田洪輝，李建華，楊萬祥，魏晨成

1.中油勘探監(jiān)理涿州有限責(zé)任公司 庫爾勒分公司（新疆 庫爾勒 841000）2.中國(guó)石油新疆油田分公司 勘探事業(yè)部（新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

為給油氣勘探開發(fā)提供高精度地理信息資料，2021年新疆油田在準(zhǔn)噶爾盆地南緣整體部署了9 680 km2高精度地表信息采集激光LiDAR航攝項(xiàng)目，2021年及以后年度分期實(shí)施。

本項(xiàng)目地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，行政隸屬于烏魯木齊、呼圖壁、石河子、沙灣、奎屯等地區(qū)。工區(qū)地勢(shì)南高北低，地表溝壑縱橫、地形復(fù)雜；地貌類型多樣，主要為河道、沖溝、峽谷、陡峭山地，山前帶主要為村鎮(zhèn)、廠礦、農(nóng)田等，屬于測(cè)繪困難區(qū)域[1]。

1 激光雷達(dá)技術(shù)簡(jiǎn)介

激光LiDAR航攝系統(tǒng)，由激光測(cè)距儀、GNSS、IMU、計(jì)算機(jī)控制導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)組成。激光掃描儀發(fā)射激光脈沖，遇目標(biāo)物反射后，激光接收器記錄返回激光脈沖，通過激光脈沖從發(fā)射到目標(biāo)物反射回波的延遲時(shí)間，測(cè)定發(fā)射點(diǎn)到反射點(diǎn)之間的距離，獲取具有三維坐標(biāo)（X，Y，Z）和一定屬性（反射強(qiáng)度等）的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云生成DEM數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型）[2]，通過數(shù)碼相機(jī)獲取高清正射影像數(shù)據(jù)（DOM）[3]。

飛行采集結(jié)束后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，包括POS數(shù)據(jù)精密解算、點(diǎn)云分類[4]、影像校正拼接[5]、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、高程轉(zhuǎn)換等工作，制作完成DOM和DEM數(shù)據(jù)體，將DEM數(shù) 據(jù)、DOM數(shù) 據(jù) 和GNSS數(shù)據(jù)融合，獲得最終的三維空間數(shù)據(jù)。

2 難點(diǎn)分析

1）地質(zhì)任務(wù)要求高。要求“提供高精度的淺表地層展布、斷層以及地形地貌等信息數(shù)據(jù)，能精準(zhǔn)分析工區(qū)的地層和巖性分布特征”。如何獲得高清晰度、高精度三維空間數(shù)據(jù)，確保地質(zhì)任務(wù)完成，是質(zhì)控工作的重中之重。

2）受飛機(jī)空間和飛行安全限制，飛行過程中，航攝指標(biāo)和飛行參數(shù)監(jiān)督不能實(shí)時(shí)監(jiān)控，質(zhì)控難度大。

3）山地天氣變化莫測(cè)，影響采集質(zhì)量。工區(qū)面積大，南緣山地天氣變化異常，大風(fēng)、陰雨難以預(yù)測(cè)，云層厚度隨時(shí)變化，相對(duì)航高850 m采集航攝資料，質(zhì)量受天氣影響大。

4）海量航測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控采集質(zhì)量難度大。每天的地面基站原始數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控采集質(zhì)量難度大。

3 激光LiDAR航攝質(zhì)控過程

3.1 精細(xì)、優(yōu)化分區(qū)質(zhì)控

地形高程變化對(duì)影像分辨率和飛行安全有很大影響，合理、科學(xué)分區(qū)是獲得優(yōu)質(zhì)航攝數(shù)據(jù)、安全施工的基礎(chǔ)。

3.1.1 分區(qū)質(zhì)控要點(diǎn)

1）考慮地面高差突變和地形特征，綜合劃分航攝分區(qū)[6]。

2）分區(qū)內(nèi)的地形高差不大于?相對(duì)航高。

3）分區(qū)內(nèi)的地貌類型盡量一致。

4）每個(gè)分區(qū)布設(shè)至少一條構(gòu)架線，保證數(shù)據(jù)的整體精度、一致性。

3.1.2 分區(qū)質(zhì)控過程

通過認(rèn)真踏勘工區(qū)，了解工區(qū)地表、地貌特征，依據(jù)30 m格網(wǎng)DEM（高程數(shù)字模型），分析地形起伏，高程變化，飛行安全條件，結(jié)合航攝采集要求，將A、B、C三個(gè)測(cè)區(qū)劃分為14個(gè)子分區(qū)（圖1），共布設(shè)240條航線，17條構(gòu)架航線，航線總長(zhǎng)度7 997 km。

