基于三维激光扫描仪的青藏铁路风沙工程效益评价
[张克存
, 安志山, 屈建军, 庞营军]
, 安志山, 屈建军, 庞营军]
引用本文
张克存, 安志山, 屈建军, 庞营军. 基于三维激光扫描仪的青藏铁路风沙工程效益评价. 地球科学进展, 29(10): 1197-1203
Zhang Kecun, An Zhishan, Qu Jianjun, Pang Yingjun. Application of 3D Laser Scanning Technology in the Evaluation of Aeolian Sand Engineering along the Qinghai-Tibet Railway. Advances in Earth Science, 29(10): 1197-1203
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Zhang Kecun, An Zhishan, Qu Jianjun, Pang Yingjun. Application of 3D Laser Scanning Technology in the Evaluation of Aeolian Sand Engineering along the Qinghai-Tibet Railway. Advances in Earth Science, 29(10): 1197-1203
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基于三维激光扫描仪的青藏铁路风沙工程效益评价
作者简介：张克存(1978-),男,甘肃民勤人,研究员,主要从事铁路风沙灾害及其防治研究. E-mail: kecunzh@lzb.ac.cn
摘要
三维激光扫描技术是近年来发展起来的新型空间信息测量技术。将三维激光扫描技术应用于青藏铁路沿线风沙工程防护体系的效益评价中,通过对铁路沿线典型防沙措施积沙形态特征、断面蚀积廓线以及蚀积量的精确测量发现：砾石方格内垂直铁路方向易形成稳定凹曲面,且方格两侧沙埂处积沙较多,中心部位积沙较少,固沙效果显著。阻沙栅栏有效防护距离为栅栏高度的12倍,单位宽度拦截沙量高达14.93 m3,设置防护体系时,阻沙栅栏间隔应保持其高度的9~12倍。研究结论为青藏铁路沿线风沙综合防护体系的措施选择、结构优化和合理布局提供技术支撑。
关键词:
Rocky checkerboard sand barriers; Sand fences; Sand damages; Protective benefit.
中图分类号:P931.3
文献标志码:A
文章编号:1001-8166(2014)10-1197-07
Application of 3D Laser Scanning Technology in the Evaluation of Aeolian Sand Engineering along the Qinghai-Tibet Railway
Abstract
3D laser scanning has been a new technology in measurement of spatial information in recent years. In this paper, this technology was applied tentatively to the efficiency evaluation of the protective system of sand drift control engineering along Qinghai-Tibet Railway. The sand control efficiency of the system was evaluated by accurately measuring the morphology of sand deposition over the typical sand drift control measures, aeolian erosion and deposition profiles of the cross-section and quantities of erosion and deposition using the 3D laser scanning technology. The concave surface of rocky checkerboard sand barriers easily formed along the perpendicularly direction to the railway. Sand accumulation occured more on the sides of rocky checkerboard than its center. The effective distance of sand fences was about 12 H and sand-blocking volume was 14.93 m3 per 1 m width. Therefore, the space of sand fences should remain 9~12 H in the construction of protective systems. The objective of this study is to extend this technology to the measurement of sand disaster threatening other railways, buildings and engineering measures and to the evaluation of the protective efficiency of their control systems, thus eventually providing technical support to the measure selection, structure optimization and rational distribution of the integrative sand drift control system.
