點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀與加密對(duì)微地形數(shù)據(jù)分析的影響

魏 舟, 李光錄, 候 雷, 蔡娟娟, 劉 馨

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán), 西安 712000; 3.勉縣水土保持工作站, 陜西 勉縣 724200)

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點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀與加密對(duì)微地形數(shù)據(jù)分析的影響

魏 舟1,2, 李光錄1, 候 雷1, 蔡娟娟1, 劉 馨3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán), 西安 712000; 3.勉縣水土保持工作站, 陜西 勉縣 724200)

針對(duì)不同觀測(cè)尺度下，大起伏(20 cm耕作處理)、微起伏(耙平裸坡處理)兩種地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀、加密處理，選取地表曲率、坡向、地表糙度3種直觀的指標(biāo)對(duì)抽稀、加密處理對(duì)微地形數(shù)據(jù)分析的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示：抽稀與加密處理對(duì)于起伏較大的地形曲率影響更為明顯，對(duì)于起伏較小的地形則影響不顯著。5，10 mm數(shù)據(jù)抽稀與加密處理后坡向變化不顯著。1 mm尺度抽稀地表糙度的影響十分規(guī)律，5 mm加密與抽稀對(duì)于大起伏地形的影響十分復(fù)雜，10 mm加密對(duì)于大起伏地形糙度變化較為復(fù)雜，裸坡變化則相對(duì)規(guī)律。

微地形; 曲率; 地表糙度; 坡度

地面激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，一直是影響數(shù)據(jù)后期處理的一個(gè)難點(diǎn)，針對(duì)這一問題很多學(xué)者做出了大量的研究[1-3]。在大多數(shù)情況，對(duì)一個(gè)DEM項(xiàng)目來說，并不需要DEM表面所表達(dá)出來的全部信息，只需量測(cè)表達(dá)相應(yīng)地表所需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)以達(dá)到一定的地形表面精度和可信度即可[4]。在微地形起伏較小的區(qū)域，很高密度的激光腳點(diǎn)就顯得十分奢侈。

三維激光掃描儀更多應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，人們?cè)趯?shí)踐中也過多地使用了這種能夠快速獲取地表信息的新型儀器，與此同時(shí)激光掃描儀數(shù)據(jù)點(diǎn)密度較大，數(shù)據(jù)冗余繁雜等現(xiàn)象也出現(xiàn)在了人們的眼前[5]。張麗艷、劉春等[1-2]針對(duì)三維激光掃描技術(shù)做出了很多研究，但是這些研究主要集中在逆向工程的應(yīng)用中，三維激光掃描技術(shù)獲得的點(diǎn)較多，有時(shí)甚至可以達(dá)到每m2幾百萬個(gè)點(diǎn)，然而在地形平坦的區(qū)域只需要少量的點(diǎn)就可以清晰地表達(dá)地表形態(tài)，在較為復(fù)雜的區(qū)域則需要更多的點(diǎn)對(duì)地表進(jìn)行描述。

地形表面曲率是局部地形曲面在各個(gè)截面方向上的形狀，凹凸性變化的反映，反映了局部地形結(jié)構(gòu)和形態(tài)[6]，曲面上任何一點(diǎn)的曲率值都存在著不同的地學(xué)含義和幾何定義[7]，為了實(shí)際應(yīng)用人們提出了多種曲率：對(duì)于一點(diǎn)而言有最小曲率、最大曲率和平均曲率；針對(duì)地形表面物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、沉積物運(yùn)動(dòng)等則有剖面曲率、正切曲率和等高線曲率等。

地表粗糙度是反映地表微地形物理性狀和微地貌形態(tài)的重要指標(biāo)[8]，是地表微地貌起伏的具體體現(xiàn)，能夠直接反映地表高程的變化，目前常用的地表糙度的觀測(cè)方式有測(cè)針法、鏈條法、立體攝像法等多種方法[9]。抽稀、加密處理后導(dǎo)致采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)組織排列順序發(fā)生了較大的變化，使得觀測(cè)的坡度發(fā)生了變化，因此間接影響了曲面的面積。