圖1 B區(qū)霍爾果斯背斜及以南剖面測(cè)區(qū)航線布設(shè)示意圖

工區(qū)高程變化分析詳細(xì)，分區(qū)合理，航線布設(shè)科學(xué)，構(gòu)架線將子分區(qū)有機(jī)結(jié)合，為整個(gè)工區(qū)獲取優(yōu)質(zhì)航攝數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 相控點(diǎn)質(zhì)控

相控點(diǎn)是直接為攝影測(cè)量控制點(diǎn)加密或測(cè)圖需要在實(shí)地布設(shè)、測(cè)定的控制點(diǎn)。野外相控點(diǎn)目標(biāo)選址的好壞、點(diǎn)位的準(zhǔn)確程度、解算精度以及相控點(diǎn)的分布直接影響航攝質(zhì)量。

3.2.1 相控點(diǎn)（地面檢查點(diǎn)、標(biāo)靶點(diǎn)）質(zhì)控要點(diǎn)

1）選址：可以明確辨認(rèn)的地物點(diǎn)或目標(biāo)點(diǎn)，四周平坦，無明顯反射物，周圍黑白反差不大，避開有陰影地物以及弧形地物。

2）標(biāo)志：對(duì)空視角好，避免被建筑物、樹木等地物遮擋。

3）布設(shè)：采用紅漆噴涂成“L”型，分布盡量均勻。

4）解算：相控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程采用實(shí)時(shí)差分定位（RTK）或者CORSRTK（網(wǎng)絡(luò)RTK）方法測(cè)定[7]，關(guān)注RTK解算精度各項(xiàng)指標(biāo)[8]。

3.2.2 相控點(diǎn)質(zhì)控過程

全區(qū)布設(shè)地面相控點(diǎn)361個(gè)，標(biāo)靶點(diǎn)35個(gè)（圖2）。通過軟件展點(diǎn)，相控點(diǎn)分布相對(duì)均勻，覆蓋整個(gè)工區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)抽查，相控點(diǎn)觀測(cè)方法正確，操作儀器規(guī)范，選點(diǎn)合理。通過SSoffice軟件，復(fù)算相控點(diǎn)GNSS采集原始數(shù)據(jù)，各項(xiàng)指標(biāo)、解算精度[9]，滿足規(guī)范要求，測(cè)量成果正確，為獲取高精度三維空間數(shù)據(jù)提供了依據(jù)[10]。

圖2 相控點(diǎn)（標(biāo)靶點(diǎn)）分布示意圖

3.3 航測(cè)采集質(zhì)量控制

受飛機(jī)空間和飛行安全影響，航攝采集質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控難度大。對(duì)此，加強(qiáng)培訓(xùn)，強(qiáng)化飛行員和航攝員的質(zhì)量意識(shí)。每天飛行作業(yè)前，認(rèn)真檢查航攝設(shè)備指標(biāo)，飛行參數(shù)。飛行采集過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行指標(biāo)，定時(shí)對(duì)飛行參數(shù)、航攝指標(biāo)截屏并留存，掌握每個(gè)飛行任務(wù)的航攝質(zhì)量。

3.3.1 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

進(jìn)入測(cè)區(qū)之前，檢查系統(tǒng)各部分組件運(yùn)行狀態(tài)，飛一個(gè)“8”字做動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，確保進(jìn)入測(cè)區(qū)平穩(wěn)飛行，飛行參數(shù)滿足施工要求（圖3）。

圖3 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

3.3.2 航速控制

進(jìn)入測(cè)區(qū)，航速要保持一致，在一條航線內(nèi)飛機(jī)上升及下降速度變化不大于10%。

3.3.3 飛行姿態(tài)

俯仰角、側(cè)滾角一般不大于2°，最大不超過4°，航線彎曲度（航線最大彎曲矢量與航線長(zhǎng)度之比的百分?jǐn)?shù)）不大于3%（圖4）。

圖4 飛行姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控

3.3.4 航跡數(shù)據(jù)分析

導(dǎo)出文本航跡文件（圖5），檢查飛行參數(shù)（航向、航高、航速），抽取俯仰角、側(cè)滾角超過4°，按坐標(biāo)展點(diǎn)檢查；確保有效數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求。

圖5 航跡分析

3.3.5 自證照片（截屏）質(zhì)控

檢查POS面板、導(dǎo)航面板、航跡面板，GPS、Scanner、Camra等幾個(gè)面板截屏。

1）相機(jī)狀態(tài)欄關(guān)注曝光次數(shù)、丟失曝光數(shù)量、丟片數(shù)量等（圖6）。

圖6 相機(jī)狀態(tài)

質(zhì)控要求：飛機(jī)降落后要延長(zhǎng)記錄至少5 min才能關(guān)閉系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)完整。