Keyword:
砾石方格; 阻沙栅栏; 风沙灾害; 防护效益
三维激光扫描技术, 又称“ 实景复制技术” , 是继GPS 空间定位系统之后测绘技术领域的新突破[1~3]。经过近几年各项技术的发展, 出现了集成多种高新技术的新型测绘仪器— — 地面三维激光扫描仪, 主要以激光测距为基本原理, 可快速高效地获取测量目标的三维影像数据[4]。三维激光扫描技术广泛应用于地形与工程测量、灾害评估、文物考古等领域, 具有非接触目标、扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强和高效率等优点 [5, 6]。近年来, 在自然地理与风沙地貌等相关学科的研究中, 对地形测量的要求越来越高。特别是在风沙灾害及其对目标物的影响过程中, 下垫面形态特征变化显得尤为重要, 无论是研究其地表过程, 还是风沙灾害动态变化与风险评估, 高精度的地形测量手段均是必须的[7]。
随着青藏铁路的全线开通, 沙害问题日益凸现和严重, 风沙灾害已成为影响铁路安全运营的主要环境问题之一。铁路沿线受风沙灾害威胁路段有269.6 km, 占全路段的23.62%。其中, 严重沙害路段10.3 km, 中度沙害路段49.8 km, 轻度沙害路段209.5 km。严重和中度沙害路段主要分布在红梁河、秀水河、北麓河盆地、扎加藏布及措那湖等地[8, 9]。风沙灾害不仅表现在压埋并危害铁道设施, 直接影响列车的安全运营; 而且通过对抛石路基的填充和通风管的阻塞, 影响主动冷却路基的降温效果[10~12]。在铁路修建过程中, 曾仿效内地沙区的沙害防治模式, 采用砾石方格、混凝土阻沙栅栏和羽毛排导沙墙等措施对沿线风沙灾害进行防治, 并取得了一定的成效。然而, 由于地表强烈的风沙活动以及铁路修建后对原始地表的扰动, 铁路沙害正呈现出迅速增长的态势。因此, 为确保青藏铁路安全运营, 保证铁路畅通无阻, 风沙灾害防治则成为当前青藏铁路刻不容缓的紧迫任务。
1. 观测方法及数据处理
本文选择青藏铁路沿线风沙危害的典型路段北麓河, 于2013年8月25日至9月12日期间, 利用Leica Scanstation C10三维激光扫描(地物分辨率高达 2 mm), 对铁路两侧工程防护体系中各种风沙堆积体三维形态进行实地测量, 评价其防护效益(图1)。Leica ScanstationC10带有紧凑的内置双轴倾斜补偿器, 并且具有测量级的精度、距离和视场角, 内置高分辨率数码相机和激光对中器, 最远测程为300 m, 瞬时最大测量速度为50000 点/s, 视场角高达360° × 270° , 采用高密度扫描方式仅需约27 min即可完成整个全景扫描测量, 噪声在50 m 范围内为2 mm。
 | 图1 青藏铁路北麓河段防护体系风沙堆积体三维测量Fig. 1 3D Leica ScanStation (C10) used in the Beiluhe section along the Qinghai-Tibet Railway |
青藏铁路北麓河段(DK1124+500~DK1145+400)风沙防护措施包括砾石方格、混凝土阻沙栅栏、羽毛排导沙墙、尼龙网阻沙障等。外部作业步骤如下：首先, 根据青藏铁路北麓河段风沙防护体系布局确定扫描区域, 从位于铁路西侧路基边坡的固沙措施开始, 延伸至防护工程最外围的阻沙措施。其次, 区域勘察, 确定扫描站点及拼接方式。拼接方式选择主要考虑区域内是否有比较明显的特征点, 如存在有利于后期数据拼接的特征点时, 使用点云拼接, 否则使用标靶拼接。由于本次扫描区域内无明显的特征点, 多幅影像之间拼接方法使用HDS标靶拼接, 每2站之间设置4个标靶球以控制误差。第三, 在扫描站点和标靶控制点分别架设三维激光扫描仪和HDS圆形标靶球。扫描过程中, 单幅影像扫描精度设置为中等精度, 扫描点云密度为10 cm× 10 cm, 使用最大扫描半径, 约为300 m, 内置数码相机照片格式使用自动曝光。单站测区扫描结束后, 在已获得的点云数据中找到HDS标靶球并进行精细扫描, 获得后视标靶的相对坐标, 确定标靶扫描完整无误后, 保存数据, 本站扫描工作结束, 转至下一站进行扫描。
