内容发布更新时间 : 2025/1/7 5:16:39星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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；

FARO 3DLaser Scannerinthe Process ofSoil

ErosioninSlopeMonitoring

Abstract：China is one of the world's 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 economic, 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 mechanism 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 conservation 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，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：①激光测距从一维测距向二维、三维扫描发展；②实现无合作目标快速高精度测距；③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

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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。

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