激光扫描技术在坡耕地土壤侵蚀监测中的应用

岳鹏，史明昌†，杜哲，王珊

(1.北京林业大学林学院，100083，北京;2.河北农业大学国土资源学院，071001，河北保定)

激光扫描技术在坡耕地土壤侵蚀监测中的应用

岳鹏1，史明昌1†，杜哲2，王珊1

(1.北京林业大学林学院，100083，北京;2.河北农业大学国土资源学院，071001，河北保定)

为了研究激光扫描技术应用于土壤侵蚀监测的可靠性，利用3D激光地貌分析仪对黑龙江省水土保持科技示范园内坡耕地径流小区土壤侵蚀进行监测。采用恒定降雨强度(20、40、60、80、100和120mm/h)对径流小区进行连续6次等历时(30min)人工降雨，每场降雨前后使用3D激光地貌分析仪对小区内不同位置的坡面形态进行扫描，并与集流桶收集土壤侵蚀量进行对比分析。结果表明：3D激光扫描分析法与集流桶测量法得到的土壤侵蚀量之间具有良好的线性相关关系，3D激光地貌分析仪用于径流小区内土壤侵蚀测定具有较高的精度与可靠性。关键词 激光扫描技术;土壤侵蚀;径流小区;东北黑土区

黑土是一种性状好、肥力高，适合植物生长的土壤［1］。我国黑土区面积约有103万km2，集中分布在我国东北松辽流域内(约75万km2)，东北黑土区与乌克兰大平原黑土区、美国密西西比河流域黑土区并称全球的三大黑土区［1-2］;但是，由于近几十年来的开垦及耕作，东北黑土资源受到严重破坏，水土流失十分严重，从而导致土地生产力下降、生态环境恶化，严重制约了黑土区的经济和农业生产，威胁着中国的粮食安全［3］。东北黑土区水土流失成因与防治研究学术界早有报道［1-6］，随着新型遥感技术的不断发展与进步，激光扫描技术精度高、可移动、成本低等特点逐渐显现［7-8］，其在水土流失研究领域的应用逐渐成为学科发展的前沿与新趋势［9］。目前，激光扫描技术在大尺度水土流失监测中已有一定应用［10］，但在径流小区水土流失研究中的应用还鲜有报道。笔者以黑龙江省水土保持科技园示范园区为试验基地，利用3D激光地貌分析仪对东北黑土区坡耕地土壤侵蚀状况进行系统观测，分析比较不同降雨强度下黑土土壤侵蚀变化，以期为东北黑土区水土保持工作提供理论和科技支持，并为相关研究者提供参考借鉴。

1 3D激光地貌分析仪原理

3D激光地貌分析仪是基于相位式的激光测距系统，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。该方法最大测程较小，但精度较高，可以达到毫米级。系统根据设定参数进行扫描，并对数据进行预处理，最后得到各测点(x，y，z)三维坐标数据，此数据是大量悬浮在空中没有属性的离散点阵数据，形象地称之为“点云”。通常存在激光测距点无明显的回波信号和具有镜面反射的地面无回波测距值的情况。此外，由于电路等原因，也会使数据中产生异常距离值，在处理激光测距原始数据时必须先进行滤波(剔除异常点)。滤波结果可在GIS平台中生成数字高程模型(DEM)，用于进行专业分析［11-14］。

2 研究区概况

东北黑土区属温带季风气候，年平均气温-7～11℃，冬季漫长寒冷，春季多风，且干燥少雨，夏季气温较高;多年平均降水量为350～1 000mm，山区降水多于平原，吉林、辽宁东部的长白山区年降水量为600～1 000mm，松嫩平原本部和内蒙古自治区东部为350～450mm;无霜期较短，为100～150 d，绝大部分地区可以满足一年一熟作物的需要。

本研究实验样地位于黑龙江省水土保持科技示范园区内。该园区地貌属丘陵漫岗类型，地表组成物质以花岗岩风化物为主，主要土壤为黑钙土、白浆土。园区内地形平缓，坡度均在10°以下，坡长为500～1 000m。园区林种主要有人工林和天然次生林，粮食作物有玉米(Zeamays)和大豆(Glycinemax)，植被覆盖率42.0%。园区属寒温带大陆性季风气候区，年平均气温为-7～11℃，降水分布不均，主要集中于5—9月，多年平均降雨量为590mm，地质、地貌在东北黑土区内具有一定的代表性。