数据后期处理使用三维激光扫描仪标配的Cyclone软件, 可对多景扫描数据进行拼接与建模。首先, 建立专题数据库, 并将外业扫描数据导入Cyclone软件, 选择需要拼接的扫描站点数据及拼接方式, 设置基准站, 拼接过程中严格控制标靶误差, 使其误差≤ 4 mm。其次, 剔除干扰点云, 由于外业扫描的三维点云数据量特别大, 除包含地表三维高程信息外, 还有车辆、杂草等背景噪音, 需要剔除。再次, 在Cyclone软件的mesh 模块中生成TIN模型(图2), 完成点云数据的模型化。最后, 对扫描区域模型进行渲染、照明和贴图, 并生成专题断面图、投影图和等值线图等, 以Auto CAD 和Micro Station 等格式输出数据。
 | 图2 生成砾石方格TIN模型Fig. 2 TIN model of rocky checkerboard-liked sand barrier along the Qinghai-Tibet Railway |
2. 青藏铁路沿线风沙环境
青藏高原是全球独特的地域单元, 受纬度和海拔的制约, 大陆性气候非常明显。气候干燥、风力强劲、冬春季大风日数多, 尤其是以沱沱河为中心, 年均大风日数高达160天以上, 最高风速达32 m/s(表1)。青藏铁路穿越青藏高原的中部地区, 起沙风向相对单一, 持续时间长。年输沙势高于400 VU, 根据Fryberger提出的年均风能量变幅分类标准, 青藏铁路沿线主要地段风能属于高能环境[13]。青藏铁路沿线北麓河段下垫面类型多为河滩及阶地, 属冲、洪积高平原地貌, 地形略有起伏, 海拔高度4500 m。低丘和洼地相间分布, 冲沟发育, 地表植被稀疏。沙物质主要来自河漫滩的河流冲积物, 也有部分沙化草地和活化的古沙丘等。风沙危害路段集中分布在铁路西侧北麓河南岸, 这主要是因为河漫滩沙源物质丰富, 主导起沙风向与铁路垂直, 以西风为主。
青藏铁路沿线降水相对集中、多暴雨, 雨季主要集中在6~9月, 冬春季无积雪覆盖, 地表极度干燥。另外, 青藏铁路沿线属于典型的“ 风旱同季” , 风水蚀和冻融作用时空交错, 地表抗蚀能力差, 干旱多风更利于这一地区风沙灾害的形成和发展。铁路沿线地表类型以沙化草地、干河床/湖盆、风蚀残丘、戈壁为主, 加之受冻融作用影响, 在河湖滩及山麓地带形成大量碎屑松散物, 为风力搬运和堆积提供了充足的物源基础[14, 15]。特别是在全球变暖的背景下, 青藏高原多年冻土退化趋势增强, 导致地表土壤结构离散分解, 将进一步加剧风沙活动强度[16, 17]。
 | 表1 青藏铁路沿线主要站点年均风况 Table 1 Annual wind regimes in the stations along the Qinghai-Tibet Railway |
3、结果分析
3.1 砾石方格
砾石方格是青藏铁路沿线采用的主要固沙措施, 它是在草方格固沙的基础上发展起来的, 两者防沙原理基本相同。即, 通过增大地表粗糙度, 降低风速、削弱风沙流强度, 在方格内形成稳定的风沙蚀积凹曲面, 达到固定流沙的目的[18~22]。青藏铁路沿线石质山体发育, 为砾石方格的就地取材提供了便利。铁路两侧砾石方格铺设规格平均为1 m× 1 m, 砾石块体为不规则棱角状, 大小约为15~25 cm(图3)。由于砾石方格紧靠铁路两侧, 铺设区域原始地表多为裸露草地和戈壁等, 较为平整, 在设置砾石方格时, 直接将砾石块体平铺在原始地表。因此, 砾石方格凹曲面参考面为原始地面线。
在对砾石方格3D地貌激光扫描数据处理过程中, 随机选择测量区域内3个砾石方格, 分别沿垂直和平行铁路方向选取断面, 绘制风沙蚀积断面形态图, 并计算风蚀深度与砾石方格边长之比以及沙面坡度(图4)。在图4 a中, 砾石方格内均形成凹曲面。其中, 1号方格内凹曲面为圆弧状, 最大风蚀深度与方格边长比为1:25, 沙面坡度为7.2° ; 2号方格形成的凹曲面近似圆弧状, 但方格左侧蚀积深度较右侧小, 最大风蚀深度与沙障边长比为1:18, 沙面坡度为9.6° ; 3号方格中心部位风蚀深度较1号方格大, 形成的凹曲面近似“ V” 字型, 最大风蚀深度与方格边长比为1:15, 沙面坡度为11.7° 。在图4 b中, 除3号方格内形成凹曲面且为圆弧状, 最大风蚀深度与方格边长比为1:16, 干沙休止角为11.1° 外, 1号和2号方格内均没有形成凹曲面。
