無人機載LiDAR在水利工程測量中的應(yīng)用探究

耿志盼 （安徽省水利水電勘測設(shè)計院勘測分院，安徽 蚌埠 233000）

0 前言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進(jìn)步，水利行業(yè)也在發(fā)生革命性的變化。傳統(tǒng)的全站儀以及RTK測量雖然地面數(shù)據(jù)精度高，但是存在外業(yè)工作量大、測量工期長、特殊地形的局限性以及不利于勘測設(shè)計一體化等問題。目前遙感、航測、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)、水資源管理、基礎(chǔ)測繪等方面。在水利工程測量方面，除了傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)，無人機航測有其獨特的優(yōu)勢，它更加靈活、成本更低、現(xiàn)勢性強、可快速獲取高分辨率影像，在測繪行業(yè)的應(yīng)用日益成熟。然而無人機航測受天氣影響大，且在密林覆蓋的山區(qū)丘陵地帶也有其局限性，由于無法穿透樹木，所以無法高精度地獲取地面高程數(shù)據(jù)。機載激光雷達(dá)航測(LiDAR)是集成激光掃描、攝影測量、全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)等測繪高新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能夠直接得到高精度的三維坐標(biāo)信息。LiDAR所裝載的激光掃描儀可以發(fā)射很強的激光脈沖，在覆蓋不是特別密集的區(qū)域，可以穿透樹木獲取數(shù)據(jù)，在一些密林山區(qū)有獨特的優(yōu)勢。隨著近些年來無人機技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，將LiDAR與無人機進(jìn)行結(jié)合從而實現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)采集，在將來必將成為新的趨勢之一。

1 LiDAR技術(shù)介紹

LIDAR（Light Detection and Ranging）即激光雷達(dá)掃描技術(shù)，是二十一世紀(jì)以來攝影測量及遙感領(lǐng)域最具創(chuàng)新性的技術(shù)之一。LiDAR系統(tǒng)由高精度激光測距儀、高精度慣性測量裝置（IMU)、動態(tài)差分技術(shù)的GPS裝置（DGPS）和高分辨率成像裝置（主要是數(shù)碼相機）組成。激光測距儀通過發(fā)射和接收脈沖信號得到高密度和高精度的點云數(shù)據(jù)，與此同時，動態(tài)GPS系統(tǒng)確定傳感器的空間位置 (經(jīng)緯度)，IMU測量飛機的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，即滾動、仰俯和航偏角。數(shù)碼相機得到清晰的地面影像，然后將點云數(shù)據(jù)和影像進(jìn)行集合處理得到DEM和DOM等產(chǎn)品。

圖1 LiDAR技術(shù)示意圖

1.1 LiDAR技術(shù)特點和優(yōu)勢

①穿透能力強。LiDAR所裝載的激光掃描儀能發(fā)射穿透能力很強的脈沖信號，在一定程度上穿透植被覆蓋，且有多次回波，得到植被信息和真實的地面三維信息，在植被密集的丘陵山地優(yōu)勢明顯。

②快速獲取數(shù)據(jù)。LiDAR主動發(fā)射測量信號，不受太陽高度角以及天氣影響，具備全天候數(shù)據(jù)采集能力，對于應(yīng)急測繪和特殊地形非常有利。

③便捷高效。與傳統(tǒng)航測相比，地面控制工作少，只需要少量地面控制基準(zhǔn)站即可，且前期數(shù)據(jù)獲取和后期成果制作自動化程度很高，點云數(shù)據(jù)去噪得到DSM數(shù)據(jù)，在經(jīng)過濾波得到DEM數(shù)據(jù)，大大提高工作效率和速度。

④測量精度高。點云數(shù)據(jù)精度可達(dá)0.1m-0.5m，尤其是高程數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，能基本滿足1:1000比例尺地形圖的要求。

⑤產(chǎn)品多樣化。LiDAR能同時獲取點云數(shù)據(jù)和數(shù)碼影像，經(jīng)處理可提供豐富的產(chǎn)品，包括高精度數(shù)字地面模型（DEM），數(shù)字正射影像（DOM），數(shù)字線劃圖（DLG），以及數(shù)字地表模型（DSM）等，這些產(chǎn)品除了用于水利工程建設(shè)外，對數(shù)字水利和三維城市等信息化建設(shè)也具有強大優(yōu)勢。

