船載三維激光掃描系統(tǒng)在西部重要高原湖泊測(cè)量中的應(yīng)用研究

黃 童，全小龍，李 騰，簡(jiǎn) 弈

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北宜昌 443003）

1 研究背景

三維激光掃描技術(shù)分為地面固定式激光掃描技術(shù)和移動(dòng)激光掃描技術(shù)。由于實(shí)際測(cè)量需求不同，搭載移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)的載體也不同，常見(jiàn)的載體有飛機(jī)、車輛、船艦和人等［1-2］。近年來(lái)，隨著三維激光掃描、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，船載三維激光掃描系統(tǒng)在河道測(cè)量、灘涂崩岸測(cè)量和海島礁測(cè)量等工程中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。彭彤［2］闡述了基于船載移動(dòng)激光掃描的灘涂崩岸測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并利用該系統(tǒng)在長(zhǎng)江澄通河段南岸附近進(jìn)行了掃測(cè)，獲取了精確的掃描數(shù)據(jù)。陳尚登等［3］使用基于Rigel VZ1000的船載三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)某內(nèi)河航道的沿岸地形進(jìn)行了測(cè)量，驗(yàn)證了船載激光掃描系統(tǒng)在大比例尺測(cè)圖中應(yīng)用的有效性。李騰等［4］使用基于Rigel VZ1000的船載三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸地形進(jìn)行了掃測(cè)，并對(duì)其精度進(jìn)行了評(píng)定，證實(shí)了測(cè)量成果可滿足多種比例尺測(cè)圖需要。汪連賀［5］介紹了中海達(dá)iScan三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)成功完成了海島礁岸線地形測(cè)量，精度滿足測(cè)量要求。由此可見(jiàn)，船載三維激光掃描系統(tǒng)在內(nèi)陸和近海水域的沿岸地形測(cè)量中具有可行性、可靠性和精確性。目前，國(guó)內(nèi)西部重要高原湖泊測(cè)量的研究較少，因此該系統(tǒng)能否在西部重要高原湖泊陸域地形測(cè)量中成功應(yīng)用尚未可知。

我國(guó)西部地區(qū)湖泊眾多，特別是高原湖泊，是西部生態(tài)安全屏障的重要組成部分。由于大多數(shù)湖泊地處偏遠(yuǎn)，自然環(huán)境惡劣，交通不便，人跡罕至，且受到原有測(cè)量技術(shù)、手段等眾多因素的限制，多數(shù)重要湖泊未開(kāi)展過(guò)系統(tǒng)科學(xué)的測(cè)量工作；加之現(xiàn)有基礎(chǔ)資料較少，甚至許多湖泊為歷史資料空白區(qū)，無(wú)法滿足當(dāng)前湖泊治理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源管理和科學(xué)研究等工作需要，因此，在水利部的推動(dòng)下西部重要高原湖泊測(cè)量工作在陸續(xù)展開(kāi)［6］。西部重要高原湖泊具有海拔高（海拔一般超過(guò)4 500 m）、風(fēng)浪大、環(huán)境惡劣、氣候復(fù)雜多變等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的測(cè)量手段（如實(shí)時(shí)差分定位（RTK）和全站儀等）和無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的方式進(jìn)行湖泊陸域地形測(cè)量均存在一定的局限性，難以滿足測(cè)量要求。為有效解決該測(cè)量難題，首次提出了將船載三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用于西部重要高原湖泊陸域的地形測(cè)量。本文以西部重要高原湖泊格仁錯(cuò)為例，介紹了船載三維激光掃描系統(tǒng)的組成、工作原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，闡述了船載激光掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程和外業(yè)掃測(cè)的關(guān)鍵步驟，并結(jié)合RTX采集的驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)定，證實(shí)了其測(cè)量精度完全滿足測(cè)圖要求，同時(shí)總結(jié)了寶貴的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類似測(cè)量項(xiàng)目具有較好的借鑒意義。

2 現(xiàn)有測(cè)量方法

（1）無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量為非接觸式測(cè)量，但由于無(wú)人機(jī)體積相對(duì)較小，抗大風(fēng)能力較弱；加之高原空氣密度低，無(wú)人機(jī)功耗也會(huì)相對(duì)更大，其飛行動(dòng)力和續(xù)航時(shí)間與理想水平相差較大，難以應(yīng)對(duì)惡劣的測(cè)量環(huán)境。

