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基于地面三维激光扫描技术的坡面微地形DEM研究

任磊  
【摘要】:地面三维激光扫描技术能够快速完整、高精度地获得测量目标的三维点云数据,在微观尺度的侵蚀监测方面具有很大的优势,微观地形具有地形表面起伏相对不显著,侵蚀过程地形地貌的变化也不是很明显的特点,这就要求对微地形的测量手段具有高度的准确性,而地面三维激光扫描技术高精度、高密度的点云数据恰恰可以满足这样的要求,同时其非接触性测量的特点可以保证微地形表面在测量过程不被破坏,通过对点云数据进行插值建模生成高精度的微地形DEM能够准确定量的反映微地形的各种地形因子。 研究首先建立了3个坡面径流小区,分别进行3种微地形模拟:PL1(30cm耕深)、PL2(20cm耕深)、PL3(裸坡)。利用Topcon GLS-1500三维激光扫描仪完成了对坡面微地形的测量。 考虑到地面三维激光扫描技术在获取地面三维空间数据的时候往往具有一定的盲目性和随机性,而且获取的地形数据集形式是数以百万计甚至千万计的离散点云数据,这样的特点导致了庞大的数据计算量和高成本的硬件要求以及数据精度的不可靠。研究从微地形DEM的精度分析入手,选取了与微地形精度密切相关的两个指标:水平分辨率和点云密度,分析了其在微地形DEM生成过程中对精度的影响,并探讨了生成微地形DEM时最佳水平分辨率和最佳点云密度的选择方法。 最佳分辨率选择选取了坡度中误差、地表糙度和时间三个指数,分析了它们与微地形DEM分辨率的关系,结果表明:坡度中误差法可以快速的缩小分辨率的选择范围,减少了大量的数据处理过程,增强了后续研究的目的性;随着分辨率的升高,裸坡微地形DEM的地表糙度和翻耕微地形DEM的地表糙度变化趋势相似,并且与分辨率呈现幂函数关系;通过地表糙度和生成DEM所需时间之间的综合考虑,确定了两种微地形DEM的最佳分辨率都为4mm。 最佳点云密度的研究选取了平均误差、标准差和中误差三个DEM精度评价指标,通过对不同点云压缩等级与原始点云密度生成的微地形DEM的精度指标进行分析,选取了在各精度指标均与标准DEM相差不大的最小点云压缩密度20%作为最佳的点云密度。 利用建立的高精度DEM,选取对坡度、坡向这两个微地形因子进行提取和分析,以研究不同微地形表面形态微地形因子的空间和时间上的分布特征。


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