1、-. z.- - - z - FARO三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕過程監測中的應用摘要：中國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，水土流失分布圍廣、面積大，為了更好地解決水土流失造成的制約經濟、社會、政治、文化協調開展的嚴重問題。本文以黃土高原坡面模型為例,通過模擬天然降雨為動力條件對黃土高原土壤侵蝕沖刷現象，獲取不同的土壤侵蝕量和侵蝕溝的演變過程，分析土壤侵蝕機理，論述三維點云數據獲取、數據處理、數據分析、數據應用的根本方法，分析土壤細溝侵蝕、淺溝侵蝕、切溝侵蝕、沖溝侵蝕的演變機理，對于制定治理水土流失方案，科學指導水土保持措施配置有重要的實踐意義。關鍵詞：三維激光掃描儀；點云數據；侵蝕；坡面

2、形態；細溝；FARO 3DLaser Scannerinthe Process ofSoil ErosioninSlopeMonitoringAbstract：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

3、on economic, social, political and cultural development of. In this paper, the Loess Plateau slope model, for e*ample, 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

4、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, wat

5、er conservation measures scientific guidance has important practical configuration significance.Key words：3D laser scanner；Point cloud data；Erosion；Slope form；Rill；三維激光掃描技術是一種先進的全自動、高精度、立體式掃描技術，又稱為實景復制技術，是繼GPS空間定位技術后的又一項具有劃時代意義的新型測繪技術，使測繪數據的獲取方法、效勞水平、數據處理等進入一個全新的開展階段1。三維激光掃描儀獲得的原始數據為點云數據，點云數據是大量掃描離散

6、點的集合體，是指通過3D掃描儀獲取的海量點云數據，掃描資料以點的形式記錄，每一個點包含有三維坐標*、Y、Z，有些可能含有顏色信息RGB或反射強度信息Intensity2。顏色信息通常是通過相機獲取彩色影像，然后將對應位置像素的顏色信息RGB賦予點云中對應的點。強度信息的獲取是激光掃描儀接收裝置采集到的回波強度，此強度信息與目標外表材質、粗糙度、入射角方向、儀器的發射能量以及激光波長有關。三維激光掃描的主要優點是實時性、主動性、適應性好，經過簡單的處理便可以滿足多種情況的應用需求，包括滿足輸出到CAD或其它成圖軟件如ArcGis的要求3。二十世紀九十年代末，激光測量技術得到巨大開展，在很多領域都

7、取得了成功。尤其是以三維激光掃描測量技術為代表的激光測距技術的開展，使激光測量技術在以下幾個方面得到突破： = 1 * GB3 激光測距從一維測距向二維、三維掃描開展； = 2 * GB3 實現無合作目標快速高精度測距； = 3 * GB3 實現測量數據(距離和角度)的自動采集和傳輸3。三維激光掃描儀作為一種新型的非接觸式海量高精度數據獲取手段，在國外的眾多領域得到了廣泛應用，已成為空間數據獲取的重要手段3。特別是機載激光掃描系統開展很快,已經用于快速獲取大面積三維地形數據4，基于地面的三維激光掃描系統目前正引起廣泛的關注,是三維激光掃描開展的一個重要方向。目前國三維激光掃描儀在建筑與土木工程

8、如城市規劃、數字城市、隧道工程、公路驗收、沉降監測、建筑構造平安檢查、城市災害分析、橋梁改造、鐵路建立、機場及港口建立；文物遺產保護如古建筑保護、遺址挖掘保護、古生物記錄、數字博物館；地質與科研應用如地形測繪、滑坡監測、礦區作業、林業綠量；電力與水利應用如變電站、電力巡線、水庫大壩；制造業及數字工廠如工廠設施、檢測和逆向工程、航空、船舶制造；公共平安應用如交通事故、犯罪現場等領域有著很廣泛的用途。傳統測量方式是單點采集數據,獲取的是單點數據,而三維激光掃描測量技術不需要合作目標,可以自動、連續、快速地獲取目標物外表的密集采樣點數據,獲取的信息量也從點的空間位置信息擴展到目標物的紋理信息和顏色信

