、服务水平、数据处理等进入一个全新的发展阶段[1]。

三维激光扫描仪获得的原始数据为点云数据，点云数据是大量扫描离散点的集合体，是指通过3D扫描仪获取的海量点云数据，扫描资料以点的形式记录，每一个点包含有三维坐标（X、Y、Z），有些可能含有颜色信息（RGB）或反射强度信息（Intensity）[2]。

颜色信息通常是通过相机获取彩色影像，然后将对应位置像素的颜色信息（RGB）赋予点云中对应的点。

强度信息的获取是激光扫描仪接收装置采集到的回波强度，此强度信息与目标表面材质、粗糙度、入射角方向、仪器的发射能量以及激光波长有关。

三维激光扫描的主要优点是实时性、主动性、适应性好，经过简单的处理便可以满足多种情况的应用需求，包括满足输出到CAD或其它成图软件如ArcGis的要求[3]。

二十世纪九十年代末，激光测量技术得到巨大发展，在很多领域都取得了成功。

尤其是以三维激光扫描测量技术为代表的激光测距技术的发展，使激光测量技术在以下几个方面得到突破：

激光测距从一维测距向二维、三维扫描发展；

实现无合作目标快速高精度测距；

实现测量数据（距离和角度）的自动采集和传输[3]。

　三维激光扫描仪作为一种新型的非接触式海量高精度数据获取手段，在国内外的众多领域得到了广泛应用，已成为空间数据获取的重要手段[3]。

特别是机载激光扫描系统发展很快,已经用于快速获取大面积三维地形数据[4]，基于地面的三维激光扫描系统目前正引起广泛的关注,是三维激光扫描发展的一个重要方向。

目前国内三维激光扫描仪在建筑与土木工程（如城市规划、数字城市、隧道工程、公路验收、沉降监测、建筑结构安全检查、城市灾害分析、桥梁改造、铁路建设、机场及港口建设）；文物遗产保护（如古建筑保护、遗址挖掘保护、古生物记录、数字博物馆）；地质与科研应用（如地形测绘、滑坡监测、矿区作业、林业绿量）；电力与水利应用（如变电站、电力巡线、水库大坝）；制造业及数字工厂（如工厂设施、检测和逆向工程、航空、船舶制造）；公共安全应用（如交通事故、犯罪现场）等领域有着很广泛的用途。

传统测量方式是单点采集数据,获取的是单点数据,而三维激光扫描测量技术不需要合作目标,可以自动、连续、快速地获取目标物表面的密集采样点数据,获取的信息量也从点的空间位置信息扩展到目标物的纹理信息和颜色信息,并且拥有许多自己独特的优势,如:

①数据获取速度快、实时性强；②数据量大,精度较高；③主动性强,能全天候工作；④全数字特征,信息传输、加工、表达容易[5]。

细沟侵蚀是坡面地表土壤侵蚀的主要方式之一，是非常复杂的土壤侵蚀过程，研究细沟侵蚀过程及其影响机制一直是土壤侵蚀领域研究的热点和重点。

关于降雨强度、降雨量、土壤性质、坡度、坡长、坡形、土壤前期含水量等众多因素对土壤细沟侵蚀影响以及不同因素组合情况下细沟侵蚀过程的研究已经取得了丰硕的成果[6-9]。

蔡强国等[6]、M.J.Singer等[7]研究表明表土结皮的形成对细沟的形成和发展有着很大的影响。

以往许多学者对细沟侵蚀的发育演变过程进行了详细而全面的研究,但还未充分认识和掌握细沟侵蚀的形成和演化机理。

受以往的研究条件和手段的局限,目前太多的研究方向集中在细沟产生的临界条件、影响细沟侵蚀的因素、细沟形态及细沟发育过程的主观描述和产流产沙过程阶段,且集中在单次降雨条件下的细沟发育过程的研究。

为了研究坡面土壤在不同坡度、不同地形地貌情况下的水土流失情况，更好的阐明坡面土壤水土流失的详细细节问题，个人认为：

研究细沟侵蚀的动态演化过程,细沟侵蚀所处的不同阶段（小跌水、下切沟头、断续细沟、连续细沟、细沟网等）的冲刷侵蚀过程,这些研究分析需要从无细沟坡面土壤到细沟产生进行多场次不同雨强降雨冲刷,再利用三维激光扫描仪对每一阶段土壤表面细微地形变化过程进行扫描监测，这样对坡面细沟发育过程实现的全方位监测，弥补了以往诸多学者研究的不足。

