3D激光掃描測(cè)量開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目堆棄土邊坡侵蝕強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

何元慶，魏建兵，郭彥娟，陸衛(wèi)星，劉 慶，劉 平，程 炯

(1.廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東廣州510650;2.廣州市水土保持監(jiān)測(cè)站，廣東廣州510006;3.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東廣州510640)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各地各類(lèi)項(xiàng)目建設(shè)造成的人為水土流失問(wèn)題日益突出。相比于自然狀態(tài)下的水土流失發(fā)生發(fā)展過(guò)程而言，項(xiàng)目建設(shè)造成的水土流失具有突發(fā)性、強(qiáng)度高、危害大等特點(diǎn)［1］。2002年國(guó)家頒布實(shí)施的《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 277—2002)，將開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)單獨(dú)列出，對(duì)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目的水土流失監(jiān)測(cè)技術(shù)、方法作出了原則性規(guī)定，并在監(jiān)測(cè)方法中明確提出應(yīng)積極鼓勵(lì)采用新技術(shù)新方法［2］。在開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案編制和日常水土保持監(jiān)督檢查工作中，水土流失量的變化情況和水土流失強(qiáng)度是重要的計(jì)算和檢查指標(biāo)［3］。目前，地面觀測(cè)土壤流失量的傳統(tǒng)測(cè)量方法有徑流小區(qū)法、測(cè)釬法、侵蝕溝量測(cè)法、沉沙池法和控制站法等，這些測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中往往存在著工作量大、設(shè)備落后、測(cè)量精度低、主觀隨意性大等問(wèn)題［4］。

針對(duì)目前開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備比較傳統(tǒng)和落后的情況，國(guó)內(nèi)如黃河水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、中科院水利部水土保持研究所等一些研究機(jī)構(gòu)，引進(jìn)3D激光掃描儀，在各自的人工降雨基地進(jìn)行了水土流失監(jiān)測(cè)方面的試驗(yàn)研究，但其主要的目的是應(yīng)用土槽或徑流場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)儀器的測(cè)量精度［5］，而將該設(shè)備應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)研究的還很少見(jiàn)。作為新技術(shù)和新方法，3D激光掃描已經(jīng)逐步應(yīng)用于考古、文物保護(hù)、土木工程、醫(yī)學(xué)、應(yīng)急服務(wù)等領(lǐng)域［6］，但正如前面所述，目前在水土保持監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。因此，選擇典型的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目和典型的流失類(lèi)型，開(kāi)展該儀器在水土流失測(cè)量中的操作規(guī)程和精度檢驗(yàn)研究具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)研究區(qū)位于廣州市太平鎮(zhèn)順興采石場(chǎng)，該地區(qū)地貌以丘陵、谷地為主，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫21.4℃，年平均降水量1776 mm，降水主要集中在汛期4—9月，期間降水量占全年的80.8%。項(xiàng)目區(qū)的海拔在100 m左右，土壤以赤紅壤為主，由花崗巖風(fēng)化而成，土層疏松，透水性強(qiáng)，持水力差，在植被退化或工程擾動(dòng)的情況下極易造成嚴(yán)重的水土流失。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)條件的復(fù)雜性和擾動(dòng)的頻繁性，使得很難用掃描儀將所有的水土流失防治責(zé)任范圍和流失類(lèi)型記錄下來(lái)。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的可達(dá)性和可操作性，在生產(chǎn)運(yùn)行期選擇干擾相對(duì)較少的排土場(chǎng)、典型的水土流失類(lèi)型和典型的水土流失坡面，進(jìn)行土壤流失強(qiáng)度的3D激光掃描監(jiān)測(cè)，并在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了測(cè)釬小區(qū)進(jìn)行水土流失強(qiáng)度測(cè)量比較研究。

2.1 3D激光掃描儀

本研究使用廣州市水土保持監(jiān)測(cè)站引進(jìn)的徠卡HDS高清晰測(cè)量系統(tǒng)ScanStation2三維激光掃描儀。掃描速度50000點(diǎn)/s，全方位視角360°×270°，掃描距離約為300 m(90%反射率)和134 m(18%發(fā)射率)，是目前使用界面友好、測(cè)量精度較高的測(cè)繪儀器，本次研究設(shè)定掃描距離為30 m、點(diǎn)云空間分辨率為0.01 m。