9、息,并且擁有許多自己獨特的優勢,如: 數據獲取速度快、實時性強；數據量大,精度較高；主動性強,能全天候工作；全數字特征,信息傳輸、加工、表達容易5。細溝侵蝕是坡面地表土壤侵蝕的主要方式之一，是非常復雜的土壤侵蝕過程，研究細溝侵蝕過程及其影響機制一直是土壤侵蝕領域研究的熱點和重點。關于降雨強度、降雨量、土壤性質、坡度、坡長、坡形、土壤前期含水量等眾多因素對土壤細溝侵蝕影響以及不同因素組合情況下細溝侵蝕過程的研究已經取得了豐碩的成果6-9。蔡強國等6、M.J.S inger等7研究說明表土結皮的形成對細溝的形成和開展有著很大的影響。以往許多學者對細溝侵蝕的發育演變過程進展了詳細而全面的研究,但還未

10、充分認識和掌握細溝侵蝕的形成和演化機理。受以往的研究條件和手段的局限,目前太多的研究方向集中在細溝產生的臨界條件、影響細溝侵蝕的因素、細溝形態及細溝發育過程的主觀描述和產流產沙過程階段,且集中在單次降雨條件下的細溝發育過程的研究。為了研究坡面土壤在不同坡度、不同地形地貌情況下的水土流失情況，更好的說明坡面土壤水土流失的詳細細節問題，個人認為：研究細溝侵蝕的動態演化過程, 細溝侵蝕所處的不同階段(小跌水、下切溝頭、斷續細溝、連續細溝、細溝網等)的沖刷侵蝕過程,這些研究分析需要從無細溝坡面土壤到細溝產生進展多場次不同雨強降雨沖刷,再利用三維激光掃描儀對每一階段土壤外表細微地形變化過程進展掃描監測，

11、這樣對坡面細溝發育過程實現的全方位監測，彌補了以往諸多學者研究的缺乏。因此,通過室人工降雨系統模擬降雨實驗,結合三維激光掃描儀對各場次降雨后坡面土壤地表掃描監測,研究同一坡面經過多場降雨地形地貌發育過程以及相應的泥沙徑流量和侵蝕量的變化過程。這項研究為解釋土壤侵蝕過程有一定的實際意義, 對于制定水土流失治理方案，科學指導水土保持措施配置有重要的實踐意義。1 三維激光掃描儀簡介及工作原理1.1簡介1.1.1 FARO Focus 3D三維激光掃描儀圖1 FARO的Focus 3D三維激光掃描儀本文采用FARO 的Focus 3D三維激光掃描儀(見圖1)，結合三維激光掃描儀的根本工作原理,探討從數

12、據獲取到應用的整個流程，通過對黃土高原坡面模型(見圖2)的數據掃描、數據處理、數據分析、數據應用,論述采用三維激光掃描儀獲取空間數據的流程,從而制定治理黃土高原水土流失及治理方案，科學指導水土保持措施配置的研究。圖2 黃土高原坡面模型1.1.2 FARO 的Focus 3D三維激光掃描儀特點：Focus 3D三維激光掃描儀具有以下優點：小巧方便，Focus 3D是現今最小最方便的掃描儀；觸摸屏，FARO在用戶友好方面建立了一個新標準；集成彩色相機，7000萬像素的全真三維圖像； = 4 * GB3 SD卡，SD卡可以更平安儲存數據，并且實現與電腦的瞬間傳輸數據處理和接口，利用工業級標準的自動注

13、冊軟件可以自動處理數據； = 5 * GB3 高效電池，置電池使用五個小時，充電快速，而且在操作過程中即可更換。1.2工作原理1.2.1 三維激光掃描測量系統工作原理地面三維激光掃描系統根本由地面三維激光掃描儀、系統軟件、電源、附屬設備構成，隨著制造業的快速開展，設備向高集成度一體化方向開展。地面的三維激光掃描儀類型很多,如有Leica公司的HDS系列,奧地利Riegl公司出品的LMS2Z420i，Trimble公司生產Mensi GS200三維激光掃描儀等,不同設備制造商的掃描儀獲取的數據質量(例如:分辨率、精度、掃描速度、激光射束發散性)不同,但三維激光掃描儀的根本工作原理在本質上都是一樣