3 研究方法

3.1 3D激光地貌分析仪组成

本研究所采用3D激光地貌分析仪为德国UMS公司生产，仪器主要由激光扫描组件及控制操作平台组成(图1)。设备最大测量面积为1m2，最小扫描步长为5mm，测距精度为±1mm。系统采用12 V直流电源供电。仪器铝制框架及移动机械臂上安装有3个固定水平仪，通过调节4个支脚的高度对整个仪器进行水平调节。激光扫描头安装在移动机械臂上，根据控制软件中设定的扫描范围及扫描步长在x、y方向上移动，进行逐行扫描。

3.2 人工降雨系统

本研究人工降雨系统采用黑龙江省水土保持科学研究所自主研发的HLJSB-J型人工模拟降雨系统。该系统共有3组喷头，每组25个，降雨高度6m，降雨强度调节范围为10～160mm/h，降雨均匀度大于80%。水箱体积为20m3，可满足最大降雨强度连续4 h降雨。

3.3 实验样地布设

2010年，在园区内选择2个坡面径流小区分别用于3D激光地貌分析仪标定与连续降雨过程中土壤侵蚀变化规律研究，小区规格均为2m×10m，坡度为5°。小区内土层厚度为60 cm，为原状白浆土，无作物措施。分别在每个径流小区内距离小区顶端1、4和7m的位置处布置扫描区域，即样点A、B、C。由于3D激光地貌分析仪在每次搬运与安装的过程中位置与高度会发生变化，因此在每个区域内设置2处定位标志，即直径3～5 cm木桩，埋入地下50 cm、地上15 cm，用于扫描数据间的匹配及校正。

3.4 实验方法

本研究中，利用HLJSB-J型人工模拟降雨系统对径流小区内共进行6次人工降雨，降雨强度分别为20、40、60、80、100 和120mm/h，降雨历时均为30min。降雨前用3D激光地貌分析仪对各样点进行扫描，获取原始DEM数据。随后进行第1次人工降雨，降雨结束后再次扫描获取DEM数据，之后继续进行第2次人工降雨。如此反复进行，直至所有降雨进行完毕，获取每场降雨前后各样点的 DEM数据。

图1 3D激光地貌分析仪构造Fig．1 Composition of 3D laser scanner

3.5 数据处理

对扫描得到的点云数据，首先进行滤波处理，剔除误差点。之后在ArcGIS中对点云数据进行插值，生成DEM。将每场降雨后的DEM数据与降雨前的DEM数据进行对比分析，可以得到土壤总体积变化量、相对增加体积量，结合土壤密度数据即可计算出土壤侵蚀量与各样方内堆积量。单次降雨前后使用分析仪对选定区域进行扫描，获取降雨前后地面点云数据。在ArcGIS中对点云数据进行插值分析，生成DEM，利用空间分析模块分析降雨前后该区域内土壤体积变化及侵蚀分布。降雨同时使用小区内集流装置收集径流泥沙，并用环刀法取得小区内土壤密度，即可计算出次降雨产生的土壤侵蚀量。对由集流桶采集得到的土壤侵蚀量与3D激光地貌分析仪扫描获取的土壤侵蚀量进行相关性分析，即可验证3D激光地貌分析仪用于径流小区观测的精确性。

图2、图3、图4为3个样点扫描数据处理结果DEM，反应各样点地表形态随降雨变化情况。

图2 样点A地表形态随降雨变化情况Fig．2 Surfacemorphological changes of quadrat A

4 结果与分析

对每次降雨时土壤性质数据、集流桶收集径流泥沙量及3D激光地貌分析仪扫描结果进行处理分析结果见表1，可见，以不同降雨强度进行人降雨对土壤含水率及土壤密度影响不大，因此相关分析计算中所涉及到的土壤密度采用其平均值1.05 g/cm3。表1和图5中集流桶收集侵蚀量(x)为1次降雨过程中单个径流小区内产生的总土壤侵蚀量，激光扫描侵蚀量(y)为小区内选定的A、B、C 3个样点在1次降雨中产生的总侵蚀量，由此对3D激光地貌分析仪土壤侵蚀监测量进行标定。由图5可见，采用2种方法得到的土壤侵蚀量之间具有良好的线性相关关系y=2.069e0.019x(R2=0.965)，说明利用激光扫描技术获取的土壤侵蚀量具有较高的精确度，3D激光地貌分析仪用于径流小区内土壤侵蚀测定具有较高的精度与可靠性。

