基于三维激光扫描技术在崩岗侵蚀监测中的地形建模研究

基于三维激光扫描技术在崩岗侵蚀监测中的地形建模研究

黄雪清袁苏龙冯海宁朱镇鹏冼志壕韩标标

广州地理研究所广东广州510070

摘要：针对南方崩岗危害大，传统监测技术手段时间长、精度低、机理不清等问题，文章以广东梅州市五华县河东镇万华村崩岗研究对象，通过外业三维激光扫描实地调查和内业不规则三角网构建崩岗三维地貌，确立了三维激光扫描技术定量观测崩岗侵蚀形态及过程的数据采集、处理、分析流程；分析了崩岗侵蚀水土流失与侵蚀产沙堆积的变化；并在广东省五华县河东镇万华村（0.67hm2）得到推广应用，有效提高了崩岗调查的精度和效率。

关键词：三维激光扫描技术；崩岗侵蚀监测；不规则三角网；地形建模

1引言

三维激光扫描技术是测绘领域继GPS技术后一项创新的数据获取手段，通过高速脉冲激光或相位激光的扫描测量的方法，可实时获得全方位、高精度、高分辨率的空间三维点云数据，能很好解决目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶问题。这对于地表变化剧烈的崩岗侵蚀监测研究中快速构建地形复杂、结构不规则的侵蚀场景具有独特的优势，并引起政府管理部门和国内科研人员的广泛关注。

崩岗作为南方红壤侵蚀区强度侵蚀的典型类型[1]，是我国岭南~江南一带以南风化花岗岩地区特有的现象，主要分布在福建、广东、江西、广西，安徽，湖南，湖北等七省（自治区），以广东省、福建省、江西省居多[2]，其形成受自然因素和人为因素的影响。崩岗侵蚀作为一种地貌过程，既是空间的轨迹，又是时间的函数。高强度的侵蚀产沙，复杂多变的空间形态，以及水力—重力复合侵蚀，是崩岗发育的主要特点[3-6]。

目前，三维激光扫描技术的应用研究主要集中在数字矿山、建筑设计、森林测绘、隧道构建等方面，白立飞等[7]认为三维激光扫描技术非常适用于获取矿山的复杂表面和高危区域的空间三维信息；索俊锋等[8]结合三维激光扫描技术和现代测量技术，借助古建筑实体建模，发现三维激光扫描技术适用于具有高复杂度几何特征的精细化、真实感建模场景等。总体而言，国内三维激光扫描技术的研究已初步建立且日趋完善，极大地丰富了三维激光扫描技术的内涵，为切实提升各行各业的精细化测量和高精度高分辨率的三维建模提供了理论基础和科学支撑，但从现有相关研究来看，尚存以下不足：当前三维激光扫描技术研究热点为建筑和工程方面，国内已有的水土保持研究应用上其文献相对较少，在空间范围上较少关注三维激光扫描技术对崩岗侵蚀监测和地形建模方法。因此，采用有效的地形建模技术构建崩岗侵蚀地貌特征已成为当崩岗侵蚀监测中亟待研究的重要内容。

2研究区域

研究区位于广东五华县河东镇万华村崩岗，地处五华县中部，距五华县县城华城镇西北方向约3.5公里，地理坐标北纬23°52′43.85″，东经115°50′47.81″，属南亚热带季风气候区，高温多雨，年平均气温20℃～22℃，年平均降水量在1456mm～2032mm之间，水热条件充足。五华河东镇万华村崩岗目前正处于发育上升阶段，侵蚀活动强烈，地形陡峭、坡度大、崩岗瓢型边缘深度切割使得崩岗水力侵蚀与重力侵蚀交替进行，为崩岗发育提供条件和动力，是开展崩岗侵蚀监测研究的理想研究对象。

3数据采集与处理

在研究区域2014年5月－2015年5月雨季期间，多次用RigelVZ1000三维激光扫描仪对河东镇万华村崩岗进行了定位监测，本次选取2014年5月首期首次监测及2015年5月末期监测两者之间的地形变化进行建模。高精度高速激光测距、可同时探测到多重目标的细节信息及能够产生完全线性、均匀分布、单一方向、完全平行的扫描激光点云线技术优势，使得研究区域能在恶劣降雨环境条件下完成高精度的测量任务，形成三维模型表面精度可达±2mm，在开机和运行过程中会自动定期实施测量精度自我检测，从而保证数据的正确性。

4三维地形模型构建

在Arcgis中用离散点云数据进行空间建模，实际上是一个参数化的过程。自然条件下，点云数据越密集，地形表面便越陡峭，等高线高度密集堆积的边缘为崩岗的流域界线标志。根据点云的分布情况初步判断TIN表面的精细程度，输入参数为河东镇万华村崩岗监测首期期和监测末期的点云数据，得出TIN模型，TIN模型作为下一步DEM的原始参数，输出DEM，为了构建更真实的场景，DEM进一步构建山体阴影，可分析出构造地貌容易受侵蚀或发生水崩的高坡度区域。最后，用渲染工具转换成三维模式，完成三维崩岗模型构建。

5结论与分析

首期监测并进行地形建模发现，河东万华崩岗属于风化花岗岩瓢型崩岗，在地形建模凹坡部位处清晰可见叶脉状水流冲沟，平面形态似水瓢。初始监测高程介于187.3020m~257.7650m之间，而末期最高点由257.7650m下降至257.4100m，一年内侵蚀基准面下降0.0355m，最低点由首期187.3020m增加至187.3980m，由重力和水蚀合并作用下产沙堆积比首次监测增加0.0960m，产沙量较大。

本项目以广东省五华县河东镇万华村崩岗小流域（0.67hm2）作为研究试点，通过野外实地调查，结合原位实验和RigelVZ1000三维激光扫描仪，分析了崩岗与地形、坡度的关系；确立了三维激光扫描法定量观测崩岗侵蚀形态及过程的数据获取、处理、分析流程，形成崩岗快速高精度监测建模技术，并在广东省五华县河东镇万华村（0.67hm2）得到推广应用，有效提高了崩岗调查的精度和效率。项目成果对于摸清崩岗发展速度、评价崩岗治理成效等能提供快速有效的监测方法和技术手段。

参考文献

[1]阮伏水.福建崩岗沟侵蚀机理探讨[J].福建师范大学学报(自然科学版),1996(S1):24-31.

[2]俞慎,许敬华.南方红壤区崩岗侵蚀治理综合效益评价[J].福建农林大学学报(自然科学版),2016,45(04):361-370.

[3]XuJX.Benggangerosion:theinfluencingfactors[J].Catena,1996,27:249－263.

[4]张大林,刘希林.崩岗侵蚀地貌的演变过程及阶段划分[J].亚热带资源与环境学报,2011,6(02):23-28.

[5]林敬兰,郑锦文.南方红壤区崩岗侵蚀治理研究进展[J].亚热带水土保持,2014,26(03):34-37.

[6]熊平生.中国南方红壤丘陵区崩岗侵蚀基本问题研究综述[J].亚热带水土保持,2016,28(04):28-32.

[7]白立飞,潘宝玉,张兰.三维激光扫描技术在数字矿山领域的应用[J].测绘科学,2013,38(05):178-179.

[8]索俊锋,刘勇,蒋志勇,郑海晨.基于三维激光扫描点云数据的古建筑建模[J].测绘科学,2017,42(03):179-185.

[9]刘正纲,武文波.基于离散点数据构建TIN的方法[J].辽宁工程技术大学学报,2005(S2):63-65

[10]茆德柱.TIN模型的构建方法研究[D].河海大学,2007.