1.2 誤差分析

機載LiDAR系統(tǒng)特別是無人機載LiDAR組成復(fù)雜，所以誤差來源也是多方面的。包括：①激光雷達(dá)測距誤差；②IMU姿態(tài)角和姿態(tài)角誤差；③GNSS定位誤差（最主要的誤差源之一）；④系統(tǒng)集成綜合誤差；⑤環(huán)境誤差（如航線、飛行條件、植被覆蓋、天氣等）；⑥其他誤差（如數(shù)碼相機也會存在誤差）等。所以，同無人機航測一樣，前期準(zhǔn)備和設(shè)計工作也是影響精度的重要環(huán)節(jié)。

1.3 LiDAR技術(shù)與航空攝影測量的比較

作為傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)的代表，航空攝影測量的技術(shù)與應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，作為新興技術(shù)，LiDAR技術(shù)在目前還無法挑戰(zhàn)航測的地位，但由于其突出的優(yōu)點，目前已經(jīng)成為航空遙感的重要技術(shù)之一，具備在未來取代航測的潛力。

①基本原理不同。LiDAR技術(shù)是主動式掃描測量，逐點采集，直接獲取地面三維坐標(biāo)，而航測是被動式，間接獲取。

②作業(yè)方式。LiDAR技術(shù)飛行計劃相對復(fù)雜，理論上可全天候作業(yè)，相比航測飛行高度范圍窄，一般有效范圍在100～4000m。

③數(shù)據(jù)處理。航測技術(shù)相對成熟，在DEM、DOM、DLG生產(chǎn)技術(shù)上已經(jīng)成熟，效率可控。而LiDAR技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面技術(shù)尚不成熟，但是自動化程度高，效率高。

④精度。航測成果平面精度高，可滿足大比例尺成圖要求，但是高程精度低，需要大量地面控制。Li-DAR技術(shù)高程精度大于平面精度，但存在二次誤差，且處理技術(shù)不夠成熟，不如航測容易控制質(zhì)量。

2 機載LiDAR在水利工程測量中的應(yīng)用

隨著國家對水利事業(yè)的重視和大力投入，各領(lǐng)域水利建設(shè)也迎來了發(fā)展的春天。同時隨著水利信息化建設(shè)的推進(jìn)，對獲取準(zhǔn)確、可靠空間三維數(shù)據(jù)的要求也越來越高。目前，水利工程的測量重要是用航空攝影測量、無人機航拍攝影測量等技術(shù)輔助傳統(tǒng)的野外RTK和全站儀人工測量。但是，在南方山區(qū)等密林覆蓋地區(qū)仍存在很多困難，如航測面臨外業(yè)控制困難、加密選點困難、影像匹配困難、立體測圖困難等問題，精度往往很難達(dá)到要求，而人工野外測量工作強度大、工期長、費用高，并且在很多特殊地形如懸崖深澗等作業(yè)困難。所以，新興的無人機載LiDAR技術(shù)將很好的解決這一問題，并且在將來可能替代傳統(tǒng)航測成為水利工程測量的主要技術(shù)手段。

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

機載LiDAR系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集到處理得到產(chǎn)品大概分為4個流程:航攝設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理，流程如下圖。

①技術(shù)設(shè)計

首先進(jìn)行準(zhǔn)備工作，設(shè)計航線。在保證精度的前提下，綜合考慮儀器設(shè)備的性能、測區(qū)的地形條件和形狀，對飛行航高、航向重疊度和旁向重疊度等一系列條件進(jìn)行設(shè)計。其次是地面基站的選址和布設(shè)設(shè)計。還有對數(shù)據(jù)預(yù)處理要求的設(shè)計，例如原始數(shù)據(jù)的整理、對航帶拼接要求。最后是數(shù)據(jù)檢查的設(shè)計，如檢查范圍、項目、補飛和重飛的要求。