因此,通过室内人工降雨系统模拟降雨实验,结合三维激光扫描仪对各场次降雨后坡面土壤地表扫描监测,研究同一坡面经过多场降雨地形地貌发育过程以及相应的泥沙径流量和侵蚀量的变化过程。

这项研究为解释土壤侵蚀过程有一定的实际意义,对于制定水土流失治理方案，科学指导水土保持措施配置有重要的实践意义。

1三维激光扫描仪简介及工作原理

1.1简介

1.1.1FAROFocus3D三维激光扫描仪

图1　FARO的Focus3D三维激光扫描仪

本文采用FARO的Focus3D三维激光扫描仪（见图1），结合三维激光扫描仪的基本工作原理,探讨从数据获取到应用的整个流程，通过对黄土高原坡面模型（见图2）的数据扫描、数据处理、数据分析、数据应用,论述采用三维激光扫描仪获取空间数据的流程,从而制定治理黄土高原水土流失及治理方案，科学指导水土保持措施配置的研究。

图2　黄土高原坡面模型

1.1.2FARO的Focus3D三维激光扫描仪特点：

Focus3D三维激光扫描仪具有以下优点：

①小巧方便，Focus3D是现今最小最方便的扫描仪；②触摸屏，FARO在用户友好方面建立了一个新标准；③集成彩色相机，7000万像素的全真三维图像；

SD卡，SD卡可以更安全储存数据，并且实现与电脑的瞬间传输数据处理和接口，利用工业级标准的自动注册软件可以自动处理数据；

高效电池，内置电池使用五个小时，充电快速，而且在操作过程中即可更换。

1.2工作原理

1.2.1三维激光扫描测量系统工作原理

地面三维激光扫描系统基本由地面三维激光扫描仪、系统软件、电源、附属设备构成，随着制造业的快速发展，设备向高集成度一体化方向发展。

地面的三维激光扫描仪类型很多,如有Leica公司的HDS系列,奥地利Riegl公司出品的LMS2Z420i，Trimble公司生产MensiGS200三维激光扫描仪等,不同设备制造商的扫描仪获取的数据质量（例如:

分辨率、精度、扫描速度、激光射束发散性）不同,但三维激光扫描仪的基本工作原理在本质上都是相同的[10]。

三维激光扫描仪的基本构造包括：

一台高速精确激光测距仪、一组引导激光并以均匀角速度旋转的反射棱镜，通过传动装置的运动扫描,完成对目标物体表面全方位扫描,然后通过内置计算机实时进行数据整理,经过一系列处理后获取目标表面的点云数据。

激光测距仪由激光发射器、接收器、时间计数器、微电脑组成。

激光测距主要应用两种测量原理：

脉冲测时测距和激光相位差测距。

脉冲式测距包括以下过程,激光发射器周期地驱动激光二极管发射激光脉冲,同时接受由目标表面后向反射信号,利用稳定的石英钟对发射与接收时间差作计数,利用微电脑计算仪器和扫描点间的距离。

相位式测距则是通过测定激光在待测距离上往返传播所产生的相位延迟而间接测定传播时间,从而求得待测距离，与脉冲式测距相比相位式测距速度更快[11]。

三维激光扫描仪的原始观测数据主要包括:

①根据两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到的激光束的水平方向值和竖直方向值；②根据激光传播的时间计算得仪器到扫描点的距离,根据这个距离,再配合激光束的水平方向角和垂直方向角,可以得到每一扫描点相对于仪器的空间相对坐标,如图3所示；③扫描点的反射强度等，根据前两种数据计算扫描点的三维坐标,扫描点的反射强度则用来给反射点匹配颜色，点的表示形式为（x,y,z,reflectivity）不仅包含点的空间位置还包含点的反射强度[2]。

图3地面三维激光扫描仪扫描系统定位原理

三维激光扫描仪的工作过程,实际上就是一个不断数据采集和处理过程,它通过具有一定分辨率的空间点坐标（x，y，z）,其坐标系是一个与扫描仪设置位置和扫描仪姿态有关的仪器坐标系所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果[12]。