（2）RTK 測(cè)量。受流動(dòng)站和基準(zhǔn)站間距的限制，采用該方法測(cè)量時(shí)需要不斷移動(dòng)基準(zhǔn)站，且全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的衛(wèi)星信號(hào)易受山體遮擋，出現(xiàn)信號(hào)失鎖現(xiàn)象。

（3）全站儀測(cè)量。受儀器最大測(cè)程限制，遷站頻繁，測(cè)量效率低下。

RTK 測(cè)量和全站儀測(cè)量均屬于接觸式測(cè)量，完全依靠人工采點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)離散，作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，尤其是在高原缺氧、紫外線照射強(qiáng)烈的惡劣環(huán)境下，測(cè)量人員的身體健康和人身安全難以保證。而且，兩種測(cè)量方式均不適用于陡崖、灘地、沼澤地等測(cè)船和人員無(wú)法到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域。

3 船載三維激光掃描系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

船載三維激光掃描系統(tǒng)主要由定位定姿系統(tǒng)（GNSS/INS組合）、三維激光掃描儀、高清全景相機(jī)、載體平臺(tái)、計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)軟件等組成［7］，如圖1所示。

圖1 船載三維激光掃描儀系統(tǒng)組成示意

3.2 工作原理

三維激光掃描儀和定位定姿系統(tǒng)牢固安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)剛體固連以保證傳感器與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)完全同步。使用船載激光掃描系統(tǒng)前，需先進(jìn)行系統(tǒng)檢校，確定激光掃描中心與定位定姿系統(tǒng)之間的精確空間位置關(guān)系。通過(guò)對(duì)GNSS數(shù)據(jù)和慣性測(cè)量單元（IMU）數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，獲取高精度的位置和姿態(tài)信息，再將位置、姿態(tài)信息與三維激光掃描儀獲取的激光腳點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行時(shí)間和空間配準(zhǔn)，得到掃描地物目標(biāo)的大地三維坐標(biāo)信息［1］。

3.2.1 時(shí)間配準(zhǔn)

時(shí)間配準(zhǔn)是將船載激光掃描系統(tǒng)中各個(gè)傳感器觀測(cè)同一目標(biāo)的不同步數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一為相同的時(shí)間基準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)各傳感器采用的時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)各傳感器在同一時(shí)刻提供同一目標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)［8-9］。由于GNSS與IMU使用的時(shí)間系統(tǒng)是世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC），三維激光掃描儀使用的是GNSS時(shí)間系統(tǒng)，且三維激光掃描儀和IMU的數(shù)據(jù)采樣頻率遠(yuǎn)大于GNSS采樣頻率，因此，船載激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻并不一致。為保證每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)必須同時(shí)包含定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，一般采用準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度高的GNSS 授時(shí)時(shí)鐘作為時(shí)間基準(zhǔn)，通過(guò)內(nèi)插方法對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，即將高頻率的傳感器數(shù)據(jù)融合到低頻率的傳感器數(shù)據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上。

3.2.2 空間配準(zhǔn)

船載三維激光掃描系統(tǒng)由多傳感器組成，各傳感器采用的坐標(biāo)系統(tǒng)不同，主要包括三維激光掃描極坐標(biāo)系、三維激光掃描直角坐標(biāo)系、IMU 直角坐標(biāo)系、平臺(tái)參考坐標(biāo)系和WGS84大地坐標(biāo)系。

（1）三維激光掃描極坐標(biāo)系。以三維激光掃描儀的激光發(fā)射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，激光掃描儀的中軸線方向?yàn)闃O軸，極角為掃描方向與極軸的夾角。

（2）三維激光掃描直角坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)與激光掃描儀極坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，Z軸與極軸平行，方向垂直向上；X 軸與Z 軸構(gòu)成激光掃描面（X-O-Z面），X-O-Z面與極平面重合；Y 軸垂直于X-O-Z面指向載體行進(jìn)方向，構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

（3）IMU 直角坐標(biāo)系。以IMU 姿態(tài)傳感器幾何中心為原點(diǎn)，以載體行進(jìn)方向?yàn)閅軸；X軸為行進(jìn)的交叉方向，右側(cè)為正；Z 軸垂直于X 與Y 軸構(gòu)成的平面，豎直向上，構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

（4）平臺(tái)參考坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系實(shí)質(zhì)上是一種站心直角坐標(biāo)系，以GNSS 天線相位中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y、Z軸分別指向東、北和沿橢球法線方向。