在我國(guó)黃土區(qū)，人們將微地形的概念進(jìn)一步定義為：較小面積范圍內(nèi)，地表相對(duì)高程變化在5～25 cm范圍內(nèi)的一種地形特征[10]。通常情況下這種地形人為因素起伏變化比較復(fù)雜，使用掃描儀觀測(cè)此類地形顯得尤為艱難，獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)分布差異十分明顯，因此對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行抽稀、加密處理，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的排列更為合理，對(duì)于微地形觀測(cè)有很重要的影響。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，試驗(yàn)土壤為陜西楊凌當(dāng)?shù)貕v土，控制土壤容重為1.15～1.16 g/cm3，試驗(yàn)所用侵蝕槽規(guī)格為2 m×1 m×0.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，坡度15°，采用深耕、耙平裸坡兩種地形；降雨歷時(shí)1 h，雨強(qiáng)為90 mm/h。

1.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

降雨前后，利用三維激光掃描儀獲取地表微地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了避免地形起伏對(duì)于微地形的影響采用3個(gè)測(cè)站對(duì)坡面進(jìn)行掃描，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采樣間隔為1，5，10 mm。

1.3數(shù)據(jù)的選取和預(yù)處理

試驗(yàn)過程中選擇深耕、裸坡兩種地形，采用1，5，10 mm共3種觀測(cè)尺度描述地表的地形變化，試驗(yàn)過程中為了避免侵蝕小區(qū)邊緣遮擋對(duì)觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此選擇小區(qū)中間區(qū)域1.7 m×0.8 m范圍作為數(shù)據(jù)主要來源，并且對(duì)原始掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀、加密處理。具體步驟為：將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入掃描儀自帶軟件ScanMaster，對(duì)選取測(cè)次的掃描數(shù)據(jù)整體進(jìn)行粗差點(diǎn)剔除，采用掃描儀配套軟件的抽稀、加密模塊進(jìn)行處理，將1 mm掃描精度的數(shù)據(jù)分別抽稀為5，10 mm；5 mm掃描數(shù)據(jù)加密為1 mm，抽稀為10 mm；將10 mm掃描數(shù)據(jù)加密為1，5 mm，處理后將數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出，導(dǎo)出文件格式為：.txt文件，便于第三方軟件進(jìn)行處理。抽稀、加密兩種數(shù)據(jù)處理的方式是通過改變數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式、組織形式和采樣點(diǎn)的間隔降低數(shù)據(jù)的冗余或提高數(shù)據(jù)點(diǎn)的采樣精度，抽稀加密的理論依據(jù)均為地理學(xué)第一定律，即事物的相關(guān)性與其相鄰的距離有關(guān)，距離越大相關(guān)性越大，距離越小相關(guān)性越?。桓黝悢?shù)據(jù)抽稀加密后采樣點(diǎn)數(shù)量變化見表1。

表1　各尺度數(shù)據(jù)抽稀加密后采樣點(diǎn)數(shù)變化

由表1可以看出，1 mm數(shù)據(jù)在抽稀的過程中采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)量減小十分顯著，抽稀至5 mm尺度時(shí)采樣點(diǎn)的數(shù)量下降了84.16%，抽稀至10 mm尺度時(shí)減少了96.04%；然而5 mm尺度在加密為1 mm時(shí)采樣點(diǎn)增加了10個(gè)，增加量并不明顯，抽稀為10 mm過程中采樣點(diǎn)數(shù)量減少了13.1%，相對(duì)于加密來說變化較為明顯；針對(duì)10 mm數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理后采樣點(diǎn)的數(shù)量并沒有發(fā)生變化，但是采樣點(diǎn)的組織形式卻發(fā)生了變化。

將導(dǎo)出的各組數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到ArcGIS中進(jìn)行處理，生成對(duì)應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)，并且從中提取出坡度、坡向、曲率3組基本特征值，利用柵格數(shù)據(jù)求出對(duì)應(yīng)坡面的平面面積，利用柵格數(shù)據(jù)之間的平均坡度將平面面積投影到曲面上求取曲面面積。

S1=N·L2

(1)

S2=S1/cos(P/180)

(2)