2.2 測(cè)釬與掃描監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的選取

為與常規(guī)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，以確定掃描儀在野外特定類(lèi)型坡面土壤流失強(qiáng)度測(cè)量上的精度，將測(cè)釬小區(qū)與掃描小區(qū)選取在同一位置。小區(qū)均為矩形，尺寸(寬×斜高)為10 m×12 m，坡向北偏東40°，觀測(cè)場(chǎng)坡度θ為35°，坡長(zhǎng)15 m。監(jiān)測(cè)前先將直徑1.4 cm、長(zhǎng)100 cm的20根鋼釬沿鉛垂方向打入測(cè)釬小區(qū)坡面，每行4根每列5根，行距3 m、列距2 m，每根標(biāo)樁打至釘帽與坡面相距10 cm，并在釘帽上涂上便于識(shí)別的紅漆，編號(hào)記錄。

2.3 數(shù)據(jù)采集與分析

在2011年雨季，以大約1個(gè)月為監(jiān)測(cè)周期進(jìn)行了5次監(jiān)測(cè)，測(cè)釬和掃描監(jiān)測(cè)在同一天進(jìn)行，一般以2～3次大到暴雨為間隔，每次掃描記錄坡面土壤形態(tài)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用系統(tǒng)配置的Cyclone軟件進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)后處理和計(jì)算分析，并同日記錄釘帽露出地面與上一次的高度差，供室內(nèi)分析土壤流失量。

3 結(jié)果與分析

3.1 掃描監(jiān)測(cè)

3D掃描通過(guò)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)降噪、地形建模和土方量計(jì)算，最后獲得各個(gè)監(jiān)測(cè)間隔期的土壤流失量。圖1為5次掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(分別為4月19日、5月18日、6月21日、7月22日、8月31日)，圖2為系統(tǒng)軟件處理后的小區(qū)水土流失過(guò)程中坡面地形的三維顯示。雨季中，在降雨沖刷侵蝕下，坡面發(fā)生了面狀侵蝕—細(xì)溝侵蝕—切溝侵蝕等過(guò)程。掃描數(shù)據(jù)計(jì)算的土方量及其在監(jiān)測(cè)期間的變化如表1所示。監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的6—7月份的土壤流失量最大，平均土壤侵蝕強(qiáng)度62417 t/(km2·a)(由于大部分水土流失發(fā)生在雨季，所以以雨季的流失量代表全年的)，屬劇烈侵蝕。

表1 監(jiān)測(cè)期間土方量及其變化

3.2 測(cè)釬監(jiān)測(cè)

該排土場(chǎng)是試驗(yàn)前幾個(gè)月堆積成的，測(cè)釬小區(qū)的鋼釬與土體會(huì)產(chǎn)生沉降，鋼釬內(nèi)的土體也會(huì)產(chǎn)生沉降。考慮到只有鋼釬內(nèi)的土體沉降才對(duì)測(cè)釬法產(chǎn)生影響，因此實(shí)際流失(侵蝕)厚度計(jì)算公式為［2］

式中:Z為實(shí)際土壤流失厚度，mm;Z0為土壤流失厚度(觀測(cè)值)，mm;β為鋼釬內(nèi)土體的沉降高度，mm。

計(jì)算出實(shí)際土壤流失厚度，采用下式計(jì)算土壤流失量:

式中:ST為土壤流失總量，kg;S為簡(jiǎn)易土壤流失觀測(cè)場(chǎng)面積，m2;Z為實(shí)際流失厚度，mm;γ為流失(侵蝕)泥沙容重(密度)，kg/m3;θ為簡(jiǎn)易土壤流失觀測(cè)場(chǎng)坡度，(°)。

通過(guò)對(duì)水蝕測(cè)釬法觀測(cè)記錄表進(jìn)行整理，土壤容重取1480 kg/m3，根據(jù)對(duì)照觀測(cè)β取0.112Z0，運(yùn)用上述兩個(gè)公式計(jì)算，得出測(cè)釬小區(qū)在4月19日到8月31日這個(gè)時(shí)段內(nèi)的土壤流失量，見(jiàn)表2。土壤侵蝕強(qiáng)度為54140 t/(km2·a)。

