便携三维激光扫描仪在水土保持设施验收中的应用研究

樊 冰，马 良，高 群

(1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014； 2.山东水土保持学会，山东 济南 250014)

随着我国社会经济持续快速发展，各类生产建设项目如矿山、电力、铁路、公路、城市建设等迅猛增长成为新增水土流失的主要源地，但在水土保持设施验收过程中，建设单位或委托的技术评估单位往往还是通过现场影像、遥感、无人机等手段对水土保持相关措施量进行核算统计，或者直接引用施工单位或水土保持监测单位的数据，对项目核查区域无法做到准确“复盘”、逐个“过关”，数据、资料的可靠性无法得到保障，对施工单位的违法违规行为无法准确取证，导致自主验收报告与实际情况不符，针对存在的问题无法及时发现并解决。

1 现状及问题

根据生产建设项目水土保持设施验收技术规程要求，建设单位需委托水土保持设施验收技术评估机构对水土保持设施的数量、质量、进度及水土保持效果等进行全面评估。当前，如何在验收过程中有效定量开展生产建设项目水土保持措施相关工程量的统计，准确计算出项目建设过程中的土石方量及工程建设过程中造成的水土流失量，仍是一项重要研究课题。本研究在国内外现有水土流失监测技术的基础上，探讨基于便携三维激光扫描技术的生产建设项目水土保持措施工程量核算方法体系，旨在为今后开展生产建设项目水土保持设施验收评估工作提供参考。

目前常规的监测方法有测钎法、遥感解译法、模型估算法、调查法等，这些方法工作量大、效率低、周期长，已经不能适应现代水土流失监测高时效性、自动化和系统化的发展要求。如本次试验场地鲁南高速铁路路基工程区，在对坡面进行监测期间各类机械操作频繁，监测设施极易被损坏或被触碰，导致监测结果参考价值不大。目前应用较广且便捷的监测技术有无人机正射或倾斜摄影测量+RTK相控技术，可快速对监测区域进行三维建模，对堆积体体积进行量测，但该方法局限于普通无人机外业操作时间短，极易受到各种干扰而无法航测，再加上后期处理数据量庞大、处理周期长、水平量测精度高但高程数据误差仍然较大，多期模型很难实现准确叠加。

随着信息化技术的飞速发展，水土流失监测通过与信息化自动化技术结合，监测精度也由定性提升到定量甚至高精确定量水平。三维激光扫描技术被喻为全球定位系统之后测绘领域又一次技术革命。近几年，三维激光扫描仪已经成为重要的测量工具，广泛应用于地图测绘、土木工程、医学、勘探、BIM设计及各类规划等重要领域。三维激光扫描仪的主要构造是一部激光测距仪加上一组可导引激光以等角速度扫描的反射棱镜，激光测距仪分脉冲式、相位式、激光三角式、脉冲-相位式4种类型，均可主动发射激光，同时接收来自“被测物体表面”的反射讯号进行精准测距，测得每一扫描点至扫描仪之间的斜距，配合发射激光的方向角，可推求每一扫描点与测站之间的三维空间相对坐标差，通过扫描仪所处位置已知的三维坐标可推求出扫描物体中每个点的坐标[1-4]。目前常规三维激光扫描仪的扫描速度已可达每秒数十万甚至百万点，因此可瞬间产生大量的点云，形成被测物体的精准三维模型。这项技术已经逐渐运用到各种变形监测中，如能引入到生产建设项目水土保持设施验收中并有效缩小设备体积，简化扫描流程，使之方便携带、方便布设，将拥有广阔的应用前景，不仅可以为生产建设项目水土保持措施效果、水土流失动态状况展示等提供直观准确的信息，而且可根据建立的模型准确获取扰动体积、植被覆盖面积变化，以及弃渣场、料场、边坡的土石方变化等信息，有效提高水土保持设施验收技术水平，从而为水土保持设计、监测及验收、环境影响评价等提供较为翔实的资料。

2 研究内容及方法

2.1 研究内容

在我国，三维激光扫描技术在水土保持措施相关工程量统计应用方面还处于初期阶段，多数应用属于试验研究性的，只有少数应用技术路线相对成熟。本项目拟在目前一些学者的研究成果基础上，进一步研究便携三维激光扫描仪在生产建设项目水土流失监测方面的数据采集、处理、分析计算的方法。以鲁南高速作为试验场地，选用FARO FOCUS S350便携式三维激光扫描仪，针对其水土保持情况进行对比试验。测量距离从0.6 m到350 m。

2.2 技术路线

(1)现场勘察，收集测区内已有控制点。根据扫描对象的位置和扫描精度科学规划扫描站点，绘制现场草图，对现场环境、扫描对象拍照，方便后续建模。

(2)科学设置站位。结合GNSS、全站仪快速定位、无人机辅助测量对每个站点扫描的影像赋以坐标值。

(3)内业处理。通过数据拼接、去噪、重采样、建模、土方量计算等标准化软件操作规程计算得出填方面积、填方体积、挖方面积和挖方体积等参数值，精准核算出工程量，还可再结合实地采样分析得出的土质密度，算出土壤侵蚀量。

(4)通过对比不同时期目标边坡的模型数据，准确计算出目标边坡的土壤侵蚀量及其变化。

数据采集技术路线如图1所示。

图1 数据采集技术路线

基于标靶的点云数据采集方法采用仪器配备的靶球。进行监测数据采集时，要求扫描仪能同时后视到3个及以上靶球。为满足细节特征提取和描述，便携激光扫描仪和全站仪、GPS定位、无人机结合起来，可实现技术上的完美互补。目前三维激光扫描仪均集成了高清数码相机及GPS定位，可对现场扫描物体的彩色信息进行融合，但由于三维扫描仪属地面扫描站，拍照时尤其对物体上部存在盲点，因此结合无人机DSM三维地表模型建模技术，可实现对扫描对象的全方位立体展示。通过结合外部全站仪或RTK定位系统可快速获得被测对象的绝对大地坐标，作为多期建模结果对比基准及坐标转换的依据(多源数据融合模型示意图见图2)。