式中：S1——平面面積；S2——曲面面積；N——對(duì)應(yīng)坡度柵格數(shù)；L——對(duì)應(yīng)柵格邊長(zhǎng)；P——坡度，計(jì)算過程中為了減小坡度分級(jí)對(duì)于地形變化的影響采用1°一類的分類標(biāo)準(zhǔn)。

利用公式(1)—(2)計(jì)算結(jié)果來計(jì)算坡面的糙度，整個(gè)試驗(yàn)過程中采用面元糙度來衡量地表的糙度變化，具體公式如下：

Cz=S2/S1

(3)

式中：Cz——地表糙度，為曲面面積與平面面積的比值，當(dāng)Cz=1的時(shí)候，糙度最小，此時(shí)為平面。

將ArcGIS中提取出的各組數(shù)據(jù)的曲率、曲面面積、坡向等相關(guān)數(shù)據(jù)錄入Excel中進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)，得出初步的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而后將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件Origin中進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，得到分析所用的數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與分析

2.1抽稀、加密處理對(duì)于地表曲率變化的影響

選用全曲率來描述地表的結(jié)構(gòu)形態(tài)，通過重分類將曲率分為≤0，>0兩類，統(tǒng)計(jì)各類柵格數(shù)量，比較兩種地形抽稀、加密后微地形地表曲率的變化情況。

1 mm數(shù)據(jù)抽稀處理后地表曲率變化見圖1，裸坡的曲率在抽稀到5 mm時(shí)候有一個(gè)明顯的變化，然而抽稀到10 mm時(shí)候的變化卻略小于5 mm，由此可以看出，隨著抽稀尺度的增大，裸坡曲率的變化情況逐漸舒緩；深耕曲率在抽稀到5 mm時(shí)相對(duì)于抽稀到10 mm完全是截然不同的兩種變化，由此可以說明抽稀對(duì)于深耕地形的影響更為顯著。

圖11 mm抽稀曲率變化比例

5 mm數(shù)據(jù)抽稀、加密后的變化情況見圖2，裸坡曲率在抽稀到10 mm時(shí)變化非常小，幾乎可以忽略，然而在加密到1 mm時(shí)的曲率變化相對(duì)于抽稀時(shí)則顯得十分明顯，因此5 mm數(shù)據(jù)抽稀、加密后曲率的變化十分細(xì)微，但加密對(duì)曲率的影響相對(duì)較大。深耕曲率在抽稀到10 mm和加密到5 mm的情況下曲率的變化量很接近，抽稀對(duì)于曲率的影響略大，因此在該尺度上抽稀、加密兩種數(shù)據(jù)處理方式對(duì)于兩種地形曲率的影響截然不同。

圖25 mm 抽稀、加密曲率變化

10 mm數(shù)據(jù)加密后曲率變化見圖3，裸坡曲率在加密到5 mm和10 mm時(shí)變化都不明顯；深耕的曲率在加密到5 mm時(shí)變化不明顯，然而在加密到1 mm時(shí)則發(fā)生了巨大的變化，由此可以看出加密對(duì)于起伏較大的地形曲率變化影響較為明顯。

圖310 mm加密處理曲率變化

綜上所述可得出，抽稀、加密處理對(duì)于地表起伏較大的地形曲率影響更為明顯，對(duì)于裸坡等起伏較小的地形則影響不明顯。

2.2抽稀、加密處理對(duì)于微地形坡向變化的影響

在ArcGIS中提取出不同觀測(cè)尺度以及抽稀、加密后的各組數(shù)據(jù)的坡向，按照每15°為1個(gè)分割點(diǎn)將坡向進(jìn)行重分類，采用各類坡向中柵格數(shù)占總柵格數(shù)的百分比來研究坡向受抽稀加密處理的影響。

如圖4—6所示，1 mm抽稀加密前后裸坡的坡向在120°～200°變化較大，深耕地形坡向則在各個(gè)坡度段變化均十分細(xì)微；5 mm數(shù)據(jù)抽稀、加密后，無論是裸坡、深耕對(duì)于各個(gè)分割段坡向的觀測(cè)結(jié)果影響十分細(xì)微；10 mm抽稀處理后，深耕、裸坡在觀測(cè)的各個(gè)坡向分段內(nèi)無論如何抽稀坡向變化十分微小，幾乎可以忽略不計(jì)，僅有在高坡度段有細(xì)微差異。5 mm和10 mm數(shù)據(jù)抽稀、加密處理后坡向變化并不明顯主要是由于觀測(cè)尺度對(duì)于地表概括情況的影響造成的。