14、的10。三維激光掃描儀的根本構造包括：一臺高速準確激光測距儀、一組引導激光并以均勻角速度旋轉的反射棱鏡，通過傳動裝置的運動掃描,完成對目標物體外表全方位掃描,然后通過置計算機實時進展數據整理,經過一系列處理后獲取目標外表的點云數據。激光測距儀由激光發射器、接收器、時間計數器、微電腦組成。激光測距主要應用兩種測量原理：脈沖測時測距和激光相位差測距。脈沖式測距包括以下過程,激光發射器周期地驅動激光二極管發射激光脈沖,同時承受由目標外表后向反射信號,利用穩定的石英鐘對發射與接收時間差作計數,利用微電腦計算儀器和掃描點間的距離。相位式測距則是通過測定激光在待測距離上往返傳播所產生的相位延遲而間接測定傳

15、播時間,從而求得待測距離，與脈沖式測距相比相位式測距速度更快11。三維激光掃描儀的原始觀測數據主要包括: 根據兩個連續轉動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到的激光束的水平方向值和豎直方向值；根據激光傳播的時間計算得儀器到掃描點的距離,根據這個距離,再配合激光束的水平方向角和垂直方向角,可以得到每一掃描點相對于儀器的空間相對坐標,如圖3所示；掃描點的反射強度等，根據前兩種數據計算掃描點的三維坐標,掃描點的反射強度則用來給反射點匹配顏色，點的表示形式為( *,y,z, reflectivity)不僅包含點的空間位置還包含點的反射強度2。Z*YP*,y,zS圖3 地面三維激光掃描儀掃描系統定位原理

16、三維激光掃描儀的工作過程,實際上就是一個不斷數據采集和處理過程,它通過具有一定分辨率的空間點坐標( *，y，z) ,其坐標系是一個與掃描儀設置位置和掃描儀姿態有關的儀器坐標系所組成的點云圖來表達系統對目標物體外表的采樣結果12。1.2.2 三維激光掃描測量的定位原理地面三維激光掃描測量系統對物體進展掃描后采集到的空間位置信息是以儀器特定的坐標系統為基準的,這種特殊的坐標系稱為儀器坐標系,不同儀器采用的坐標軸方向可能不盡一樣,通常其定義為：坐標原點位于激光束發射處, Z 軸位于儀器的豎向掃描面,向上為正；* 軸位于儀器的橫向掃描面與Z 軸垂直，且垂直于物體所在方向；Y 軸位于儀器的橫向掃描面與*

17、 軸垂直，且與* 軸、Y 軸一起構成右手坐標系，同時Y 軸正方向指向物體13。三維激光掃描點的坐標( *,y,z) 在圖3中計算公式為* = S cos sin,Y = S cos cos, 1Z = S sin.式中：為激光束的豎直方向角,為激光束的水平方向角,S為儀器到掃描點的斜距。1.2.3 三維激光掃描數據處理想要利用三位激光掃描儀獲取的目標物點云數據滿足相應的需求,必須經過一系列的數據處理過程,三維激光掃描數據處理可分為兩個步驟:掃描數據的預處理和最終產品，常用的數據處理工作流程如圖4所示：目標物點云數據獲取各站數據注冊，統一坐標系，拼接目標物形成完整點云圖3D模型需求格式文件TIN

18、、DEM圖4 三維激光掃描數據處理流程圖數據預處理是指掃描完成后直接在點云數據上的處理操作,包括數據拼接、坐標糾正、數據濾波、地理參考、數據分割、曲面擬合和格網建立等。數據拼接是為了能夠保證完全覆蓋目標區域，采取對目標區域進展多站掃描，掃描完畢后將數站數據拼接在一起，使目標區域成為一幅完整的點云數據；坐標糾正是在掃描區域中設置控制點或標靶點,使得相鄰區域的掃描點云圖上有3個以上不在同一條直線上的同名控制點或控制標靶，通過控制點的強制附合注冊,將相鄰的掃描點云數據圖統一到同一個坐標系下；數據濾波主要是為了減少數據的噪聲點，減小數據誤差；地理參考是把儀器坐標系下的點云數據轉化到當地或全球坐標系統下

19、；數據分割是將點云數據劃分到不同的點云子集中,每個點云子集代表同一種曲面形式；曲面擬合是運用數學方法確定點云子集所屬外表類型的數學形式；格網建立時在點云數據上的三角網建立，為建立模型做準備14。最終的產品形式主要有3D 模型、格式文件D*F、PT*、PTS、T*T等、正射影像；在3D 模型上可以提取等高線、剖面圖等，利用導出的格式數據文在可以在CAD、Arcgis中進展進一步處理，進而生成不同的產品，如TIN、DEM等。2 實驗過程2.1 實驗設計實驗是對黃委會水土保持研究所(花園路水科路)黃土高原坡面模型掃描,采用FARO Focus 3D三維激光掃描儀和處理軟件SCENE處理數據, FAR

