李慶松

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

1 概論

眾所周知，無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為一種新型的陸地快速三維空間地理信息數(shù)據(jù)采集技術(shù)[1]在各測(cè)繪行業(yè)特別是水利水電工程測(cè)繪中都已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著多波束技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人船搭載多波束[2]作為一種近年新興的水下三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)也越來(lái)越多應(yīng)用在了河道測(cè)量、地形測(cè)量[3]、近海測(cè)繪、水庫(kù)監(jiān)測(cè)等水利領(lǐng)域。

而將無(wú)人機(jī)搭載機(jī)載激光和無(wú)人船搭載多波束進(jìn)行有效結(jié)合，并作為一種全新的水陸空一體化三維測(cè)量技術(shù)加以應(yīng)用，為解決區(qū)域范圍內(nèi)水陸地表三維數(shù)據(jù)全覆蓋，促進(jìn)水陸三維數(shù)據(jù)的無(wú)縫銜接提供了可能。同時(shí)，也為水利三維設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)保障[4]。

2 原理

2.1 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)機(jī)載激光測(cè)量技術(shù)是一種以無(wú)人機(jī)為載體，集激光測(cè)距系統(tǒng)、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)等測(cè)繪高新技術(shù)[5]為一體的陸地三維地理信息數(shù)據(jù)采集技術(shù)。具有靈活快速、高效便捷、低成本、精度高[6]等特點(diǎn)。

該技術(shù)通過(guò)GNSS系統(tǒng)提供飛行平臺(tái)的位置同時(shí)地面架設(shè)基準(zhǔn)站提供后差分(DGPS)數(shù)據(jù)處理所需的同步相對(duì)地理信息、激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)根據(jù)激光反射測(cè)定地物與雷達(dá)的距離、慣導(dǎo)提供的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件計(jì)算從而獲取精確的地表地物三維地理坐標(biāo)，再通過(guò)測(cè)區(qū)參數(shù)轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)三維成果。

其工作原理和技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光工作原理和步驟

2.2 無(wú)人船多波束測(cè)量技術(shù)

無(wú)人船多波束測(cè)量技術(shù)是一種以無(wú)人船為載體，集GNSS定位、多波束和慣導(dǎo)于一體的水下三維地理信息數(shù)據(jù)采集技術(shù)。它具備組裝簡(jiǎn)易、姿態(tài)校正快捷、攜帶方便、完整全面、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

該系統(tǒng)可通過(guò)岸上架設(shè)基準(zhǔn)站提供動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分(RTK)信號(hào)為無(wú)人船多波束測(cè)深平臺(tái)提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)定位(也可以通過(guò)船載GNSS定位系統(tǒng)提供多波束平臺(tái)位置、岸基同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量獲取后差分?jǐn)?shù)據(jù)處理所需的數(shù)據(jù)，類(lèi)似于機(jī)載激光測(cè)量)，多波束測(cè)取換能器與地物的距離，并實(shí)時(shí)通過(guò)船上慣導(dǎo)進(jìn)行姿態(tài)糾正，從而直接獲得準(zhǔn)確的水下三維地理坐標(biāo)，再通過(guò)參數(shù)轉(zhuǎn)換獲取目標(biāo)成果[7]。無(wú)人船多波束測(cè)量與無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量的原理如出一轍，可稱(chēng)為“水下激光雷達(dá)”。

其工作原理和技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人船多波束工作原理和步驟

2.3 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光和無(wú)人船多波束協(xié)同作業(yè)

由于無(wú)人機(jī)機(jī)載激光和無(wú)人船多波束的工作原理相似，那么理論上就可以將二者進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。

其構(gòu)思原理是：在岸上架設(shè)同一基站，基站同時(shí)開(kāi)啟靜態(tài)記錄和動(dòng)態(tài)差分模式，靜態(tài)數(shù)據(jù)采集可供無(wú)人機(jī)機(jī)載激光和無(wú)人船多波束GNSS定位同時(shí)使用，動(dòng)態(tài)RTK也同步作為無(wú)人船GNSS定位使用。無(wú)人機(jī)和無(wú)人船進(jìn)行半自動(dòng)化或全自動(dòng)化作業(yè)，兩套系統(tǒng)共用同一基站，同時(shí)獨(dú)立獲取三維地理數(shù)據(jù)。