2）INS-GPS狀態(tài)欄的Yaw Accacury一欄，精度值必須0.075°以內(nèi)。

3）掃描儀（Scanner）狀態(tài)欄重點(diǎn)關(guān)注GPS同步，指示燈正常時(shí)才可采集（圖7）。

圖7 GPS信號(hào)和慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作狀態(tài)

3.3.6 消除天氣因素影響

天氣對(duì)飛行安全和航測(cè)影像質(zhì)量影響極大。要與氣象部門積極溝通，搜集計(jì)劃飛行任務(wù)區(qū)域天氣預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)掌控天氣變化情況。陰雨、大風(fēng)、云層厚度大、能見度小于5 km等天氣禁止采集，云層遮擋造成陰影要求補(bǔ)飛（圖8）。

圖8 層遮擋陰影補(bǔ)飛效果

3.3.7 補(bǔ)飛或重飛

飛行采集期間及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)有激光漏洞、影像缺失及時(shí)補(bǔ)飛，以下情況需要補(bǔ)飛或重飛：

1）POS系統(tǒng)局部數(shù)據(jù)記錄缺失。

2）數(shù)據(jù)質(zhì)量存在局部缺陷，影響點(diǎn)云的精度或密度。

3）飛行數(shù)據(jù)出現(xiàn)絕對(duì)漏洞。

施工過程中，認(rèn)真檢查飛行指標(biāo)、航攝參數(shù)、影像清晰情況，對(duì)存在問題的數(shù)據(jù)，要求及時(shí)補(bǔ)飛或重飛，并予以落實(shí)。補(bǔ)飛統(tǒng)計(jì)如下：

1）A區(qū)無補(bǔ)飛。

2）B區(qū)共補(bǔ)飛26條航線，共409.1 km、218 km2、1 549幅影像。

3）C區(qū)共補(bǔ)飛14條航線，共107 km、55 km2、431幅影像。

4 數(shù)據(jù)預(yù)處理的質(zhì)控

4.1 影像數(shù)據(jù)質(zhì)控

4.1.1 質(zhì)控關(guān)鍵點(diǎn)

影像片數(shù)是否與設(shè)計(jì)相符，是否覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，影像航向和旁向重疊度，影像畫面質(zhì)量。

4.1.2 質(zhì)控過程

1）通過每日自檢記錄表，對(duì)比影像獲取數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)航線數(shù)據(jù)。

2）通過每日影像列表文件，抽取拍攝坐標(biāo)，展點(diǎn)檢查漏拍，點(diǎn)位不均勻現(xiàn)象（圖9）；從航線距、照片點(diǎn)距判斷影像航向、旁向重疊度。抽查航線抖動(dòng)較大區(qū)域，針對(duì)漏拍、云層遮擋、影像有陰影等航攝不合格的影像，及時(shí)要求補(bǔ)飛。

圖9 展點(diǎn)檢查影像分布

3）通過質(zhì)量檢查報(bào)告（表1），檢查影像數(shù)量、影像重疊度。

表1 A1分區(qū)影像質(zhì)量檢查報(bào)告

4）抽查：抽查部分影像清晰情況，尤其含標(biāo)靶點(diǎn)像片的清晰度。抽查影像重疊度（航向、旁向重疊）（圖10）。跟蹤、落實(shí)不合格影像的后續(xù)補(bǔ)飛，確保飛行采集效果。

圖10 抽查影像重疊度（航向重疊度62%）

4.1.3 質(zhì)控小結(jié)

項(xiàng)目運(yùn)行過程中，共獲取33 642張影像，最終獲取的原始影像清晰、層次分明、顏色飽和，反差適中，航向重疊、旁向重疊度滿足設(shè)計(jì)要求；質(zhì)量不合格的影像進(jìn)行了重新補(bǔ)飛，確保整個(gè)項(xiàng)目的采集質(zhì)量。

4.2 POS數(shù)據(jù)質(zhì)控

POS數(shù)據(jù)是定位、定姿數(shù)據(jù)，是IMU/DGPS組合的高精度位置與飛行姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。

4.2.1 POS數(shù)據(jù)質(zhì)控點(diǎn)

航跡與基站的距離、POS解算精度、航高保持。

4.2.2 POS數(shù)據(jù)質(zhì)控過程

1）檢查航跡圖（圖11）、航高圖、精度曲線圖。

圖11 航跡圖分析

2）與設(shè)計(jì)航高差保持控制在15 m以內(nèi)。B1區(qū)航高2 000 m，B3區(qū)航高2 800 m，檢查本架次飛行航高與設(shè)計(jì)航高誤差±15 m之內(nèi)，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求（圖12）。