20、O 的Focus 3D的主要技術指標：Focus 3D 控制簡單，設計緊湊，能夠適用于各種情況，包括建筑物建檔，施工監測，逆向工程，文物保護以及犯罪現場調查等，采用相位式測距法, 掃描速度976,000點/秒，準確度到達毫米級,掃描最大距離為120 m，采用直觀的觸摸屏，高獨立性，無需額外的電纜或者筆記本。尺寸為24*20*10cm，質量5Kg，攜帶方便。還有一個功能是可以無線連接移動終端，如手機、平板電腦、掌上計算機等等，通過便攜移動終端無線連接掃描儀，從而進展遠程遙控操作，這一功能的優點在于要掃描測量人員不便進入的空間位置或者對操作人員有一定的危險性位置，測量操作人員可以通過無線移動終端連

21、接到掃描設備對掃描儀遠程遙控。掃描前進展的準備工作：首先要對掃描模型目標物區域進展現場堪踏,通過現場勘踏以確定掃描順序,掃描的測站數、測站位置,標靶數，標靶位置。由于黃土高原坡面模型規模較小，模型是參照黃土高原溝壑發育的地貌按一定比例縮小堆砌而成的，地貌形狀比擬簡單，因此想要獲取黃土高原淤洪壩模型外表的完整點云數據僅須進展一站掃描。掃描黃土高原淤洪壩模型的掃描距離為20m27m,掃描分辨率設置為1/3分辨率,采樣顏色為黑白，經過估測掃描，數據的掃描預估時間為315，水平掃描角度為30，豎直掃描角度均為-7090，這些設置經過勘踏和粗測，能夠保證在整個實驗掃描過程中掃描到整個模型。本次實驗的掃描

22、站點設置在人工降雨支架之上， FARO Focus 3D的掃描距離為120m, 人工降雨系統高24m，這個距離在掃描儀器的有效工作圍之，掃描方向為俯瞰掃描。實驗方案每次降雨之后掃描1站。由于黃土高原淤洪壩模型面積較小,因此主要采用球標靶,放置黃土高原坡面模型的四個邊角上如圖5，球標靶一旦放置，在整個實驗完畢之前，不能觸碰和移動，一旦球標靶移動，會導致掃描數據精度降低，甚至導致整個實驗掃描的失敗。圖5 三維激光掃描儀球標靶位置圖實驗過程采用頂部噴頭自動降雨系統，噴頭距離地面高度為23m。實驗降雨強度按1.0mm/min、2.0mm/min、3.0mm/min順序循環。實驗所用模型設計規格：分一支

23、溝、二支溝、三支溝，模型下端設集流裝置,用來收集徑流泥沙樣品。土壤取自黃河岸耕地表層土作為實驗用土，土壤顆粒以細沙粒土和粉粒土為主，坡面初始處理為平整曲面裸坡。降雨徑流產生后每隔2min取1次樣,18分鐘后每隔5分鐘取一次樣，用烘焙法測量獲得瞬時徑流含沙量。用高錳酸鉀溶液染色測定各支溝表層水流最大流速。試驗模型在堆砌完成后第一次降雨之前先用FARO Focus 3D三維激光掃描儀對目標物地表先進展第一次掃描, 獲取的坡面點云數據記作A0(本次實驗坡面地形掃描誤差控制在2mm圍之)。掃描完成后進展第1次人工模擬降雨,雨強為1.0mm/min，至溝壑積水出現漫過淤洪壩時完畢，然后等待各支溝及坡面外

24、表積水下滲完畢無積水時，進展第二次模型外表掃描，獲得模型外表點云數據記作A1。A1掃描完畢后,以2.0mm/min雨強繼續進展第2次降雨, 降雨下滲無積水后再次掃描地表得點云數據記作A2。掃描完畢，以3.0mm/min降雨強度再次進展降雨，完畢靜置無水后進展掃描，獲得點云數據記作A3。按照1.0mm/min、2.0mm/min、3.0mm/min雨強順序循環重復上述操作，依次記作A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12。本次實驗共降雨12次，掃描13次。2.2 數據處理2.2.1 標靶坐標糾正坐標糾正有兩種方法,即采用球標靶糾正和點云糾正。第一種適用條件是相鄰兩個測站之間有3