（5）WGS84大地坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向國(guó)際時(shí)間服務(wù)機(jī)構(gòu)（BIH）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向；X軸指向BIH的零子午面和CTP 赤道的交點(diǎn)；Y 軸與Z 軸、X 軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

為了對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，需要將外業(yè)采集數(shù)據(jù)在時(shí)間配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間配準(zhǔn)，即多傳感器局部坐標(biāo)系和全局參考坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換，最終將三維激光掃描極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS84大地坐標(biāo)系，具體轉(zhuǎn)換流程見(jiàn)圖2。

圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換流程

3.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

針對(duì)西部重要高原湖泊海拔較高、環(huán)境惡劣、氣候復(fù)雜多變、四周交通不便、陸上植被稀疏等特點(diǎn)，船載三維激光掃描系統(tǒng)相較于現(xiàn)有測(cè)量方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）該系統(tǒng)為非接觸測(cè)量，自動(dòng)化程度高。所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)由儀器自動(dòng)采集，無(wú)需人工跑點(diǎn)，可極大減輕野外作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度并降低測(cè)量人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）測(cè)量數(shù)據(jù)為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高、密度高；掃描速度快，測(cè)量效率高。

（3）能夠?qū)Χ秆隆┑亍⒄訚傻氐葴y(cè)船和人員無(wú)法到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

（4）系統(tǒng)具有相對(duì)較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。近水邊作業(yè)時(shí)，在燃油準(zhǔn)備充足和船只大小合適的情況下，該方法可保證系統(tǒng)具有續(xù)航能力和抗風(fēng)浪能力。

4 湖泊陸域地形掃測(cè)及精度評(píng)定

格仁錯(cuò)位于西藏申扎、尼瑪兩縣，地處岡底斯山北坡斷陷盆地內(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯30°57′～31°19′，東經(jīng)88°03′～88°34′。湖面海拔約4 650 m，面積約485 km2。湖泊呈西北-東南走向的長(zhǎng)條狀，長(zhǎng)約60 km，最大寬約14 km，平均寬約8 km。湖區(qū)屬羌塘高寒草原半干旱氣候，年均氣溫約0 ℃，年降水量200～300 mm。該位置交通極其不便，針對(duì)湖區(qū)周邊植被稀疏、地物較少的特點(diǎn)，采用船載三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)格仁錯(cuò)陸域地形進(jìn)行了掃測(cè)，快速有效地獲取了三維激光點(diǎn)云和全景影像，掃測(cè)使用的主要儀器設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 主要儀器設(shè)備

4.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）設(shè)備安裝。首先將集成傳感器的支架固定在測(cè)量船上，然后將Rigle VZ2000三維激光掃描儀、Trimble R10 GNSS、OCTANS運(yùn)動(dòng)傳感器分別安裝在支架上。安裝時(shí)既要保證安裝平臺(tái)強(qiáng)度，又要保證各硬件的相對(duì)穩(wěn)固性，如圖3所示。連接UPS、設(shè)備與電腦等之間的電纜線及數(shù)據(jù)線，并配置電腦的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置連接各傳感器。

圖3 儀器設(shè)備安裝

（2）GNSS定位。采用Trimble R10 GNSS系統(tǒng)以及Trimble RTX（Real-Time extended，實(shí)時(shí)差分?jǐn)U展）技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位。該技術(shù)通過(guò)衛(wèi)星或網(wǎng)絡(luò)方式播發(fā)改正數(shù)，可實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)全球精密定位服務(wù)，無(wú)需連接物理基站或CORS網(wǎng)絡(luò)，真正實(shí)現(xiàn)了全星座GNSS定位服務(wù)。

（3）IMU 對(duì)齊。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先將船體進(jìn)行高

黃 童等 船載三維激光掃描系統(tǒng)在西部重要高原湖泊測(cè)量中的應(yīng)用研究動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)使IMU 設(shè)備對(duì)齊，IMU對(duì)齊按照直線、“8”字形以及圓形的軌跡布置收斂速度最快［10］。

（4）三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)湖區(qū)地形情況，先對(duì)船載三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)（激光掃測(cè)距離、角度分辨率、相機(jī)曝光參數(shù)等）進(jìn)行設(shè)置，測(cè)船在近水邊按照不超過(guò)7節(jié)的船速行駛，同時(shí)使用Qinsy軟件進(jìn)行導(dǎo)航定位和數(shù)據(jù)采集。