1.2.2三维激光扫描测量的定位原理

地面三维激光扫描测量系统对物体进行扫描后采集到的空间位置信息是以仪器特定的坐标系统为基准的,这种特殊的坐标系称为仪器坐标系,不同仪器采用的坐标轴方向可能不尽相同,通常其定义为：

坐标原点位于激光束发射处,Z轴位于仪器的竖向扫描面内,向上为正；X轴位于仪器的横向扫描面内与Z轴垂直，且垂直于物体所在方向；Y轴位于仪器的横向扫描面内与X轴垂直，且与X轴、Y轴一起构成右手坐标系，同时Y轴正方向指向物体[13]。

三维激光扫描点的坐标（x,y,z）在图3中计算公式为

X=Scosθsinα,

Y=Scosθcosα,

（1）

Z=Ssinθ.

式中：

θ为激光束的竖直方向角,α为激光束的水平方向角,S为仪器到扫描点的斜距。

1.2.3三维激光扫描数据处理

想要利用三位激光扫描仪获取的目标物点云数据满足相应的需求,必须经过一系列的数据处理过程,三维激光扫描数据处理可分为两个步骤:

扫描数据的预处理和最终产品，常用的数据处理工作流程如图4所示：

图4　三维激光扫描数据处理流程图

数据预处理是指扫描完成后直接在点云数据上的处理操作,包括数据拼接、坐标纠正、数据滤波、地理参考、数据分割、曲面拟合和格网建立等。

数据拼接是为了能够保证完全覆盖目标区域，采取对目标区域进行多站扫描，扫描结束后将数站数据拼接在一起，使目标区域成为一幅完整的点云数据；坐标纠正是在扫描区域中设置控制点或标靶点,使得相邻区域的扫描点云图上有3个以上不在同一条直线上的同名控制点或控制标靶，通过控制点的强制附合注册,将相邻的扫描点云数据图统一到同一个坐标系下；数据滤波主要是为了减少数据的噪声点，减小数据误差；地理参考是把仪器坐标系下的点云数据转化到当地或全球坐标系统下；数据分割是将点云数据划分到不同的点云子集中,每个点云子集代表同一种曲面形式；曲面拟合是运用数学方法确定点云子集所属表面类型的数学形式；格网建立时在点云数据上的三角网建立，为建立模型做准备[14]。

最终的产品形式主要有3D模型、格式文件（DXF、PTX、PTS、TXT）等、正射影像；在3D模型上可以提取等高线、剖面图等，利用导出的格式数据文在可以在CAD、Arcgis中进行进一步处理，进而生成不同的产品，如TIN、DEM等。

2实验过程

2.1实验设计

实验是对黄委会水土保持研究所（郑州花园路水科路）黄土高原坡面模型扫描,采用FAROFocus3D三维激光扫描仪和处理软件SCENE处理数据,FARO的Focus3D的主要技术指标：

Focus3D控制简单，设计紧凑，能够适用于各种情况，包括建筑物建档，施工监测，逆向工程，文物保护以及犯罪现场调查等，采用相位式测距法,扫描速度976,000点/秒，精确度达到毫米级,扫描最大距离为120m，采用直观的触摸屏，高独立性，无需额外的电缆或者笔记本。

尺寸为24*20*10cm，质量5Kg，携带方便。

还有一个功能是可以无线连接移动终端，如手机、平板电脑、掌上计算机等等，通过便携移动终端无线连接扫描仪，从而进行远程遥控操作，这一功能的优点在于要扫描测量人员不便进入的空间位置或者对操作人员有一定的危险性位置，测量操作人员可以通过无线移动终端连接到扫描设备对扫描仪远程遥控。

扫描前进行的准备工作：

首先要对扫描模型目标物区域进行现场堪踏,通过现场勘踏以确定扫描顺序,扫描的测站数、测站位置,标靶数，标靶位置。

由于黄土高原坡面模型规模较小，模型是参照黄土高原沟壑发育的地貌按一定比例缩小堆砌而成的，地貌形状比较简单，因此想要获取黄土高原淤洪坝模型表面的完整点云数据仅须进行一站扫描。