②數(shù)據(jù)采集

設(shè)計完成后，依據(jù)設(shè)計計劃開始進(jìn)行航飛工作。首先進(jìn)行地面基站布設(shè)，進(jìn)行控制點測量。在無人機起飛后，要注意實時監(jiān)測無人機的工作情況，根據(jù)續(xù)航能力和外部因素及時調(diào)整。

③數(shù)據(jù)預(yù)處理

將得到的GNSS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)GNSS流動站和參考站數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，并將GNSS精確位置數(shù)據(jù)和IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)合成。將得到的點云數(shù)據(jù)根據(jù)激光掃面數(shù)據(jù)、精確位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到目標(biāo)物的空間三維坐標(biāo)。再對每條航帶的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面和高程檢查和校正，最后進(jìn)行航帶拼接。

④數(shù)據(jù)處理

將得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，分類后的地面數(shù)據(jù)可以生成數(shù)字高程模型（DEM），以此為基礎(chǔ)，結(jié)合獲取的影像數(shù)據(jù)制作DOM、DLG等成果。

圖2 作業(yè)流程圖

2.2 應(yīng)用

①快速獲取數(shù)字高程模型

機載LiDAR技術(shù)能獲取高密度、高精度的三維點云數(shù)據(jù)，通過點云分類、濾波，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，就可以快速提取DEM，其產(chǎn)品精度可以滿足多方面需求。

②斷面提取

橫縱斷面測量在水利工程測量中占有很大比重，利用處理后的點云數(shù)據(jù)和DEM成果，可以直接利用軟件提取橫縱斷面。

③地形圖制作

機載LiDAR技術(shù)能同時獲取三維點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，以DEM為基礎(chǔ)生成等高線，利用點云數(shù)據(jù)提取高程注記，利用影像糾正和空中三角測量，快速采集地物要素數(shù)據(jù)，最后生成符合要求的DLG成果。在無外業(yè)像控點的情況下，可以快速制作精度達(dá)到1：2000地形圖，大大節(jié)省了時間和成本。

④水下測量

LiDAR搭載多波束系統(tǒng)可以使用兩種不同波長的激光束對水下進(jìn)行測量。紅光測量水面，綠光可以穿透水面測量水底，完全可以勝任大面積的水下地形測量工作，在水庫測量作業(yè)方面優(yōu)勢明顯。

⑤特殊地形測量

在一些人工作業(yè)困難的特殊地形（如采石場、懸崖峭壁），機載LiDAR可以忽略地形限制完成測圖任務(wù)。目前而言，在覆蓋茂密的密林山區(qū)，LiDAR技術(shù)是唯一可行的能獲取地面高程數(shù)據(jù)的技術(shù)。

⑥水利信息化建設(shè)

LiDAR系統(tǒng)可以提供高分辨率、高精度的數(shù)字地面模型和數(shù)字正射影像，可以為水利信息化建設(shè)提供寶貴的空間三維信息。它還可以為大型水利設(shè)施建設(shè)中土方量的計算、壩址選取、水庫淹沒區(qū)估算等提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，并在水域監(jiān)測、水體污染監(jiān)控等方面發(fā)揮巨大作用。

3 總結(jié)和展望

機載LiDAR系統(tǒng)能夠同時獲取高精度、高密度的點云數(shù)據(jù)和高分辨率的影像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過一些簡單處理就能得到高精度的地面點云成果、DEM成果以及DLG成果。它不需要布設(shè)像控點，也無需構(gòu)建立體像對，拍攝的高清數(shù)碼影像判讀容易，色彩更接近地物真實情況，地類分界明顯，制圖速度快、靈活性高、現(xiàn)勢性強，在水利工程測量方面具有先天性的技術(shù)優(yōu)勢。但是目前也存在許多不足，如：數(shù)據(jù)處理量大、數(shù)據(jù)后處理技術(shù)相對落后、受目前無人機體積和重量的限制，無人機載LiDAR系統(tǒng)的精度有限，同時帶寬較短，采集效率較低。隨著眾多科研單位和廠商的重點關(guān)注，相信在不久的將來，針對機載LiDAR系統(tǒng)的計算機軟硬件研發(fā)將迎來跨越式進(jìn)步，無人機技術(shù)和激光技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展也將為對其產(chǎn)生巨大的推動作用。