李 慧

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

水利工程是我國重要的基礎(chǔ)建設(shè)工程，測繪技術(shù)貫穿于水利工程建設(shè)全過程。目前，水利工程測繪中地理信息的采集除運(yùn)用GPS等傳統(tǒng)的測繪技術(shù)外，主要依靠傾斜攝影測量、遙感等現(xiàn)代測繪技術(shù)。傳統(tǒng)的測量手段如全站儀、RTK等雖然精度高，但在作業(yè)中需耗費(fèi)大量的人力物力，效率低，工作周期長，不能滿足大規(guī)模水利工程測量的需要，并且受地形局限性較大，為勘測設(shè)計(jì)一體化帶來許多困難。航空攝影測量技術(shù)雖然有作業(yè)方式靈活、成本較低、成果更新及時(shí)等特點(diǎn)，但易受到天氣情況、測區(qū)環(huán)境、作業(yè)時(shí)間等因素的影響，對(duì)于測區(qū)環(huán)境多以茂密植被、高山峽谷的水利工程而言，該技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度有時(shí)無法滿足工程需求，并且該技術(shù)無法穿透植被覆蓋區(qū)獲取高精度的地面高程數(shù)據(jù)。因此，亟需一種可靠的技術(shù)手段解決目前水利工程測繪中存在的問題。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為一種快速的三維空間地理信息采集技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，相比其他傳統(tǒng)的航測技術(shù)有其特有的優(yōu)勢(shì)，成為除GPS、遙感、攝影測量等現(xiàn)代測繪技術(shù)之外的一種有效的地理信息采集技術(shù)[1]。

1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)簡介

1.1 激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging， LiDAR)是一種集激光發(fā)射和接收系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航測量裝置(IMU)和全球?qū)Ш较到y(tǒng)(GNSS)、供電模塊和控制系統(tǒng)于一身的系統(tǒng)[2- 3]。根據(jù)測距原理不同，激光雷達(dá)主要分為脈沖式激光雷達(dá)和相位式激光雷達(dá)，一般在大比例尺地形測繪中脈沖式激光雷達(dá)更為合適[4]。激光雷達(dá)系統(tǒng)是以激光為信號(hào)源主動(dòng)發(fā)射出脈沖激光束，當(dāng)激光發(fā)射至地面不同地物上引起散射，其中一部分回波至激光雷達(dá)接收器，根據(jù)激光測距原理可以計(jì)算出地面目標(biāo)點(diǎn)至激光雷達(dá)之間的距離。在植被覆蓋度較高的地區(qū)，激光可在一定程度上穿透植被獲取地面點(diǎn)云。激光雷達(dá)通過對(duì)地面的不斷掃描，獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)了地面目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，通過成像處理獲取精確的三維立體模型。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)是將激光雷達(dá)搭載在飛機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的。機(jī)載平臺(tái)包括無人機(jī)和有人駕駛的飛機(jī)，目前工程中應(yīng)用較廣泛的是無人機(jī)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)美觀、集成化和自動(dòng)化程度高、機(jī)身小巧易攜帶作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，適合多種地形測繪、地籍測量項(xiàng)目。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。機(jī)載激光雷達(dá)獲取地面目標(biāo)點(diǎn)三維地理信息數(shù)據(jù)具有快速、高精度、高密度、控制點(diǎn)少的特點(diǎn)[5]。該技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)很好的補(bǔ)充，在復(fù)雜地形測繪中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于林業(yè)、電力等領(lǐng)域[6- 7]，也逐漸在水利工程測繪應(yīng)用中取得較理想的效果[8- 12]。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)在水利工程中的作業(yè)流程主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩方面。外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括前期準(zhǔn)備、地面測量、航飛數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理與質(zhì)量檢查。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、測繪產(chǎn)品生產(chǎn)、成果精度質(zhì)量檢查。關(guān)鍵技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 機(jī)載激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)路線圖

