船載三維激光掃描系統在三峽庫區庫岸地形測量中的應用

(長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443003)

三峽庫區屬高山峽谷河段，岸線復雜、支汊繁多、庫岸坡陡崎嶇，地面坡度一般在30°以上，部分地區甚至超過90°。受大壩蓄水影響，庫區存在30～40 m落差的消落帶，因河水常年沖刷，庫岸地形崎嶇不平。使用傳統全站儀測量手段遷站頻繁且效率低，特別對于消落帶及陡峭區，全站儀方法架站困難；免棱鏡方法則受限于儀器最大測程，且植被密集區無法獲取真實地形； GNSS RTK測量衛星信號受山體遮擋嚴重，易出現信號失鎖現象；航測技術空域申請困難，近壩區屬禁飛區，且三峽庫區屬狹長帶狀地形，費效比低。因此，亟需一種高效率、高精度、低安全風險的測量手段。船載三維激光掃描系統[1-2]屬非接觸式測量，具有自動化程度高、測量速度快、運行成本低、安全系數高等優點，能有效克服傳統測量方式在三峽庫區庫岸地形測量中的諸多缺點，具有廣泛的應用前景。

1 系統組成

船載激光掃描系統[3]是指基于GNSS定位儀、慣性導航系統(INS)以及三維激光掃描儀等多種傳感器與技術集成的測量和信息采集的移動平臺。其主要組成包括：GNSS衛星定位模塊、360°高清全景相機、三維激光掃描系統、總成控制模塊、慣性導航模塊(INS)、一體化剛性平臺等。

2 測量原理

船載三維激光掃描系統將三維激光掃描技術、慣性導航技術、GNSS后處理差分技術通過時間配準和空間配準的手段結合起來，最終得到掃描點云的空間位置信息。

2.1 主要關鍵技術[3-4]

(1)三維激光掃描儀通過激光脈沖裝置獲得目標點在激光掃描儀坐標系下的坐標值；

(2)慣性導航系統(INS)通過慣性元件獲得運動體在IMU坐標系中姿態導航參數；

(3)GNSS后處理差分(PPK)利用基準站和流動站事后載波相位差分，獲得流動站厘米級的大地測量坐標；

(4)時間配準[5]：船載移動三維激光掃描系統各個傳感器都有各自獨立的時間系統，為使其同步工作需通過GNSS時間戳進行精確時間同步；

(5)空間配準[6]：系統中各傳感器采用不同的坐標系統，采集的三維空間信息各不相同。為了對采集數據進行融合處理，需要在多傳感器局部坐標系和全局參考坐標系間進行多坐標系轉換。

2.2 坐標系轉換

(1)激光掃描儀極坐標系到激光掃描坐標系的轉換。根據激光掃描儀的數據解析格式，將激光掃描儀獲取的原始數據解析到激光掃描儀極坐標系，得到每個激光點的極坐標值(ρ,θ)，然后進行坐標轉換。設激光點P的坐標為 (xL,yL,zL)，則坐標轉換公式為

(1)

(2)激光掃描坐標系到IMU坐標系的轉換。主要包括旋轉(R)和平移(L)。獲取激光掃描坐標系下的激光點坐標數據后，通過旋轉和平移將其轉換到IMU坐標系下(如圖1所示)。

圖1 激光掃描坐標系到IMU坐標系的轉換示意

平移矩陣L是激光掃描坐標系與IMU坐標系之間的3個平移分量ΔRS即(ΔxIL,ΔyIL,ΔzIL)T，可以看成激光發射原點在IMU坐標系中的坐標[7]；旋轉矩陣RM是關于偏轉角(α,β,γ)的函數，激光掃描坐標系下的激光點在IMU坐標系下的坐標(xI，yI，zI)T可由以下坐標轉換公式得到：

(2)

式中，RM由以下3個矩陣合并而來：

RM=RγgRβgRα

其中：

旋轉之后根據兩坐標系之間的桿臂值L進行平移，實現激光掃描坐標系和IMU坐標系原點的重合，即可實現坐標系轉換。

(3)IMU坐標系到當地水平坐標系的轉換。GPS天線相位中心與IMU坐標系的中心也存在偏心量(ΔxIG，ΔyIG，ΔzIG)，可看成GPS中心在IMU坐標系下的坐標[8]。

IMU可以測出傳感器穩定平臺的實時姿態，包括橫滾(roll)、俯仰(pitch)和航向(heading)，這3個姿態角即為當地水平坐標系和慣導坐標系間的歐拉角[9]。通過實時獲取的姿態角數據即可將IMU坐標系下的激光點云轉換到當地水平坐標系下。坐標轉換示意見圖2。

圖2 IMU坐標系到當地水平坐標系的轉換示意

若激光點在當地水平坐標系下的坐標為(xLH，yLH，zLH)T，則坐標轉換關系為

(3)

式中，RN為IMU測得的姿態角構成的旋轉矩陣，是橫滾角Φ、俯仰角Θ和航偏角Ψ的函數。計算公式如下：

RN=RhRpRr

其中：

(4)當地水平坐標系到WGS84大地坐標系的轉換。當地水平坐標系經過旋轉平移可轉換到WGS84系中。

3 庫岸地形掃測

3.1 可行性研究

2014年與2016年，長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局在三峽庫區壩前河段、兩壩間河段，開展了船載三維激光掃描測量系統在山區河段應用的適用性、可靠性、安全性和高效性試驗。試驗位置見表1。