25、 個或3個以上公共標靶點,利用公共標靶作為約束條件進展糾正。后一種方式是兩測站之間公共標靶數缺乏3 個或無標靶,采用同名點進展糾正,這種方式誤差較大。要轉為實測坐標,還需導入3 個以上標靶的測量坐標,把儀器坐標系下的標靶坐標糾正成到實際測量坐標,這樣所有的點云數據轉換為公用坐標系下的坐標方便比照分析。由于此次掃描球標靶有4個,采用球標靶糾正方法,糾正后的點云圖如圖6所示。圖6三維激光掃描點糾正后的點云圖實驗采用第一次儀器掃描數據測得球標靶坐標作為參考坐標系，用于把實驗掃描獲得的所有點云數據糾正到參考坐標系下,坐標系文件格式保存為為.csv格式,使用時直接將該文件拖進數據處理軟件SCENE的操作

26、界面即可完成所有數據的轉換統一。本次實驗測得4個球標靶的測量坐標,如表1 所示。表1 標靶的測量坐標單位：m球標靶號*坐標系Y坐標系Z坐標系123414.48308416.6059274.8270242.781693-1.258903-5.248828-5.753041-0.76883512.04385611.83167812.10262711.825369由于球標靶坐標系中*、Y、Z中存在負值，為了便于數據的分析比擬，同時對*、Y值加500予以坐標平移，使數據都為正值，平移依舊保存為.csv格式文件，作為此次整個實驗過程數據處理的控制坐標系，獲得平移后的坐標系如表2表2 標靶的糾正坐標單位：

27、m球標靶號*坐標系Y坐標系Z坐標系1234514.483084516.605927504.827024502.781693498.741096494.751172494.246958499.23116512.04385611.83167812.10262711.8253692.2.2 數據濾波掃描黃土高原淤洪壩模型時如遇遮擋物如此次實驗過程中放置在模型上方的橫鐵桿和高速攝像機就會在點云數據外表形成空洞，即噪點數據。通過對點云的分割和濾波,除去各測站點掃描獲得云圖的噪聲點,包括非目標物采樣點,如橫鐵桿、降雨系統噴頭等，進而提取出目標物的點云數據，對濾波后數據進展裁剪，將模型周圍的點云數據裁剪掉，

28、獲得模型外表的點云數據，從而到達去除冗余數據，減小數據量的目的，如圖7所示。圖7三維激光掃描模型外表點云數據圖經過對掃描數據一系列處理后，可以根據需要導出數據，如D*F、PT*、PTS、T*T等，這些數據文件可以在CAD、ArcGis等軟件中進一步處理后得到相關產品。3結果與分析3.1 同一坡面連續多場次降雨產流過程分析表3降雨徑流的主要特征參數降雨場次降雨強度mm/min泥水總重g平均泥水重g泥沙總重g平均泥沙重g平均輸沙率1第三場第四場第五場第六場第七場第八場第九場第十場第十一場3.01.02.03.01.02.03.01.02.06885.5000 3998.9000 5542.6000

29、 7078.0000 3639.2000 4274.6000 8820.9000 4127.7000 6519.6000573.7917 333.2417 461.8833 589.8333 303.2667 328.8154 678.5308 375.2455 592.69091077.5000 844.0000 1035.1000 1473.7000 626.0000 677.5000 1719.7000 573.4000 1630.700089.7917 37.0092 63.1642 99.2150 37.0033 52.1154 118.7140 52.1273 94.903315.

30、6488%11.1058%13.6754%16.8209%12.2016%15.8494%17.4957%13.8915%16.0123%表3反映的是同一坡面經過多場降雨徑流的主要特征參數變化,通過分析表3數據可知,由于第一場降雨時土壤含水量較低，且降雨強度為1.0mm/min，雨強小，降雨初期水分下滲很快,沒有產生徑流。第二場降雨在第一場降雨的根底上進展,降雨強度為2.0mm/min，雨強相對較大，在經過第一場降雨以后，坡面表層土壤含水量已經根本趨近飽和,經過持續降雨開場起流,但由于雨強依舊小，所以徑流產生慢而且很小，徑流水所攜帶泥沙量也很小。到第三場降雨時，降雨強度為3.0mm/min，這