圖41 mm抽稀后坡向變化

2.3抽稀與加密對(duì)地表糙度的影響

經(jīng)過抽稀、加密處理后對(duì)應(yīng)坡面的糙度變化影響如表2所示，1 mm數(shù)據(jù)在抽稀后，地表糙度隨著抽稀尺度變大而增大；5 mm裸坡數(shù)據(jù)在抽稀、加密兩種情況下均發(fā)生糙度增大的現(xiàn)象，且兩種處理對(duì)糙度影響相當(dāng)，5 mm深耕則出現(xiàn)抽稀糙度增大，加密糙度減小的狀況，說明加密處理對(duì)于兩種地形糙度的影響十分明顯；10 mm裸坡數(shù)據(jù)在加密的過程中隨著加密尺度的減小，糙度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，而深耕坡面在加密的整個(gè)過程中糙度的變化都十分規(guī)律，呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，且隨著尺度減小，糙度減小的速率有增大的趨勢(shì)。

圖55 mm數(shù)據(jù)抽稀、加密處理后坡向變化

可見，1 mm尺度抽稀對(duì)于地表糙度的影響十分規(guī)律，5 mm加密、抽稀過程對(duì)于復(fù)雜地形的數(shù)據(jù)糙度則會(huì)造成復(fù)雜的變化，10 mm加密、抽稀對(duì)于深耕糙度變化較為復(fù)雜，裸坡變化則相對(duì)規(guī)律。

圖6　10 mm加密處理后坡向變化

3　結(jié) 論

(1) 抽稀與加密處理對(duì)于地表起伏較大的地形曲率影響更為明顯，對(duì)于起伏較小的地形則影響不明顯。

(2) 5 mm和10 mm數(shù)據(jù)抽稀與加密處理后坡向變化并不明顯。

(3) 1 mm尺度抽稀對(duì)于地表糙度的影響十分規(guī)律；5 mm加密與抽稀過程對(duì)于復(fù)雜地形的數(shù)據(jù)糙度則會(huì)造成復(fù)雜的變化；10 mm加密與抽稀對(duì)于大起伏地形糙度變化較為復(fù)雜，微起伏糙度變化則相對(duì)規(guī)律。

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Effect of Rarefied or Encrypted Point Cloud Data on the Analysis of Micro Topography Observation

WEI Zhou1,2, LI Guanglu1, HOU Lei1, CAI JuanJuan1, LIU Xin3

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.ShaanxiLandConstructionGroup,Xi′an712000,China;3.SoilandWaterConservationStationforMianxian,Mianxian,Shaanxi724200,China)

We adopted the point cloud data of deep tillage terrain and bare slope terrain in different observation scale for vacuating and encrypting. The influence on micro topography observation was evaluated through selecting three intuitive indicators of surface ground curvature, aspect and surface roughness. The result shows that vacuating and encrypting have great influence on the large wavy terrain but have little influence on the small wavy terrain such as bare slope. Little change of aspect by vacuating and encrypting 5 mm and 10 mm data is contributed by the observation scale for the influence on the surface generalization situation. Vacuating 1 mm scale data has regular influence on surface roughness.5 mm data will cause complex changes with regard to complex terrain surface roughness through encrypting and vacuating.10 mm data will cause complex changes to deep tillage terrain through encrypting and vacuating, but the changes of bare slope are relatively regular.

micro topography; curvature; surface roughness; slope

2015-06-03

2015-07-07

陜西省水保局重點(diǎn)科技示范項(xiàng)目(20101003);水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目(TG1308)

魏舟(1988—),男,新疆阿克蘇人,碩士研究生,研究方向?yàn)榈貓D學(xué)與地理信息系統(tǒng)。E-mail:weizhou0414@126.com

李光錄(1964—),男,甘肅永靖人,博士,副教授,主要從事土壤侵蝕與土地利用研究。E-mail:guangluli@nwsuaf.edu.cn

P951

A

1005-3409(2016)03-0283-04