表1 試驗河段位置

掃測精度驗證共選取73點，包括了建筑物、堤岸特征點和不同密度植被覆蓋區的地形點。與GNSS RTK方式共點測量結果比對，其點位中誤差、高程中誤差均滿足1 ∶500以下比例尺測圖要求。使用三維激光掃描系統掃測植被覆蓋密集區，存在有效穿透植被性差和提取地面地形點困難等缺點。該系統適用于三峽庫區消落帶和河道植被覆蓋稀疏區掃測。

在兩壩間河段，還探索了測深系統與船載三維激光掃描測量系統集合組成一體化測量系統測量河道地形，實現了庫岸與水下同步全覆蓋測量，具有基準統一、高時效、低成本、測量精度高等特點。為水道地形全覆蓋測量模式推廣提供了重要的基礎參考。

3.2 庫岸掃測及數據分析

數據采集采用中海達iScan-M船載移動三維激光測量系統。測量基準為1954北京坐標系、1985國家高程基準，以7參數轉換坐標。外業數據采集歷時17 d，掃測庫岸地形781 km，獲取點云數據 103.1 GB、影像數據 302.1 GB。具體內外業實施流程見圖3，外業測量工作見圖4。

圖3 內外業實施流程

圖4 外業測量工作

3.2.1 庫岸掃測

(1)基站架設。選擇三峽庫區新增設控制點架設GNSS進行靜態采集，采用純靜態模式為STM設備提供后差分處理的靜態數據，采集時間間隔為1 s，截止高度角為10°，并將每天的采集情況進行記錄。

(2)IMU對齊。開機后首先讓船體進行高動態的運動并對慣性測量單元(IMU)進行對齊；慣導對齊時船行駛的軌跡、速度、方向以及GNSS信號狀態都對慣導的收斂有所影響。慣導動態對齊時按照直線、8字形以及圓形的軌跡進行收斂最為快速。

(3)數據采集。水上移動測量系統需要設置的參數分為主要的激光器參數和輔助的河景參數。為了保證點云的精度符合航道測量的需求，選擇測距為950 m、垂直分辨率為0.05°、限制船速為7節(約13 km/h)，可以保證垂直和水平方向的點間距在15 cm。河景的參數只有按照時間進行拍照，6 s/張，拍照間距約為21 m。

(4)驗證點采集。在測區內均勻地選取地形特征點，采用傳統RTK手段獲取特征點三維數據，作為船載三維激光精度比對參照。

3.2.2 數據處理

(1)POS解算。利用Inertial Explorer數據解算軟件，聯合基準站GNSS靜態觀測數據和實時POS數據，通過緊耦合解算模式，解算出高精度的船載軌跡POS數據。

(2)參數求解。根據測區內控制點的國家2000坐標和1954北京坐標求解7參數并用于點云數據融合坐標轉換。

(3)點云數據融合。利用HD DataCombine 3.0軟件，根據IE解算所得的船載軌跡POS數據和求解的轉換參數，將所測點云融合成1954北京坐標系坐標點云數據。

(4)點云編輯過濾。利用HDscene軟件選出和刪除噪點。

(5)影像處理與點云配準。利用hdPanoFactory軟件將iScan采集的影像數據拼接成全景影像數據，利用HD_2LS_SCENE軟件對全景影像數據與點云數據進行配準，方便后期處理成圖時作為圖像參考。

(6)數字成圖。基于清華山維EPS2012(三維測圖)數字測圖軟件，將三維激光點云數據導入，勾繪地形圖。

點云影像數據融合見圖5。

圖5 點云影像數據融合

4 精度分析

4.1 誤差分析

船載激光掃描系統是由多個傳感器高度集成的測量系統，為了快速獲取高空間分辨率、高精度三維激光點云數據與影像數據，在系統集成、數據采集方法和數據處理方面做了相應工作限制誤差累積。

(1)系統集成誤差。采用一體化剛性平臺，將各個傳感器集成到穩定的機械裝置內，各傳感器間的相對位置關系穩固可精確測定；

(2)系統標定誤差。在實驗場內利用工業測量系統進行多傳感器系統整體標定；

(3)GNSS測量誤差。采用GNSS后處理差分技術，利用Inertial Explorer軟件解算出高精度的船載軌跡POS數據,有效消弱了GNSS動態差分引起的信號傳播誤差和比例誤差；

(4)坐標轉換誤差。采用多源數據融合軟件及坐標轉換參數直接融合出1954北京坐標系坐標，消除點云數據二次坐標轉換引起的誤差。

4.2 實測精度分析

在測區內按一定間隔、不同反射介質提取船載三維激光的特征點共570點，采用GNSS RTK方式同點檢測。檢測所用基準站與激光掃測所用基準站不同。檢測點位中誤差±0.11 m，高程中誤差±0.05 m，滿足規范規定允許限差要求，見表2。

表2 測點精度統計

5 結 論

在精度、效率、作用等方面，船載移動三維激光掃描技術較傳統測量技術具有明顯的優勢，具體體現在以下幾個方面：①滿足大比例尺測圖要求；②外業掃測效率高，高精度的激光點云可直接獲得測區的數字高程模型(DEM)；③拍攝的全景影像數據可直接作為地形圖勾繪的參考依據，可快速生成數字線劃圖(DLG)。同時，該技術也存在以下一些問題：①植被茂密區域穿透能力不佳；②全景影像數據與點云數據匹配性有待提高；③植被區點云數據及噪點的快速濾波手段不佳；④掃測時遇建筑物、船舶等，其背向側會留下空白區，必須采用其他測量手段補測。

總之，船載移動三維激光掃描作為一項先進技術在河道測繪中具有突出的優勢，特別是在山區河道測繪中其優勢更為明顯。隨著掃測數據處理技術、手段逐步完善，其應用范圍將更加廣泛。