2.4 水陸空三維數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

無(wú)人機(jī)機(jī)載激光獲取的三維地理數(shù)據(jù)需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)的預(yù)處理軟件計(jì)算，從而獲取WGS84坐標(biāo)系下的LAS格式點(diǎn)云[8]，再應(yīng)用測(cè)區(qū)的參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)成果。其次，利用同時(shí)獲取的水邊線準(zhǔn)確位置，剔除水域范圍內(nèi)的激光點(diǎn)云錯(cuò)誤噪點(diǎn)。

2.4.2多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

無(wú)人船多波束獲取的三維地理數(shù)據(jù)，同樣需要經(jīng)過(guò)聲吶等改正[9]后獲得包含噪點(diǎn)的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較單一，除了部分噪點(diǎn)，其他基本為河床表面實(shí)際點(diǎn)云，為了使水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)能和陸地激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)化處理，必須對(duì)水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行“粗去噪”。也就是，對(duì)低于真實(shí)河床底部的點(diǎn)云進(jìn)行有目的的刪除，同時(shí)對(duì)水域范圍外的噪點(diǎn)進(jìn)行直接圈除。

2.4.3水陸三維數(shù)據(jù)后處理

（1）地質(zhì)災(zāi)害防治行業(yè)比較注重實(shí)際防治工程技術(shù)研究，但在理論和政策研究方面較弱，整體上缺少理論和政策規(guī)章支持，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防治工作服務(wù)社會(huì)的領(lǐng)域和方向，沒(méi)有很好的歸納和總結(jié)，缺乏全面具體的認(rèn)識(shí)，政策引導(dǎo)性不強(qiáng)。

分別將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載至一起，使用激光后處理軟件進(jìn)行同時(shí)濾波[10]處理，去除地面或者空中的噪點(diǎn)，從而獲得準(zhǔn)確的水陸三維地表數(shù)據(jù)。

2.4.4任意點(diǎn)驗(yàn)證理論

對(duì)水陸三維地表數(shù)據(jù)進(jìn)行任意提取，并進(jìn)行實(shí)地陸地RTK和水下單波束檢查。

3 項(xiàng)目實(shí)踐

廣東省河道地形測(cè)量是廣東省河道水域岸線保護(hù)與利用規(guī)劃的一個(gè)重要組成部分，對(duì)全省河道測(cè)量進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量，獲取高精度河床三維地理數(shù)據(jù)，可為水利規(guī)劃、科學(xué)研究和工程建設(shè)等提供必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為我省全面推進(jìn)水利現(xiàn)代化建設(shè)和全面落實(shí)河長(zhǎng)制提供了重要的基礎(chǔ)保障。本文結(jié)合四旋翼無(wú)人機(jī)搭載AS- 900HL激光雷達(dá)和無(wú)人船搭載NORBIT多波束相結(jié)合的水陸一體化全自動(dòng)三維測(cè)量技術(shù)在該項(xiàng)目中部分河道的應(yīng)用為例，從三維數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、成果輸出和精度驗(yàn)證等方面進(jìn)行系統(tǒng)地闡述，證明該技術(shù)的切實(shí)可行，也為以后同類(lèi)項(xiàng)目的推廣應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

3.1 設(shè)備選擇

陸地選用四旋翼無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)AS- 900HL，水下選用無(wú)人船搭載NORBIT多波束，如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光+無(wú)人船多波束系統(tǒng)