 | 图3 青藏铁路沿线砾石方格Fig. 3 Rocky checkerboard-liked sand barrier along Qinghai-Tibet Railway |
通过分析可知, 由于铁路呈南北走向, 区域常年盛行西风, 因此砾石方格内东西方向涡旋气流较多, 沙面充分蚀积易形成凹曲面。而南风和北风相对较少, 方格内南北方向涡旋气流较少, 对原始沙面蚀积不够充分, 所以平行铁路方向凹曲面没有全部形成。另外, 砾石规格大小不一、分布不均, 砾石块体缝隙之间存在“ 狭管加速” 效应, 扰动格状沙障内部涡旋气流, 不易形成凹曲面或形成的凹曲面不稳定。
 | 图4 砾石方格风沙蚀积断面形态Fig. 4 Aeolian erosion and deposition profiles of rocky checkerboard-liked sand barrier |
评价格状沙障防风固沙效益, 稳定凹曲面的形成是关键。另外, 单位格状沙障内的积沙量也是重要参考指标之一。为此, 通过分析3D地貌激光扫描数据, 计算砾石方格内积沙量及其沿主风向分布规律(图5)。计算过程中引入百分比：指固定宽度内积沙量占整个完整格状沙障内积沙量的百分数。
 | 图5 砾石方格风沙堆积体体积计算示意图Fig. 5 Schematic diagram of volume calculation of rocky checkerboard-liked sand barrier |
由图6可知, 由于砾石方格内部存在涡旋气流, 使得方格两侧沙埂处积沙较多, 中心部位积沙较少。沿垂直铁路方向, 砾石方格内不同部位积沙体积表现为先减小后增加趋势。其中, 右侧的V10处在迎风区域, 由于沙粒受后方沙埂的阻挡, 被迫滞留, 积沙体积最大, 为15× 103 cm3, 占整个砾石方格积沙量的14.9%。V1处在背风区域, 受前方沙埂阻挡, 积沙体积较V10小, 为12.7× 103 cm3, 占总量的12.46%。格状沙障中部的V4区域积沙体积最小, 仅为8.1× 103 cm3, 占总量的7.95%。进一步分析可知砾石方格内背风区域积沙量较迎风区域小。背风区域积沙量为4.8× 103 cm3, 百分比为46.99%; 而迎风区域的积沙体积为5.4× 103 cm3, 百分比为53.01%。造成这种现象的主要原因是当地主导风向为偏西向, 与南北走向的铁路呈大角度相交, 而沙源多位于铁路西侧的上风向, 所以砾石方格内背风侧积沙量较多。
 | 图6 砾石方格沙障内积沙量Fig. 6 Volume of deposition in the rocky checkerboard-liked sand barrier |
3.2 阻沙栅栏
阻沙栅栏是目前半湿润沙区普遍采用的固沙造林的先行措施和极端干旱沙区关键的防沙措施。青藏铁路沿线采用的阻沙栅栏是由横条状混凝土石块上下堆置组合而成, 高度约1.5 m, 相邻混凝土石块间留存一定的孔隙来降低栅栏的风障效应。我们通过分析阻沙栅栏前后近地表蚀积形态及其体积来评价其防护效益(图7)。
 | 图7 阻沙栅栏3D地貌激光扫描实景Fig. 7 Aeolian deposition around sand-blocking fences scanned by the 3D Leica ScanStation |