2.1 前期準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備主要包括空域申請(qǐng)、收集氣象資料和已有的一些測量成果、航飛范圍確定、航線設(shè)計(jì)規(guī)劃、現(xiàn)場踏勘以便確定起降場地等。通常在規(guī)劃航攝路線時(shí)會(huì)根據(jù)工程任務(wù)書要求，確定航飛范圍并對(duì)其適當(dāng)外擴(kuò)，以保證測區(qū)被完全覆蓋。綜合考慮設(shè)備性能、測區(qū)特點(diǎn)等因素規(guī)劃航飛路線，設(shè)置飛行高度、航飛重疊度，選擇合適的飛機(jī)起降點(diǎn)。

2.2 地面測量

地面測量主要包括地面基站測量和參考面測量。地面基站測量通常是根據(jù)航飛范圍將基站架設(shè)在地面的高等級(jí)控制點(diǎn)上，為飛機(jī)的GPS系統(tǒng)提供差分信號(hào)。通常地面基站要在航攝開始前30min開機(jī)，在航攝任務(wù)完成后30min內(nèi)關(guān)機(jī)，中間需一直保持通電狀態(tài)且信號(hào)暢通。參考面測量主要是通過特征點(diǎn)對(duì)獲取的激光點(diǎn)的平面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。特征點(diǎn)一般為具有明顯特征的點(diǎn)或者是提前布設(shè)的像控點(diǎn)，對(duì)于高程特征點(diǎn)需在測區(qū)的不同高程梯度區(qū)域內(nèi)均勻分布。通過改正參數(shù)對(duì)激光點(diǎn)的平面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。

2.3 航飛數(shù)據(jù)采集

按照航線規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行航飛任務(wù)。無人機(jī)起飛以后，操作人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注飛機(jī)的飛行情況、續(xù)航能力以及可能影響飛行的外部因素。機(jī)載激光雷達(dá)需分別在起飛前和降落后進(jìn)行靜態(tài)觀測，防止GNSS與IMU系統(tǒng)記錄不完整。

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理與質(zhì)量檢查

在航攝任務(wù)完成以后應(yīng)及時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)范圍、航線和航攝區(qū)間的匹配度、點(diǎn)云采集密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和檢查，防止出現(xiàn)航攝存在漏洞或精度、點(diǎn)密度不符合相關(guān)規(guī)范的情況。

2.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云分類等。點(diǎn)云濾波是基于不規(guī)則三角網(wǎng)原理通過TerraSolid軟件對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，根據(jù)項(xiàng)目測區(qū)的地形起伏情況和植被覆蓋情況選擇合適的閾值，通過閾值將地面點(diǎn)云和地物點(diǎn)云過濾分離。

2.6 測繪產(chǎn)品生產(chǎn)

通過對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，即可獲得數(shù)字表面模型(Digital Surface model， DSM)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行濾波，即可獲得數(shù)字地面模型(Digital Elevation model， DEM)。通過分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與DOM結(jié)合可提取出地物要素，根據(jù)地物地貌和外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)可進(jìn)行數(shù)字線畫圖(Digital Line Graphic， DLG)成果的生產(chǎn)。

2.7 成果精度質(zhì)量檢查

成果的質(zhì)量檢查主要包括：點(diǎn)云精度檢查、地形圖精度檢查、DEM精度檢查，檢查標(biāo)準(zhǔn)主要參考激光雷達(dá)相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

3 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

3.1 水利工程測繪面臨的困難

(1)作業(yè)環(huán)境

由于水利建設(shè)工程項(xiàng)目的特殊性，測繪作業(yè)區(qū)一般地處高山峽谷、植被覆蓋茂密地區(qū)，通視條件差、天氣變幻無常、交通不便、通訊信號(hào)差，這些都對(duì)測量工作的開展十分不利。

(2)成果精度要求

原始WENO-CU6-M2格式及其改進(jìn)A和改進(jìn)B的結(jié)果以局部Lax-Friedrichs通量在200個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上解得, 圖4是t = 0.2時(shí)刻的密度和速度曲線及局部放大. 原始WENO-CU6-M2格式具有良好的激波捕捉特性(圖4(a)), 但也在x≈0.57的接觸間斷處產(chǎn)生了微小的振蕩(圖4(c)). 然而, 其改進(jìn)格式抑制了這些振蕩, 表現(xiàn)為給出的接觸間斷如原始格式一樣銳利. 圖4(b)和圖4(d)的速度曲線也顯示了改進(jìn)A和改進(jìn)B減小了偽振蕩.