扫描黄土高原淤洪坝模型的扫描距离为20m—27m,扫描分辨率设置为1/3分辨率,采样颜色为黑白，经过估测扫描，数据的扫描预估时间为3'15"，水平扫描角度为30°，竖直扫描角度均为-70°～90°，这些设置经过勘踏和粗测，能够保证在整个实验扫描过程中扫描到整个模型。

本次实验的扫描站点设置在人工降雨支架之上，FAROFocus3D的扫描距离为120m,人工降雨系统高24m，这个距离在扫描仪器的有效工作范围之内，扫描方向为俯瞰扫描。

实验计划每次降雨之后扫描1站。

由于黄土高原淤洪坝模型面积较小,因此主要采用球标靶,放置黄土高原坡面模型的四个边角上（如图5），球标靶一旦放置，在整个实验结束之前，不能触碰和移动，一旦球标靶移动，会导致扫描数据精度降低，甚至导致整个实验扫描的失败。

图5　三维激光扫描仪球标靶位置图

实验过程采用顶部喷头自动降雨系统，喷头距离地面高度为23m。

实验降雨强度按1.0mm/min、2.0mm/min、3.0mm/min顺序循环。

实验所用模型设计规格：

分一支沟、二支沟、三支沟，模型下端设集流装置,用来收集径流泥沙样品。

土壤取自黄河岸耕地表层土作为实验用土，土壤颗粒以细沙粒土和粉粒土为主，坡面初始处理为平整曲面裸坡。

降雨径流产生后每隔2min取1次样,18分钟后每隔5分钟取一次样，用烘焙法测量获得瞬时径流含沙量。

用高锰酸钾溶液染色测定各支沟内表层水流最大流速。

试验模型在堆砌完成后第一次降雨之前先用FAROFocus3D三维激光扫描仪对目标物地表先进行第一次扫描,获取的坡面点云数据记作A0（本次实验坡面地形扫描误差控制在2mm范围之内）。

扫描完成后进行第1次人工模拟降雨,雨强为1.0mm/min，至沟壑内积水出现漫过淤洪坝时结束，然后等待各支沟及坡面表面积水下渗完毕无积水时，进行第二次模型表面扫描，获得模型表面点云数据记作A1。

A1扫描结束后,以2.0mm/min雨强继续进行第2次降雨,降雨下渗无积水后再次扫描地表得点云数据记作A2。

扫描完毕，以3.0mm/min降雨强度再次进行降雨，结束静置无水后进行扫描，获得点云数据记作A3。

按照1.0mm/min、2.0mm/min、3.0mm/min雨强顺序循环重复上述操作，依次记作A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12。

本次实验共降雨12次，扫描13次。

2.2数据处理

2.2.1标靶坐标纠正

坐标纠正有两种方法,即采用球标靶纠正和点云纠正。

第一种适用条件是相邻两个测站之间有3个或3个以上公共标靶点,利用公共标靶作为约束条件进行纠正。

后一种方式是两测站之间公共标靶数不足3个或无标靶,采用同名点进行纠正,这种方式误差较大。

要转为实测坐标,还需导入3个以上标靶的测量坐标,把仪器坐标系下的标靶坐标纠正成到实际测量坐标,这样所有的点云数据转换为公用坐标系下的坐标方便对比分析。

由于此次扫描球标靶有4个,采用球标靶纠正方法,纠正后的点云图如图6所示。

图6　三维激光扫描点纠正后的点云图

实验采用第一次仪器扫描数据测得球标靶坐标作为参考坐标系，用于把实验扫描获得的所有点云数据纠正到参考坐标系下,坐标系文件格式保存为为.csv格式,使用时直接将该文件拖进数据处理软件SCENE的操作界面即可完成所有数据的转换统一。

本次实验测得4个球标靶的测量坐标,如表1所示。

表1　标靶的测量坐标（单位：

m）

球标靶号

X坐标系

Y坐标系

Z坐标系

1

2

3

4

14.483084

16.605927

4.827024

2.781693

-1.258903

-5.248828

-5.753041

-0.768835

12.043856

11.831678

12.102627

11.825369

由于球标靶坐标系中X、Y、Z中存在负值，为了便于数据的分析比较，同时对X、Y值加500予以坐标平移，使数据都为正值，平移依旧保存为.csv格式文件，作为此次整个实验过程数据处理的控制坐标系，获得平移后的坐标系如表2

