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1、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；FARO 3D L
2、aser Scanner in the Process of Soil Erosion in Slope MonitoringAbstract：China is one of the worlds most serious soil erosion in the country, the distribution of a wide range of soil erosion, large area, in order to better address the serious problems of soil erosion caused by the constraint on econo
3、mic, social, political and cultural development of. In this paper, the Loess Plateau slope model, for example, the phenomenon of erosion Soil Erosion powered by simulating natural rainfall conditions, access to the evolution of the different soils and erosion gully erosion, and soil erosion mechanis
4、m analysis, discusses the 3D point cloud data acquisition, data processing, data analysis, basic methods of data applications, analysis of soil rill erosion, ephemeral gully erosion, gully erosion, gully erosion evolution mechanism for the development of programs to control soil erosion, water conse
5、rvation measures scientific guidance has important practical configuration significance.Key words：3D laser scanner；Point cloud data；Erosion；Slope form；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，
6、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
7、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
8、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:
9、 数据获取速度快、实时性强；数据量大,精度较高；主动性强,能全天候工作；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.S inger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
10、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
11、监测，弥补了以往诸多学者研究的不足。因此,通过室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1.1.1 FARO Focus 3D三维激光扫描仪图1 FARO的Focus 3D三维激光扫描仪本文采用FARO 的Focus 3D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
12、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1.1.2 FARO 的Focus 3D三维激光扫描仪特点：Focus 3D三维激光扫描仪具有以下优点：小巧方便，Focus 3D是现今最小最方便的扫描仪；触摸屏，FARO在用户友好方面建立了一个新标准；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，置电池使用五个小时，充
13、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Mensi GS200三维激光扫描仪等,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
14、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
15、仪的原始观测数据主要包括: 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；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；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。ZXYP（x,y,z）S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
16、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,向上为正；X 轴位于仪器的横向扫描面与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