圖12 B1區(qū)、B3區(qū)航高分析

3）按日期分析POS數(shù)據(jù)，使用POSPAC軟件解算北、東、下方向位置均方根誤差（圖13）。

圖13 POS數(shù)據(jù)解算質(zhì)量報(bào)告

4.2.3 小結(jié)

通過對(duì)14份POS數(shù)據(jù)解算報(bào)告分析，檢查每次飛行任務(wù)航跡圖、航高圖，POS解算誤差指標(biāo)、飛行航高保持等，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)控

4.3.1 質(zhì)控點(diǎn)

點(diǎn)云密度、點(diǎn)云覆蓋完整性、點(diǎn)云接邊、點(diǎn)云航帶間重疊度、航帶間高差等。

4.3.2 質(zhì)控方法

1）圖件分析。從分區(qū)點(diǎn)云圖件、整體圖件入手，檢查點(diǎn)云密度、覆蓋完整性、航帶高差（圖14）及航帶重疊情況（圖15）。依據(jù)地面布設(shè)標(biāo)靶點(diǎn)或檢查點(diǎn)，檢查航帶間高差。

圖14 點(diǎn)云航帶間高差檢查

圖15 點(diǎn)云航帶重疊檢查

2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查。使用軟件檢查每天飛行航線及每個(gè)細(xì)化分區(qū)的點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)云密度（圖16），航帶重疊度。發(fā)現(xiàn)有激光漏洞、數(shù)據(jù)缺失，及時(shí)補(bǔ)飛或重飛。

圖16 抽查點(diǎn)云密度為10.674點(diǎn)/m2

3）通過施工方質(zhì)量檢查報(bào)告（表2），檢查每天航帶的點(diǎn)云密度、航帶重疊度、航帶高差。

表2 質(zhì)量檢查報(bào)告

4）抽查部分航線或航飛范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，檢查航帶重疊度、激光數(shù)據(jù)覆蓋情況（圖17）、點(diǎn)云密度等指標(biāo)。

圖17 抽查點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋情況

5）落實(shí)補(bǔ)飛及重飛采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4.3.3 小結(jié)

按日期、飛行分區(qū)檢查當(dāng)日點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)不合格區(qū)域細(xì)化分區(qū)、調(diào)整航高等措施進(jìn)行補(bǔ)飛。檢查結(jié)果：航帶間高差、各分區(qū)點(diǎn)云密度、航帶重疊度，點(diǎn)云覆蓋完整，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 質(zhì)控效果

野外數(shù)據(jù)采集，按照飛行任務(wù)、架次，及時(shí)分析檢查影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)。各項(xiàng)指標(biāo)從日統(tǒng)計(jì)到分區(qū)統(tǒng)計(jì)均完成了設(shè)計(jì)要求。

1）影像質(zhì)量：原始影像清晰、層次分明、顏色飽和，反差適中；航向、旁向重疊度均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

2）激光LiDAR質(zhì)量：LiDAR點(diǎn)云均勻，覆蓋完整，無漏洞。各分區(qū)點(diǎn)云密度均高于設(shè)計(jì)的8.27點(diǎn)/m2。

3）POS數(shù)據(jù)質(zhì)量：數(shù)據(jù)接收正常,信號(hào)無周跳、失鎖。POS數(shù)據(jù)經(jīng)POSPAC軟件解算后，北、東方向位置均方根誤差，滿足設(shè)計(jì)要求。

4）地面GPS基站:地面基站GPS接收衛(wèi)星連續(xù)、無周跳、失鎖等情況，數(shù)據(jù)完整。

6 結(jié)束語

1）激光LiDAR航測(cè)技術(shù)已成為高精度三維對(duì)地形觀測(cè)的主要手段之一，通過激光LiDAR航測(cè)獲取的三維數(shù)據(jù)體，能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)露頭的三維數(shù)字化，提供高精度的淺表地層展布、斷層以及地形地貌等信息數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)分析地層和巖性分布特征。

2）航測(cè)三維空間數(shù)據(jù)已充分運(yùn)用在輔助地震勘探優(yōu)化施工設(shè)計(jì)、施工流程，復(fù)雜區(qū)域激發(fā)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，指導(dǎo)物理點(diǎn)放樣、質(zhì)量監(jiān)控、環(huán)境管理、安全施工等方面，為實(shí)現(xiàn)精細(xì)、高效、優(yōu)質(zhì)地震勘探發(fā)揮積極作用。

3）航測(cè)三維數(shù)據(jù)體以其高清數(shù)字影像、高精度DEM模型，在油田地面工程建設(shè)、鉆井選址、城市規(guī)劃等方面亦可提供很大助力。