表2　标靶的纠正坐标（单位：

m）

球标靶号

X坐标系

Y坐标系

Z坐标系

1

2

3

4

514.483084

516.605927

504.827024

502.781693

498.741096

494.751172

494.246958

499.231165

12.043856

11.831678

12.102627

11.825369

2.2.2数据滤波

扫描黄土高原淤洪坝模型时如遇遮挡物（如此次实验过程中放置在模型上方的横铁杆和高速摄像机）就会在点云数据表面形成空洞，即噪点数据。

通过对点云的分割和滤波,除去各测站点扫描获得云图的噪声点,包括非目标物采样点,如横铁杆、降雨系统喷头等，进而提取出目标物的点云数据，对滤波后数据进行裁剪，将模型周围的点云数据裁剪掉，获得模型表面的点云数据，从而达到去除冗余数据，减小数据量的目的，如图7所示。

图7　三维激光扫描模型表面点云数据图

经过对扫描数据一系列处理后，可以根据需要导出数据，如DXF、PTX、PTS、TXT等，这些数据文件可以在CAD、ArcGis等软件中进一步处理后得到相关产品。

3结果与分析

3.1同一坡面连续多场次降雨产流过程分析

表3　降雨径流的主要特征参数

降雨场次

降雨强度（mm/min）

泥水总重

（g）

平均泥水重（g）

泥沙总重

（g）

平均泥沙重

（g）

平均输沙率

（1）

第三场

第四场

第五场

第六场

第七场

第八场

第九场

第十场

第十一场

3.0

1.0

2.0

3.0

1.0

2.0

3.0

1.0

2.0

6885.5000

3998.9000

5542.6000

7078.0000

3639.2000

4274.6000

8820.9000

4127.7000

6519.6000

573.7917

333.2417

461.8833

589.8333

303.2667

328.8154

678.5308

375.2455

592.6909

1077.5000

844.0000

1035.1000

1473.7000

626.0000

677.5000

1719.7000

573.4000

1630.7000

89.7917

37.0092

63.1642

99.2150

37.0033

52.1154

118.7140

52.1273

94.9033

15.6488%

11.1058%

13.6754%

16.8209%

12.2016%

15.8494%

17.4957%

13.8915%

16.0123%

表3反映的是同一坡面经过多场降雨径流的主要特征参数变化,通过分析表3数据可知,由于第一场降雨时土壤含水量较低，且降雨强度为1.0mm/min，雨强小，降雨初期水分下渗很快,没有产生径流。

第二场降雨在第一场降雨的基础上进行,降雨强度为2.0mm/min，雨强相对较大，在经过第一场降雨以后，坡面表层土壤含水量已经基本趋近饱和,经过持续降雨开始起流,但由于雨强依旧小，所以径流产生慢而且很小，径流水所携带泥沙量也很小。

到第三场降雨时，降雨强度为3.0mm/min，这次产流极快，径流含沙量也相对较大，径流输沙率很高。

输沙率指单位时间内单位面积坡面汇集于土槽下端集流装置中径流所携带的泥沙量（g/（m2.min））。

综合比较各场降雨径流的主要特征参数可以总结出一个趋势：

泥水总重、平均泥水重、泥沙总重、平均泥沙重和降雨强度呈正相关关系。

比较降雨径流的主要特征参数最后一列平均输沙率数据可以看出平均输沙率随着降雨强度的增大而增加，而且每一个降雨循环也是呈现逐渐递增关系，即第四场、第七场、第十场降雨强度均为1.0mm/min，平均输沙率为11.1058%、12.2016%、13.8915%；第五场、第八场、第十一场降雨强度均为2.0mm/min，平均输沙率为13.6754%、15.8494%、16.0123%；第三场、第六场、第九场降雨强度均为3.0mm/min，平均输沙率为15.6488%、16.8209%、17.4957%，这是因为在土壤地表形成细沟以后，径流对土壤侵蚀作用有增强加剧的趋势，在降雨实验过程中,当地表土壤入渗稳定或者土壤水分饱和后，在坡面土壤表面抗蚀能力小于水流剪切力的位置,会首先出现一个个小跌落坎,这些跌落坎侵蚀不断后退形成细沟，然后细沟不断分叉、连接形成细沟网[9]。

在细沟形成的过程中，伴随着土壤的分散、搬