3.2 技術(shù)實(shí)施

本次選擇西江干流水道鯉魚(yú)洲及其附近水域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，作業(yè)面積為1km2，其中陸地和水下約各占一半。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天天氣晴朗，風(fēng)速1～2級(jí)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境良好。地面基站布置和觀測(cè)嚴(yán)格按照相關(guān)要求執(zhí)行，基站于作業(yè)前20min開(kāi)始實(shí)時(shí)差分信號(hào)發(fā)射和靜態(tài)記錄。無(wú)人機(jī)機(jī)載激光系統(tǒng)和無(wú)人船多波束系統(tǒng)均按照規(guī)范要求進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)采集，并同時(shí)進(jìn)行。

(1)作業(yè)前期，無(wú)人機(jī)進(jìn)入航線前進(jìn)行繞“8”飛行以減少I(mǎi)MU的誤差累積，無(wú)人船開(kāi)始紀(jì)錄之前進(jìn)行跑“8”字同樣進(jìn)行姿態(tài)改正。

(3)本次無(wú)人機(jī)機(jī)載激光測(cè)量時(shí)，同時(shí)搭載了相機(jī)(正射影像圖的輸出，方便水邊線的確定)。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行POS解算，再采用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理從而獲得全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存在大量的噪點(diǎn)。利用正射影像圖繪制水邊線，水域范圍內(nèi)均為噪點(diǎn)，直接圈除。

(4)多波束數(shù)據(jù)處理采用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)建立動(dòng)態(tài)表面和導(dǎo)入聲剖數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，并進(jìn)行刪除低于準(zhǔn)確高程面的點(diǎn)等粗去噪，從而獲得與第(3)步一致的粗成果數(shù)據(jù)。同樣利用前面獲得的水面，圈除陸地范圍內(nèi)的所有噪點(diǎn)。

(5)將上述2項(xiàng)數(shù)據(jù)合并，在進(jìn)行全自動(dòng)化濾波，去除陸地植被上的點(diǎn)和空中噪點(diǎn)等，最后輸出完整的水陸三維地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)。濾波前后效果圖如圖4所示。

圖4 濾波前后水陸三維成果對(duì)照

3.3 成果驗(yàn)證

(1)通過(guò)RTK動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)處理的方式，對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)去噪后處理后與靜態(tài)后差分?jǐn)?shù)據(jù)處理所獲得的成果疊加后發(fā)現(xiàn)，二者幾乎完全重疊，如圖5所示，由此證明通過(guò)該2種方式均可以獲得同樣的數(shù)據(jù)成果。

圖5

(2)利用RTK在陸地上隨機(jī)、均勻抽查了21個(gè)高程點(diǎn)；利用單波束測(cè)取了一條航線，共提取了45個(gè)水下高程點(diǎn)作為多波束點(diǎn)云檢查；具體位置分布如圖6所示。

圖6 RTK和單波束檢查點(diǎn)分布圖

所有檢查點(diǎn)一一與最終水陸三維點(diǎn)云進(jìn)行了比較，并對(duì)水陸高程點(diǎn)中誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果為：±0.071m，滿足1∶500地形圖高程中誤差要求(不大于±0.15m)，詳見(jiàn)表1。由此可知，利用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)和無(wú)人船多波束協(xié)同作業(yè)獲取的水陸三維點(diǎn)云精度可靠，該技術(shù)切實(shí)可行。

表1 水陸高程中誤差統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載激光和無(wú)人船多波束水陸一體化三維測(cè)量技術(shù)的具體實(shí)踐證明，該技術(shù)不僅測(cè)量精度高，而且可行性很強(qiáng)。它為未來(lái)水上水下更深入聯(lián)合作業(yè)提供了有效的參考依據(jù)。作為目前獲取最完整的水陸三維數(shù)據(jù)的一種測(cè)量技術(shù)，可為水利水電工程設(shè)計(jì)提供新思路新理念，同時(shí)也能推動(dòng)GIS+BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的快速發(fā)展。該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中也存在一定不足，其多波束水上作業(yè)受環(huán)境影響較大，水上安全和可視化遠(yuǎn)程遙控成為該技術(shù)下一步完善的關(guān)鍵。