水利工程項(xiàng)目對(duì)于測繪成果的精度要求較高，一般需要滿足1∶2000比例尺精度，部分壩址區(qū)還需要滿足1∶1000比例尺或1∶500比例尺成果精度。如果用傳統(tǒng)測量手段很難滿足工程的精度要求。

(3)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

水利工程通常所處的地理環(huán)境特殊且復(fù)雜，植被覆蓋度高、水域覆蓋面積廣、高程變化較大等特點(diǎn)對(duì)于水利工程測繪工作的開展十分不利。傳統(tǒng)的航測技術(shù)不但面臨外業(yè)控制困難，還存在內(nèi)業(yè)影像匹配困難、控制點(diǎn)刺點(diǎn)模糊等問題，嚴(yán)重影響內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率和成果的質(zhì)量。

3.2 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)和傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)的比較

(1) 成像和作業(yè)原理

傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)是利用透視幾何原理實(shí)現(xiàn)成像的，屬于被動(dòng)式測量技術(shù)。而機(jī)載激光雷達(dá)采用主動(dòng)式掃描測量方式，根據(jù)極坐標(biāo)幾何定位原理成像，獲取地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。

(2) 作業(yè)時(shí)間和作業(yè)范圍

機(jī)載激光雷達(dá)不受天氣等因素的影響，可穿透植被獲取地面信息，可全天時(shí)作業(yè)，但飛行高度相比傳統(tǒng)航測的低。傳統(tǒng)的航測技術(shù)受光照、天氣、周圍環(huán)境等因素影響較大。

(3) 數(shù)據(jù)采集方式和呈現(xiàn)形式

傳統(tǒng)的攝影測量手段采集的數(shù)據(jù)覆蓋整個(gè)攝影區(qū)域，是基于面狀的測量成果，是包含紋理、光譜等信息的二維影像數(shù)據(jù)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)通過逐點(diǎn)采樣，獲取的數(shù)據(jù)是覆蓋整個(gè)測量范圍的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包含每個(gè)點(diǎn)的幾何坐標(biāo)和反射強(qiáng)度信息。

(4) 精度

傳統(tǒng)航測技術(shù)的平面精度高，高程精度相對(duì)較低，因此需要大量的地面控制點(diǎn)進(jìn)行控制，而機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)理論上高程精度優(yōu)于平面精度。

(5) 生產(chǎn)效率與成本

傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)后期數(shù)據(jù)處理時(shí)自動(dòng)化程度較低，在航片處理時(shí)通常需要人工干預(yù)，因此生產(chǎn)的周期較長，成本較高。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)后期數(shù)據(jù)處理基本能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，生產(chǎn)周期相比傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)大大縮短，生產(chǎn)成本低，因此該技術(shù)也越來越受測繪市場的青睞。

3.3 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

水利工程測量作業(yè)環(huán)境特殊，屬于難度較大的測繪任務(wù)，利用常規(guī)的測繪手段很難滿足工程進(jìn)度、成果精度等要求。采用先進(jìn)的機(jī)載激光激光雷達(dá)技術(shù)可以大大提高作業(yè)的效率和成果的精度，為工程設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐，為作業(yè)任務(wù)能保質(zhì)保量按時(shí)完成提供強(qiáng)力保障。該技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要凸顯在以下幾個(gè)方面。