31、次產流極快，徑流含沙量也相對較大，徑流輸沙率很高。輸沙率指單位時間單位面積坡面聚集于土槽下端集流裝置中徑流所攜帶的泥沙量(g/( m2.min) )。綜合比擬各場降雨徑流的主要特征參數可以總結出一個趨勢：泥水總重、平均泥水重、泥沙總重、平均泥沙重和降雨強度呈正相關關系。比擬降雨徑流的主要特征參數最后一列平均輸沙率數據可以看出平均輸沙率隨著降雨強度的增大而增加，而且每一個降雨循環也是呈現逐漸遞增關系，即第四場、第七場、第十場降雨強度均為1.0mm/min，平均輸沙率為11.1058%、12.2016%、13.8915%；第五場、第八場、第十一場降雨強度均為2.0mm/min，平均輸沙率為13.6

32、754%、15.8494%、16.0123%；第三場、第六場、第九場降雨強度均為3.0mm/min，平均輸沙率為15.6488%、16.8209%、17.4957%，這是因為在土壤地表形成細溝以后，徑流對土壤侵蝕作用有增強加劇的趨勢，在降雨實驗過程中,當地表土壤入滲穩定或者土壤水分飽和后，在坡面土壤外表抗蝕能力小于水流剪切力的位置,會首先出現一個個小跌落坎,這些跌落坎侵蝕不斷后退形成細溝，然后細溝不斷分叉、連接形成細溝網9。在細溝形成的過程中，伴隨著土壤的分散、搬運、輸移現象, 此時坡面徑流對坡面的侵蝕遠遠超過雨滴對土壤的擊濺、分散能力,在坡面侵蝕中占主要地位15。圖7直觀的反映出平均輸沙率與

33、降雨強度的關系，平均輸沙率和降雨強度保持正相關。圖7雨強與輸沙率關系折線圖第三場至第十一場降雨均呈現相似趨勢：降雨開場后輸沙率迅速增大, 隨后穩步增加并伴隨著一定起伏。這是因為在這個階段, 細溝發育穩定,伴隨著溝底下切、溝壁崩塌、溝頭溯源侵蝕、細溝溝網逐漸形成。細溝發育過程中產流產沙表現為：在第一場降雨初期,土壤前期含水量較低,水分入滲較快,其打擊濺蝕作用明顯, 使地表出現了很多從土體上別離出來的松散土粒。隨著降雨歷時的延長，表層土壤含水量逐漸到達飽和,降雨的水量不能繼續轉變為土壤水分和下滲, 產流量加大，導致坡面土壤疏松、分散的土壤顆粒被坡面表層水流分散轉移,從而引起輸沙率的迅速增加。隨著降

34、雨場次的增多,細溝逐漸形成,產流率趨于穩定,而由于徑流對細溝的不斷沖刷、掏蝕,致使輸沙率穩步增加并伴隨著一定的起伏。1號壩、2號壩、3號壩、4號壩、5號壩后的淤泥深度從降雨前的初始0m到最后一場雨完畢后的0.145m、0.128m、0.091m、0.083m、0.068m，這些足以說明坡面土壤侵蝕存在著穩步開展和不斷加強的過程。將各次預處理后的的掃描點云數據在ArcGis中進一步處理加工，把十三次的掃描點云數據生成不規則三角網TIN圖像，表4中為A0、A4、A9、A13的TIN圖像。表4直觀坡面侵蝕形態的空間分布及其變化：圖A0-TIN顯示，模擬降雨試驗之前的坡面光滑平整圖A0-TIN，隨著高

35、程的逐漸增高測量數據生成的模擬圖像顯示出由低到高的漸變效果圖A0-TIN。第四次模擬降雨后，利用三維激光掃描儀測量數據生成TIN圖像跟實拍相片的擬合度非常好，特別是坡面上發生嚴重侵蝕的中部和下部非常相似，反映了三維激光掃描儀監測土壤侵蝕的精度較高。在生成圖像圖A9-TIN1-2m處出現了深淺交織的明暗條紋，這與實拍相片坡面中出現的細溝間與細溝位置一一對應，特別是下部從左至右的兩條主細溝在生成圖像上表現的非常明顯。實拍相片2-3 m處出現的細溝圖A9-TIN在生成圖像上也能得到直觀的反映，并且侵蝕形態的模擬也非常相似；第十二次降雨后生成圖像完美的模擬了中間主溝的開展形態圖A13-TIN，圖A13