（5）驗(yàn)證點(diǎn)采集。在船載三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中，同時(shí)采用高精度RTX 人工測(cè)量的方法，對(duì)陸上房角點(diǎn)、圍墻轉(zhuǎn)折點(diǎn)等特征點(diǎn)進(jìn)行采集，對(duì)船載三維激光掃測(cè)的精度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

4.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

格仁錯(cuò)測(cè)量總指揮部下設(shè)的測(cè)量隊(duì)經(jīng)過(guò)3 d 的野外作業(yè)，共完成了格仁錯(cuò)湖區(qū)約130 km的陸上數(shù)據(jù)采集。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用Qinsy 軟件、RiSCAN PRO 軟件和清華山維EPS 軟件，具體處理流程見(jiàn)圖4。

圖4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

（1）數(shù)據(jù)檢查。檢查測(cè)量范圍內(nèi)是否有空白區(qū)，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)和相機(jī)照片質(zhì)量是否合格。

（2）POS 解算。利用Qinsy 軌跡解算軟件，聯(lián)合GNSS 數(shù)據(jù)和IMU 數(shù)據(jù)，通過(guò)緊耦合解算模式，解算出高精度的軌跡數(shù)據(jù)。

（3）點(diǎn)云融合。根據(jù)解算出高精度的POS 軌跡數(shù)據(jù)和求取的測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，利用Qinsy 軟件進(jìn)行點(diǎn)云融合，得到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（4）點(diǎn)云濾波。采用三維激光掃描軟件RiSCAN PRO 進(jìn)行點(diǎn)云濾波處理，刪除噪聲數(shù)據(jù)和無(wú)效數(shù)據(jù)。

（5）點(diǎn)云分割。根據(jù)湖泊測(cè)量范圍要求，采用三維激光掃描軟件RiSCAN PRO將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照高程進(jìn)行分割。

（6）數(shù)據(jù)輸出和成圖。先將所需數(shù)據(jù)輸出為.las 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入清華山維EPS 工作空間轉(zhuǎn)換為.PCD點(diǎn)云格式，再將.PCD數(shù)據(jù)導(dǎo)入EPS三維測(cè)圖模塊，即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)平鋪窗口二維和三維聯(lián)動(dòng)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)提取和地形圖勾繪。

4.3 精度評(píng)定

利用高精度RTX 方式共檢測(cè)和比較了77 個(gè)地形和地物特征點(diǎn)，通過(guò)同點(diǎn)三維坐標(biāo)的差值計(jì)算點(diǎn)位中誤差和高程中誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 船載三維激光測(cè)點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)SL257-2017《水道觀測(cè)規(guī)范》中關(guān)于地形圖測(cè)量精度允許誤差的規(guī)定，船載三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度遠(yuǎn)高于格仁錯(cuò)1∶10 000 比例尺測(cè)圖精度要求，甚至可滿足1∶500 大比例尺測(cè)圖精度要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。在測(cè)量環(huán)境極其惡劣的西部高原湖泊測(cè)量中采用船載三維激光掃描技術(shù)，能極大減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)成本，可有效提高野外作業(yè)效率，降低測(cè)量人員的作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)的應(yīng)用可為今后的西部高原湖泊測(cè)量工作提供參考，契合測(cè)繪工作動(dòng)態(tài)化、數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)。鑒于高原湖泊的特殊性，在高原湖泊測(cè)量中應(yīng)用船載三維激光掃描系統(tǒng)時(shí)要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）高原天氣復(fù)雜多變，水上測(cè)量作業(yè)具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)量人員要提前了解測(cè)區(qū)的氣象信息，以便選擇合適的掃測(cè)時(shí)機(jī)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量和人員安全。

（2）高原環(huán)境惡劣、條件艱苦，測(cè)量前應(yīng)根據(jù)湖區(qū)地形提前規(guī)劃好掃測(cè)航線，盡量提高測(cè)量效率和縮短野外作業(yè)時(shí)間。

（3）高原湖泊風(fēng)浪較大，要盡量選擇穩(wěn)定性和適航性較好的測(cè)船；儀器安裝時(shí)既要保證安裝平臺(tái)強(qiáng)度，又要保證各硬件的相對(duì)穩(wěn)固性。

（4）高原湖泊水域?qū)拸V，作業(yè)范圍大，測(cè)量時(shí)建議優(yōu)先考慮采用可以實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)全球精密定位服務(wù)的Trimble RTX技術(shù)進(jìn)行定位導(dǎo)航。