表1 3D激光地貌分析仪标定数据Tab．1 Calibration of 3D laser scanner

5 结束语

图3 样点B地表形态随降雨变化情况Fig．3 Surfacemorphological changes of quadrat B

图4 样点C地表形态随降雨变化情况Fig．4 Surfacemorphological changes of quadrat C

图5 3D激光扫描仪侵蚀量标定曲线Fig．5 Calibration of soil erosionmeasured with 3D laser scanner

为探讨东北黑土区水土流失问题，利用3D激光地貌分析仪对黑龙江省水土保持科技示范园内坡耕地径流小区土壤侵蚀进行了系统监测，并与集流桶收集土壤侵蚀量进行对比分析与标定。结果显示：2种土壤侵蚀量测定方法之间具有良好的线性相关关系y=2.069e0.019x(R2=0.965)，说明利用激光扫描技术获取的土壤侵蚀量具有较高的精确度，可以用于径流小区内土壤侵蚀研究。

本研究利用3D激光地貌分析仪进行径流小区水土流失动态研究，其数据精度达到了毫米级，进一步提高了对微地貌变化的监测精度和水平，为水土保持监测、科学研究及其他相关新技术应用研究提供了新的研究手段和方法，尤其是针对坡面侵蚀和细沟侵蚀，未来具有较广泛的应用前景;但是，在实际使用过程中，该设备也存在着野外搬运不方便、扫描对光线要求较高、扫描处理软件功能相对简单等不足，在未来的研究中需要进一步完善修正。

6 参考文献

［1］杨文文，张学培，王洪英.东北黑土区坡耕地水土流失及防治技术研究进展［J］.水土保持研究，2005，12(5)：232-236

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［4］于丹，沈波，谢军.东北黑土区水土流失危害及其防治途径［J］.水土保持通报，1992，12(2)：25-34

［5］王玉玺，解运杰，王萍.东北黑土区水土流失成因［J］.水土保持科技情报，2002(3)：27-29

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［7］马立广.地面三维激光扫描测量技术研究［D］.武汉：武汉大学，2005

［8］Svein S，Erik N，Ole B.Single tree segmentation using airborne laser scanner data in a structurally heterogeneous spruce forest［J］.Photogrammetric Engineering ＆ Remote Sensing，2006，72(12)：1369-1378

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Application of laser scanner in soil erosionmonitoring of cultivated slope land

Yue Peng1，Shimingchang1，Du Zhe2，Wang Shan1
(1.College of Forestry，Beijing Forestry University，100083，Beijing;2.College of Land Resource，Heibei Agricultural University，071001，Baoding，Hebei：China)

In order to study the reliability of the laser scanning technology for soil erosionmonitoring，the soil erosion of the runoff plot in Soil and Water Conservation Demonstration Park，Heilongjiang Province，wasmeasured with 3D laser scanner system.To calculate the amount of soil erosion，the surfacemorphology at different slope positions was scanned by using this system before and after artificial rainfall with stable intensities(20，40，60，80，100，120mm/h，and 30minutes).In addition，tomake a calibration on the system，simultaneously，the calculated soil erosion was compared with the soil erosion amount in collecting tanks.The results indicate as follow：there is an excellent linear relationship between the soil erosion amountmeasured with 3D laser scanner and collecting tanks.Hence，the application of 3D laser scanner in soil erosionmonitoring has a bright future due to its higher accuracy and reliability.

laser scanner;soil erosion;runoff plot;Phaeozem Region of Northeast of China

2012-01-13

2012-03-29

岳鹏(1988—)，男，硕士研究生。主要研究方向：地理信息系统开发与应用。E-mail：101835197@qq.com

†责任作者简介：史明昌(1969—)，男，博士，教授。主要研究方向：地理信息系统开发与应用。E-mail：shimc@bjfu.edu.cn

(责任编辑：程 云)