36、-照片中溝兩邊的細溝在生成圖像上得到了很好的反映，實拍相片上侵蝕溝的分叉與合并現象也在生成圖像上得到很好的反映。表4不規則三角網TIN和照片比照圖像A0-TINA0-照片A4-TINA4-照片A9-TINA9-TINA13-TINA13-照片通過對收集到的所有泥沙烘干稱重得到泥沙和容器重量為1218.266kg，容器桶單個重0.5355kg，共用92個桶，總重49.266kg，泥沙凈重為1218.266-49.266=1169kg,通過三維激光掃描儀對降雨前地貌掃描和各次降雨之后地貌變化的監測掃描，將各次掃描數據在儀器配套軟件SCENE中進展數據拼接、坐標糾正、數據濾波、地理參考、數據分割、曲

37、面擬合和格網建立等操作后，導出.d*f文件，將.d*f文件在ArcGis10.0中翻開，利用ArcGis10.0的體積計算功能，計算出各次降雨后的體積,分別為3.78m3、3.75m3、3.73m3、3.70m3、3.67m3、3.64m3、3.62m3、3.59m3、3.52m3、3.47m3、3.42m3、3.39m3、3.33m3，降雨之前和最后一次降雨之后的體積變化量為3.78-3.33=0.45m3,坡面體積變化了0.45立方米，通過查詢資料知道干泥沙密度為2.5*1000kg/m3，根據公式 m=V，得泥沙質量為2.5*1000*0.45，即1125kg，再根據公式：=/L*100

38、%=|m測-L|式中：為實際相對誤差，為絕對誤差，L真值計算出實驗的相對誤差為=1169-1125/1169*100%=3.76%,說明三位激光掃描儀在此次實驗中的應用時很成功的。3.2 結論與討論本文通過實例闡述了三維激光掃描儀在坡面土壤侵蝕監測過程中的詳細應用過程，淺溝侵蝕是我國黃土高原特有的侵蝕方式，對其研究是從土壤侵蝕分類和坡面土壤侵蝕垂直帶劃分開場的，而對其進展定量分析起于20世紀80年代16。目前研究仍局限在淺溝侵蝕量、淺溝發生的臨界坡長與坡度及其影響因素、集水面積、淺溝橫斷面形態等方面。淺溝水流水力學特性、淺溝槽與淺溝區泥沙輸移關系、淺溝侵蝕過程動力機制等方面的較為系統的研究報道

39、較少17。科利等18通過定位觀測及人工模擬降雨試驗得出發生淺溝的臨界坡度為1520。切溝侵蝕在現代土壤侵蝕中具有重要位置。新和、粉莉等19從切溝開展階段劃分、切溝開展過程的主要方式、切溝侵蝕影響因素、切溝侵蝕預報模型和切溝侵蝕測量技術等方面較全面論述了切溝侵蝕研究現狀，提出了切溝侵蝕研究待加強的研究領域有：切溝侵蝕發生演變過程、切溝侵蝕影響機理，切溝侵蝕預報模型，切溝侵蝕研究法與技術。利用三維激光掃描儀可以很好地對坡面細溝侵蝕過程進展動態監測，彌補以前諸多學者研究的缺乏，利用三位激光掃描儀可以直觀地監測坡面各點的細微地形變化,與以往研究中使用的儀器相比具有使用方便、精度高、監測圍大等優點,是一

40、種應用于監測降雨前后坡面微地形變化的新方法。筆者認為三維激光掃描儀非常適合用于野外監測侵蝕發育過程,并且可將掃描結果應用于侵蝕模型的建立。鵬采用高精度GPS、三維激光掃描儀和測針板三種不同測量方法對同一坡面土壤侵蝕過程進展測量，從測量侵蝕量估算精度、測量操作人員素質、經濟投入等幾個方面進展比照，論述了三種測量方法的優缺點20。測量精度和侵蝕量估算從高到低順序依次為三維激光掃描儀、高精度GPS、測針板；測量人員素質要求方面高精度GPS和三維激光掃描儀對測量人員的操作水平要求相對較高，兩者都需要測量人員具有相當高的專業測量知識；測針板法操作簡單易行，對測量人員專業素質要求也不高。經濟投入方面，三維激光掃描儀作為高新技術的前期投入最高，高精度GPS價格次之，測針板的制作材料很容易取得，所以前期投入在三者當中最低。綜合以上各個方面來說，三維激光掃描儀擁的優勢是