(1) 不受作業(yè)環(huán)境的限制

由于激光雷達(dá)發(fā)射出的激光脈沖強(qiáng)度很高，具有很強(qiáng)的穿透力，發(fā)出的激光波束可以穿過狹小的縫隙，打到樹冠、樹干、灌木叢、地面等產(chǎn)生多個(gè)反射回波。對(duì)于地形特殊的作業(yè)地區(qū)，例如高山峽谷、懸崖峭壁、灘涂沼澤、采石場等地區(qū)，可忽略地形限制，順利完成數(shù)據(jù)采集工作。對(duì)于植被覆蓋不是非常密集的地區(qū)，激光脈沖可以穿透植被獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行濾波和分類，將地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)分離開，同時(shí)結(jié)合點(diǎn)云的強(qiáng)度信息可對(duì)房屋、道路、橋梁等不同的地物要素進(jìn)行分類。對(duì)于植被較為密集的區(qū)域，雖然獲取的點(diǎn)云數(shù)量會(huì)減少，但通過調(diào)整發(fā)射功率、掃描角度、航線重疊率等要素，通常獲取的點(diǎn)云仍可滿足工程任務(wù)對(duì)于地面點(diǎn)密度的要求，這對(duì)于測區(qū)很多為密林山區(qū)的水利工程測量來說凸顯其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，機(jī)載激光雷達(dá)是在山區(qū)密林獲取地面高程數(shù)據(jù)唯一可行的技術(shù)。

(2) 可實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)

機(jī)載激光雷達(dá)是主動(dòng)發(fā)射脈沖波束，不受天氣、太陽高度角等因素影響，可實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)，極大提高作業(yè)效率，縮短作業(yè)周期。該技術(shù)減少了不利天氣對(duì)于工程進(jìn)度和成果精度的影響，可廣泛應(yīng)用于水利應(yīng)急測繪等領(lǐng)域。

(3) 數(shù)據(jù)成果精度高

利用機(jī)載激光雷達(dá)測得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度可達(dá)0.1～0.5m，特別是高程精度更高，可滿足1∶1000比例尺地形圖的要求。機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾分類，生成的DEM模型精度更高，相比于傳統(tǒng)測繪技術(shù)獲取的DEM能更好地反映出地形的微小起伏。

(4) 可操作性高

機(jī)載激光雷達(dá)屬于主動(dòng)式遙感測量技術(shù)，能夠主動(dòng)發(fā)射激光波束并接收回波信號(hào)，獲取地面目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。作業(yè)時(shí)人員通常只需準(zhǔn)備好相關(guān)前期工作，后期數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高，對(duì)操作員要求不高，操作便捷。

(5) 作業(yè)效率高，工作周期短

機(jī)載激光雷達(dá)在作業(yè)時(shí)只需要少量的地面控制基準(zhǔn)站，航線的航向和旁向重疊率要求較低，大幅度提高了數(shù)據(jù)的采集效率。與傳統(tǒng)航測手段相比，后期的數(shù)據(jù)處理、成果輸出、外業(yè)調(diào)繪等時(shí)間也大大縮短，節(jié)省了產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)間，很好地解決了目前水利工程測繪面臨的工期緊、成果精度要求高的難題。

(6) 數(shù)據(jù)成果豐富

傳統(tǒng)的測繪手段是基于點(diǎn)進(jìn)行測量，只能獲取有限的地面點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行常規(guī)的DLG生產(chǎn)。機(jī)載激光雷達(dá)可以快速地獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如果在機(jī)載激光雷達(dá)平臺(tái)上搭載了數(shù)碼相機(jī)，可以在獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)獲取地面的數(shù)字影像，經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理可獲得數(shù)字地表模型、數(shù)字地面模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖等，將DEM和DOM模型結(jié)合還可以用于斷面提取、計(jì)算庫容和水庫淹沒范圍線等，這些豐富的測繪成果為水利工程建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支持和保障。

4 總結(jié)與展望

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是新興的測繪技術(shù)，全天候作業(yè)、成果豐富、作業(yè)效率高、成果精度高等優(yōu)勢(shì)使得該技術(shù)在水利工程測繪領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。雖然機(jī)載激光雷達(dá)目前在實(shí)踐中仍有不足之處，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和硬件設(shè)備的完善，該技術(shù)仍有很大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是在多源數(shù)據(jù)獲取和處理、多樣數(shù)據(jù)生產(chǎn)等方面，以及水利行業(yè)的河道監(jiān)管、防汛抗旱、水土保持監(jiān)管、搶險(xiǎn)救災(zāi)等多個(gè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。本文通過對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)的技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)介紹和對(duì)比分析，以期為該技術(shù)在水利行業(yè)或其他領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提供參考。