生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中3D激光掃描儀的應(yīng)用

張芳齊

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

江西銘宸智慧農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)園開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目位于江西省景德鎮(zhèn)市浮梁縣，項(xiàng)目占地面積共533.33 hm2，總投資預(yù)30 億元，分兩期建設(shè)。其中一期占地200 hm2，投資5.98 億元，工期12 個月，主要建設(shè)智能溫室、育苗研發(fā)中心、農(nóng)產(chǎn)品檢測中心及膜棚種植區(qū)；二期則建設(shè)鋼架薄膜生產(chǎn)大鵬333.33 hm2。在項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)過程中必然對工程所在地環(huán)境產(chǎn)生不利擾動和侵蝕，必須進(jìn)行工程建設(shè)期間可能造成的區(qū)域內(nèi)水土流失量及土壤侵蝕量的合理估算，基于此采取切實(shí)可行的水保措施。

2 試驗(yàn)方案

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測主要通過典型地段及重點(diǎn)部位不同時(shí)段土壤侵蝕量的定位觀測和綜合分析，進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)期間所造成土壤侵蝕量的推算?？紤]到監(jiān)測點(diǎn)位的可操作性和代表性，選擇該工程項(xiàng)目干擾相對較少的采石場排土邊坡，進(jìn)行雨季多場自然降雨土壤侵蝕量現(xiàn)場徑流小區(qū)集流桶多次測量和3D 激光掃描儀多次監(jiān)測；同時(shí)進(jìn)行集流桶多次測量和3D激光掃描儀監(jiān)測的室內(nèi)模擬試驗(yàn)。將自然降雨監(jiān)測結(jié)果和室內(nèi)土壤侵蝕模擬結(jié)果進(jìn)行對比，探索3D 激光掃描儀在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測中的實(shí)用性。

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

在該生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持中應(yīng)用3D激光掃描儀前必須進(jìn)行室內(nèi)降雨土壤侵蝕模擬試驗(yàn)。2 次試驗(yàn)均安排在南昌工程學(xué)院模擬降雨大廳進(jìn)行，先后間隔1 個月，試驗(yàn)過程中應(yīng)用下噴式降雨設(shè)備，土槽長4 m、寬1.50 m，液壓自動升降系統(tǒng)，設(shè)計(jì)坡度為30°。在吐槽底部先加鋪砂礫層，上覆紗布，以控制降雨過程中可能出現(xiàn)的積水，再分層填筑工程所在地區(qū)代表性的赤紅壤土。所用赤紅壤土必須事先經(jīng)過挑選和過篩，將其中雜物及石塊等完全清除后分層填筑并拍實(shí)，待填充好后取樣進(jìn)行土壤容重測量。

試驗(yàn)開始后先通過3D 激光掃描儀掃描降雨前的基準(zhǔn)值，模擬工程區(qū)實(shí)際降雨過程實(shí)施幾次小型降水，待土壤坡面達(dá)到沉降穩(wěn)定狀態(tài)后通過鋼尺測量土層實(shí)際厚度，并標(biāo)定降雨強(qiáng)度。此后通過集流桶收集降雨徑流及泥沙，泥沙經(jīng)過風(fēng)干處理后稱量，并根據(jù)土壤容重參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量及體積轉(zhuǎn)換，得出每次降雨所對應(yīng)的土壤侵蝕量。在每次模擬降雨后通過3D激光掃描儀進(jìn)行坡面多站式掃描，得出降雨后可能的土壤侵蝕量值，同時(shí)測量土層實(shí)際厚度，進(jìn)行土層沉降計(jì)算。

2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

此試驗(yàn)主要采用配備HDS高清測量系統(tǒng)ScanStation2三維激光掃描儀，該儀器掃描速度可以達(dá)到50 000 點(diǎn)/s，掃描視場角為360°×270°，對于反射率分別為90%和18%的物體掃描距離可達(dá)300 m和134 m，截面友好，測繪精度高。結(jié)合工程實(shí)際及測量需要，此次使用時(shí)將掃描距離設(shè)定為30 m，點(diǎn)云空間分辨率確定為0.01 m。

試驗(yàn)區(qū)設(shè)置在該建設(shè)項(xiàng)目采石場內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年氣溫均值20.30℃，年降雨量均值1 645 mm，且降雨主要集中出現(xiàn)在每年4～9月份，該時(shí)期降雨量在全年降雨量中占比80.40%。區(qū)域內(nèi)地勢平坦，海拔高度在110 m左右，主要分布花崗巖分化而成的赤紅壤土為主，土質(zhì)疏松，透水性極強(qiáng)，受到工程擾動及植被退化后水土流失極易發(fā)生。

徑流小區(qū)是工程項(xiàng)目特定坡地水土流失及土壤侵蝕展開定量觀測的常規(guī)性監(jiān)測設(shè)施，該監(jiān)測技術(shù)和3D 激光掃描儀結(jié)合應(yīng)用能充分利用掃描儀在降雨下對土壤侵蝕量的測量精度，發(fā)揮常規(guī)監(jiān)測措施和現(xiàn)代化儀器的雙重優(yōu)勢。為展開現(xiàn)場觀測，應(yīng)結(jié)合工程采石場坡面實(shí)際地形，選擇坡面平整、無植被覆蓋的區(qū)域，按照長5 m、寬2 m的設(shè)計(jì)尺寸規(guī)劃出1個矩形徑流小區(qū)，同時(shí)在區(qū)域內(nèi)增設(shè)小區(qū)邊埂、導(dǎo)流管、集流槽、集流桶等設(shè)施，觀測場設(shè)計(jì)坡度38°～40°。為保證監(jiān)測結(jié)果的可比性，掃描小區(qū)和徑流小區(qū)應(yīng)保持位置一致。