表2 各監(jiān)測(cè)時(shí)段的測(cè)釬法土壤流失監(jiān)測(cè)結(jié)果

鋼釬監(jiān)測(cè)結(jié)果與掃描監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，其結(jié)果要偏小一些，偏差為13.26%。原因在于，鋼釬記錄的數(shù)據(jù)只是其所在局部點(diǎn)位的土壤厚度變化情況，而無(wú)法反映其他部位如釬間侵蝕溝的侵蝕量，因此結(jié)果會(huì)偏小，而掃描儀點(diǎn)云間距設(shè)計(jì)精度高，基本能夠完全記錄面蝕和所有大小溝蝕造成的水土流失量。因此，相對(duì)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，3D掃描法監(jiān)測(cè)的精度有較大提升。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)選擇開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中典型的水土流失坡面，進(jìn)行3D激光掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用精度研究，初步得出如下結(jié)論和建議:

(1)在同一水土流失坡面同時(shí)期的監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)鋼釬法監(jiān)測(cè)結(jié)果與用3D激光掃描法監(jiān)測(cè)的結(jié)果偏差為13.26%，3D激光掃描儀具有較高的土壤形態(tài)變化記錄性能，相對(duì)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法具有較高的監(jiān)測(cè)精度。

(2)開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目形成的堆棄土坡面一般具有土質(zhì)疏松、易于沉降的特點(diǎn)，實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中土方自然沉降的問(wèn)題不容忽視，需要設(shè)置土方沉降的標(biāo)記，計(jì)算沉降系數(shù)，以校正該條件下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這樣監(jiān)測(cè)的結(jié)果才更準(zhǔn)確、客觀。

(3)土壤流失初期，坡面會(huì)產(chǎn)生很多細(xì)溝，為提高掃描監(jiān)測(cè)的精度，還需要提高點(diǎn)云間距精度(掃描分辨率)，一般的激光掃描儀該參數(shù)精度可達(dá)到2 mm，能夠保證記錄水土流失引起的面蝕和所有大小溝蝕造成的土壤流失量。另外，由于掃描儀的原理是通過(guò)障礙物激光反射測(cè)量標(biāo)的物的形態(tài)，單站掃描會(huì)出現(xiàn)一些盲點(diǎn)，需要在目標(biāo)周?chē)嘣O(shè)幾個(gè)掃描站位，通過(guò)點(diǎn)云拼接和疊加消除盲點(diǎn)。因此，在本次研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定更高的掃描分辨率和更多的站位，監(jiān)測(cè)精度還有較大的提升空間。

(4)本次研究中，無(wú)論是測(cè)釬法還是掃描法，所監(jiān)測(cè)到的土壤流失量都非常大，主要有如下幾方面原因:①該排土場(chǎng)是試驗(yàn)前幾個(gè)月堆積成的，堆體松散，降雨后流失量大;②該排土場(chǎng)的土質(zhì)由花崗巖風(fēng)化而成，含沙量比較高，土層疏松，屬于沙壤土質(zhì)，透水性強(qiáng)，持水力差，加劇了水土流失;③所監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位處于排土場(chǎng)的下坡位，降雨時(shí)上方的雨水集中下泄，水流對(duì)坡面的劇烈沖刷造成嚴(yán)重的溝蝕;④南方夏季的臺(tái)風(fēng)雨天氣降雨強(qiáng)度大、歷時(shí)長(zhǎng)，水蝕嚴(yán)重;⑤監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的地表完全裸露，沒(méi)有任何水土保持防護(hù)措施。因此，本次所監(jiān)測(cè)到的土壤流失強(qiáng)度僅為代表特定流失類(lèi)型特定監(jiān)測(cè)時(shí)段的情況。

(5)利用3D掃描儀進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)，是提升水土保持監(jiān)測(cè)精度的發(fā)展方向，但還需要針對(duì)不同的項(xiàng)目、不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和不同的監(jiān)測(cè)時(shí)段進(jìn)行更多的研究。比較3D掃描法與常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法之間所獲得數(shù)據(jù)的差異性，可為采用新技術(shù)新方法進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

［1］胡續(xù)禮，楊樹(shù)江.開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)［J］.治淮，2007(1):32－33.

［2］SL277—2002，水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］劉鵬.云南省開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)若干問(wèn)題的探討［J］.中國(guó)水土保持，2011(2):32 －33.

［4］喻權(quán)剛.新技術(shù)在開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.水土保持通報(bào)，2007，27(4):5－9.

［5］張鵬，鄭粉莉，王彬，等，高精度GPS，三維激光掃描和測(cè)針板三種測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)溝蝕過(guò)程的對(duì)比研究［J］.水土保持通報(bào)，2008，28(5):11 －20.

［6］徐進(jìn)軍，余明輝，鄭炎兵.地面三維激光掃描儀應(yīng)用綜述［J］.工程勘察，2008(12):31 －34.