图2 多源数据融合模型示意

3 点云数据处理

在对工程设施扫描时，由于坡面进行了绿化，在数据处理时要进行去噪。首先采用扫描仪标配FARO SCENE软件的各种过滤器对点云数据进行初步去噪，主要包括异常值过滤、深色扫描点过滤、离群点过滤等。在进行初步自动去噪后，采用Cyclone软件进行二次去噪，利用软件提供的多边形、矩形选择器等多种方式手动选择噪声点，并将其删除，主要采用Cyclone软件工具栏中的“Polygonal Fence Mode”选择需要去除的噪声点，选取完成后，进行删除；也可以选择要保留的区域，删除选择图形以外的噪声点，最后得到需要的点云图。

4 模型对比

分别将两次扫描的数据导入体积监测软件后，根据色彩信息和反射率信息，分别利用自动和手动模式对山体表面植被及其他地物进行去噪处理，得到精确的地表数据，然后分别对地表点云进行三维建模，得到两次扫描的地表模型。以两次扫描的位置信息作为模型比较的标准，分别导入监测对比软件中，利用参测数据对比命令对两表面模型进行自动比对，形变区域将会用不同的颜色显示不同的体积变化量。监测软件不仅能够自动对形变区域进行比对，而且能够自动生成报表，对土壤侵蚀范围、体积进行统计。

5 评估应用

5.1 边坡侵蚀量计算

以某边坡为例，见图3。边坡扫描及坡面侵蚀模型见图4。坡面侵蚀量变化统计结果见表1。

图3 某边坡图片

图4 路基边坡扫描及坡面侵蚀模型

通过间隔5天两次的扫描监测以及彩色显示对比结果、报表数据统计(表1)，可以清楚得到边坡水土流失的范围及体积大小。从上述比较中可以得到路基边坡测量范围中绝大部分水土流失厚度在2 cm以内，占整体扫描数据的97.06%，部分位置产生了大于2 cm小于5 cm厚度的水土流失。经统计，水土流失监测前后时间间隔5天，期间降水量为80.8 mm，两处路基边坡合计净侵蚀量235.17 m3，路基边坡坡度介于35°～45°之间，土壤流失率约4.5%，路基排水防护措施、植物措施发挥了水土保持作用，避免了高强度降雨情况下的水土流失。

表1 坡面侵蚀量变化统计

5.2 弃渣量计算

通过三维激光扫描获得有效地形测图面积30 490 m2(图5)，弃渣堆最大高差10.32 m，利用ArcGIS软件Cut Fill工具，设定计算基准面为294.46 m。计算可得弃渣场占地面积30 490 m2，弃渣量154 671 m3。

图5 弃渣场扫描模型

5.3 取土量计算

通过三维激光扫描获得有效地形测图取土面积21 970 m2(图6)，最大取土挖深6.2 m，利用ArcGIS软件Cut Fill工具，设定计算基准面为290.11 m，计算得到取土量87 890 m3。

图6 取土场扫描模型

5.4 精度检验

在试验场地，通过标定特征点，采用RTK测量其高程，对比三维激光扫描建模技术获取的全场地面模型数据，分析特征点的高程误差。通过对比分析，高程中误差18.1 cm，满足丘陵地区1∶500地形图高程中误差≤25 cm的精度要求,测图工作相较于相控正射航测法大幅提高，有效提高了测量工作效率，有效支撑了验收数据，为水土保持设施验收过程中测算堆渣清运量和植被恢复面积提供了精确的数据支撑(表2)。本研究应用三维激光扫描建模技术支撑水土保持设施验收的基本方案,可在今后生产建设项目水保验收及行政监督检查中进行推广。

表2 特征点RTK高程值和三维建模地面模型高程值的对比

6 结 论

(1)充分利用便携三维激光扫描仪体积小、易携带、采样快、精度高等优势，在水土保持设施验收中进行快速、准确的数据采集，以期提高评估核算质量、监测效率，节约成本。通过模型叠加对比可直接精确计算出边坡水土流量，通过现场模型扫描直接量取弃渣场弃渣量及取土场取土量，填补生产建设项目水土保持设施验收及监测中无快速定量方法和手段的技术空白，并可大幅提高水土保持设施验收评估工作的自动化程度。

(2)三维激光扫描技术在生产建设项目水土保持设施验收中的应用，有效地解决了传统监测模式下单点不连续、反映不全面的局限性，通过三维模型的直接比较，能够对边坡水土流失整体变化情况做出定量判定。通过建立基于便携式三维激光扫描仪的点云数据拼接机制、去噪机制、参数率定机制及误差消除机制，并将便携三维激光扫描技术与无人机、全站仪、RTK等常规测量手段相结合，可为生产建设项目水土保持设施验收中土壤流失、工程开挖量及堆积量评估提供由点到面、由内到外更加全面的基础数据。

(3)通过研发和推广该信息化手段，可对水土保持工程措施进行直观量测、实时监测、追溯监测、快速分析，并能做到无损、快速、准确，以替换低效率核查、套用施工单位数据等带来的质量问题和经济损失。该项技术还可用于水土保持方案编制、区域评估、水土保持监测、水土保持监理等各项技术服务，通过创新方法手段，压实工作责任，推动验收工作顺利进行。