此次監(jiān)測安排在4～9月份工程區(qū)雨季期間，選取連續(xù)1個月的監(jiān)測周期實(shí)施5次監(jiān)測，以2～3次大暴雨為間隔，并將對徑流小區(qū)實(shí)施掃描監(jiān)測和采集泥沙侵蝕量安排在同一天進(jìn)行，將每次掃描、收集并記錄到的坡面土壤形態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入Cyclone 軟件處理分析。與此同時(shí)，對所收集的徑流小區(qū)監(jiān)測期間集流桶內(nèi)的泥沙量進(jìn)行土壤體積容重?fù)Q算，將換算結(jié)果和掃描結(jié)果進(jìn)行比較，評價(jià)掃描儀監(jiān)測結(jié)果精度。

3 監(jiān)測過程及結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)模擬降雨結(jié)果比較

通過分析經(jīng)Cyclone軟件處理后的室內(nèi)土槽模型水土流失過程中坡面地形的變化趨勢看出，室內(nèi)模擬降雨沖刷土層時(shí)，坡面主要從面狀侵蝕轉(zhuǎn)向細(xì)溝侵蝕，3D 激光掃描儀土壤侵蝕量監(jiān)測數(shù)據(jù)及徑流小區(qū)集流桶實(shí)測數(shù)據(jù)具體見表1。由表1可知，3D 激光掃描儀所監(jiān)測的試驗(yàn)區(qū)土壤侵蝕量比集實(shí)測侵蝕量大，不同試驗(yàn)序列下誤差分別為5.31%和3.10%。造成誤差的原因有三：一是3D激光掃描儀站位設(shè)置欠合理，掃描儀站高和土槽槽高間高差太小，但掃描儀站位和土槽間距又過大，導(dǎo)致掃描儀無法對土槽中土層進(jìn)行全方位掃描，在土槽下方存在部分掃描盲區(qū)；二是土壤沉降量的測算過于簡單粗略，應(yīng)當(dāng)將土槽內(nèi)土層由遠(yuǎn)及近劃分成三部分，進(jìn)行兩次試驗(yàn)間隔期間土層厚度變化測算，以合理預(yù)估土層沉降；三是試驗(yàn)間隔過長且次數(shù)過少，2 次試驗(yàn)間隔1 個月，試驗(yàn)結(jié)果缺乏合理性和代表性。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)土壤侵蝕量監(jiān)測結(jié)果的比較表

3.2 徑流小區(qū)自然降雨結(jié)果比較

根據(jù)Cyclone軟件對野外徑流小區(qū)水土流失及土壤侵蝕過程監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，在整個監(jiān)測期間，因持續(xù)受到降雨的沖刷侵蝕，坡面從面狀侵蝕向細(xì)溝侵蝕、切溝侵蝕轉(zhuǎn)變。自然降雨下土壤侵蝕量監(jiān)測結(jié)果的比較具體見表2。由表2 可知，5～7月該工程區(qū)土壤侵蝕量較大；3D激光掃描儀土壤侵蝕量和實(shí)測泥沙侵蝕量的誤差平均在6.78%，除04-25～05-20監(jiān)測時(shí)段誤差較大外，其余監(jiān)測時(shí)段誤差較小。造成這種誤差的原因有三：一是差分GPS精度無法為監(jiān)測站位和掃描標(biāo)靶提供準(zhǔn)確的空間定位；二是野外監(jiān)測環(huán)境惡劣多變，影響多次監(jiān)測期間空間疊加控制點(diǎn)的準(zhǔn)確確定；三是徑流小區(qū)土壤沉降不穩(wěn)定。

表2 自然降雨下土壤侵蝕量監(jiān)測結(jié)果的比較表

以上室內(nèi)模擬試驗(yàn)和野外自然降雨監(jiān)測結(jié)果的比較分析表明，3D 激光掃描儀土壤侵蝕監(jiān)測手段必須和常規(guī)徑流小區(qū)監(jiān)測技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，且在兩種試驗(yàn)環(huán)境下，通過采取有效的誤差控制措施后，兩種技術(shù)測量結(jié)果誤差仍處于可控范圍，能夠滿足生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測及水保方案編制方面的要求。

4 結(jié)論

綜上所述，3D 激光掃描儀在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失和土壤侵蝕監(jiān)測方面的應(yīng)用屬于新技術(shù)新領(lǐng)域，該技術(shù)的應(yīng)用可提高監(jiān)測過程的自動化、智能化水平，隨著GPS、差分增強(qiáng)技術(shù)、監(jiān)測站數(shù)據(jù)處理技術(shù)、超級基準(zhǔn)站的開發(fā)、監(jiān)測站實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)等配套技術(shù)的不斷進(jìn)步，監(jiān)測結(jié)果精度有較大的提升空間，并能逐漸完全取代人工監(jiān)測，體現(xiàn)水土保持監(jiān)測的未來發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測全過程無人參與的高精度自動測量。