由于阻沙栅栏疏透度、材料、高度及形状不同致使其两侧气流能量发生改变, 形成不同的功能分区, 在栅栏前后形成不同形态的积沙堆积体。在栅栏上风向, 风沙流自距栅栏5 m处开始遇阻堆积, 越靠近栅栏, 积沙体堆积厚度越大, 至距栅栏1.0 m处, 积沙厚度最大, 为0.46 m。-1~0 m范围内, 由于涡旋气流增加, 沙粒不易沉积或出现风蚀现象, 故阻沙栅栏两侧附近积沙体堆积厚度相对较小。在栅栏下风向, 由于栅栏对气流的阻挡作用, 下风向形成风影区, 沙粒大量沉积。其中, 0~0.8 m范围内, 积沙体平均堆积厚度为0.05 m; 0.8~3.7 m范围内积沙厚度由0.1 m增加至1.38 m; 3.7~7m范围内, 平均积沙厚度为1.4 m, 在4.8 m处积沙厚度最大, 为1.43 m; 7~14 m范围内, 阻沙栅栏防风效应逐渐减弱, 积沙体堆积厚度由1.34 m逐渐减小至0.02 m(图8)。
为便于揭示阻沙栅栏前后积沙规律, 分析过程中仍使用百分比：指以阻沙栅栏为参考, 距阻沙栅栏不同范围内的积沙量占栅栏前后全部积沙量的百分数。其中, H表示阻沙栅栏高度, 负值代表上风向, 正值代表下风向。通过分析可知：阻沙量呈“ 双峰” 分布, 即以阻沙栅栏为中心, 在栅栏上风向和下风向均形成积沙堆积体。沙粒主要沉降堆积在阻沙栅栏下风向, 垂直阻沙栅栏1 m宽度范围内, 单宽阻沙量为13.36 m3, 占整个阻沙栅栏前后总量的89.48%; 而阻沙栅栏上风向单宽阻沙量相对较小, 仅为1.57 m3, 占总量的10.52%。在阻沙栅栏上风向, 风沙流主要被阻截在-3~0H范围内, 单宽阻沙量为1.09 m3, 占总量的7.3%, 其中, -2~-1H范围内单宽阻沙量最大, 为0.47 m3, 占总量的3.15%。在阻沙栅栏下风向, 积沙主要集中在0~9H范围内, 单宽阻沙量为13.23 m3, 占总量的88.61%, 且在4~5H范围内单宽阻沙量为2.29 m3, 百分比达15.34%。由此可知, 单位宽度阻沙栅栏可拦截沙量14.93 m3, 且积沙主要集中在栅栏上风向-3~0 H范围和下风向0~9 H范围内, 即阻沙栅栏有效防护距离为12H。因此, 在设置防护体系时, 阻沙栅栏间距应为其高度的9~12倍。
 | 图8 阻沙栅栏积沙断面形态Fig. 8 Aeolian erosion and deposition profiles of sand-blocking fences |
 | 图 9 阻沙栅栏两侧单宽阻沙量及百分比Fig. 9 Volume of deposition around sand-blocking fences |
4. 结论与讨论
青藏铁路修建过程中, 曾仿效内地沙漠地区的风沙危害防治模式, 采用砾石方格、水泥阻沙栅栏等措施进行风沙灾害防治, 但由于青藏铁路沿线部分路段风沙灾害比预想严重, 而且铁路风力强劲、风向相对单一, 在主导风向西风作用下, 风沙日益堆积, 不断向铁路趋近, 致使部分防护措施面临失效。通过3D地貌激光扫描仪对青藏铁路沿线砾石方格和阻沙栅栏防沙效益实测, 砾石方格内垂直铁路方向涡旋气流较多, 能形成稳定的凹曲面, 方格两侧沙埂处积沙较多, 中心部位积沙较少, 固沙效果显著。阻沙栅栏有效防护距离为12 H, 单宽度阻沙量高达14.93 m3, 在设置防护体系时, 阻沙栅栏有效防护范围应保持在栅栏高度的9~12倍。
3D地貌激光扫描技术在风沙工程效益评价方面有如下优势：① 在数据精度方面, 三维激光扫描仪的研发以激光测距为基本原理, 其数据精度得到最大保证, 大大减少了人为因素介入造成的误差, 使风沙过程防沙效益评价更加客观; ② 在数据获取以及数据处理方面, 三维激光扫描仪在三维空间里大幅度提高了测量密度, 扫描速度快、数据质量高, 与以往方法相比, 减少野外工作量, 提高工作效率。③ 在数据处理方面, 设备研发厂家针对三维激光扫描仪开发了专用软件, 与传统第三方软件相比, 针对性更强。但同时三维激光扫描仪也存在维护检修成本较高和使用环境要求严格等不足。但随着技术的进一步成熟, 以上弊端终将解决, 并将在风沙工程中特别在防沙措施合理设计及防沙效益评价等方面具有非常独特的优势和广泛的应用前景, 也将为解决防沙治沙领域的许多难题提供重要的技术支持。
The authors have declared that no competing interests exist.
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