小型機載激光雷達技術在水運勘察設計的應用

黃湘

摘要：文章從水運工程勘察設計的需求和工程實際應用出發，結合小型機載激光雷達技術在廣西水運勘察設計中的應用優勢，分析了小型機載激光雷達技術在水運勘察設計中的應用可能性，其成果可有效地應用于傳統水運工程設計及BIM正向設計工作，提高了水運工程建設的質量、經濟效益。

關鍵詞：無人機;機載激光雷達技術;水運勘察設計

中國分類號：U612文獻標識碼：A

0 引言

激光雷達技術是當今測繪業先進的遙感測量手段，是利用激光技術探測地質環境信息的傳感器的統稱。與傳統類雷達不同，激光雷達是以激光作為載波，能夠快速、高精度地獲取空間三維坐標和影像數據采集，主要應用在智能汽車、無人機、測繪、機器人等領域。該技術在采集地表數據方面具有傳統測繪和航空攝影測量無法比擬的優勢，主要體現在：

（1）精度高。激光雷達波長頻率比普通雷達微波至少高2～3個數量級，能夠在分子量級上對目標進行探測，有很高的分辨率。

（2）抗干擾能力強。激光不受布線電波干擾，而且激光束非常小，多路徑效應小，能夠探測低空目標。

（3）體積小、質量輕。傳統微波雷達體積大、重量重，不易運輸和維修，而激光雷達不僅結構簡單，而且體積小、重量輕，便于維修和攜帶。

目前激光雷達常用的測距技術有三種，分別是激光飛行時間法、調頻連續波法和三角法。其中激光飛行時間法是通過光脈沖在雷達與目標間的飛行時間算出距離，適用于長距離探測;調頻連續波法是通過光的波動變化和發射、接收光譜的頻率差異得出距離;三角法是通過幾何三角定理計算光斑位移，適合于短距離測量。

1 小型機載激光雷達技術在廣西水運勘察設計中的應用優勢

水運勘察設計的港口碼頭、樞紐項目多為點狀的工程區域，且廣西大部分地區都是多山地貌，地形起伏較大，植被茂盛，由于GPS信號被遮擋、人員無法到達或全站儀無法通視等原因難以采集到所有地形特征點，傳統的航空攝影測量又無法穿透植被采集到地面點的數據，外業數據采集難度較大。小型機載激光設備機動靈活，可以穿過植被間隙獲取樹冠、樹枝、地面精確的三維坐標數據。

1.1 地理空間數據采集的優勢

小型機載激光雷達系統具有精度高、抗干擾能力強、體積小、重量輕的特點，不僅能夠獲得精準的測量數據，同時操作簡單，便于攜帶，符合復雜地形測繪的需要。

1.2 BIM正向設計的應用優勢

三維地形數據是BIM正向設計中必不可少的基礎數據，機載激光雷達測量技術能有效克服植被影響，獲取工程所需的DLG（數字線畫圖）、DEM（數字高程模型）及三維激光點云等基礎地理信息數據，滿足傳統水運工程設計及BIM正向設計需要。

2 系統原理及技術路線

機載激光雷達技術是利用激光飛行時間法進行水運勘察的雷達技術，通過測得激光在目標與傳感器之間的飛行時間，再結合飛行器的運行線路及速度信息，就能夠精準地算出目標與傳感器之間的間距，進而通過轉換，得到直觀的三維數據。機載激光雷達系統主要由GPS系統（包括機載GPS和地面基站GPS）、INS系統（慣性測量系統）、激光掃描測距系統、成像系統和飛行系統構成。其具體技術路線如圖1所示。

3 工程應用

本研究以左江山秀船閘擴能工程為依托項目。山秀電站工程區域地形復雜，山高路險，植被茂盛，河道兩岸的石頭山十分陡峭，山峰山谷最大落差達300 m，而要獲取滿足初步設計、施工圖設計需求的1：500、1：1 000測圖比例地形數據，采用傳統的全站儀測量或爬上去利用GPS-RTK采集幾乎不可能實現，不僅效率低，而且測量人員安全也得不到保障。為了克服困難，項目組采用小型機載激光雷達技術進行測量。在進行現場勘察后，根據山區地形特點制定詳細的航飛方案，利用大疆M600搭載SZT-R250三維激光移動測量系統進行地面數據采集。

3.1 航飛設計

3.1.1 地面基站

為了保證水運勘察數據的準確性，需要在飛行區域內安置一定數量的GPS基站，同時安置機載GPS，根據差分GPS技術要求，GPS基站與機載GPS距離應≤30 km。本項目工程測圖測區為山秀水電站上游2.4 km至下游1.9 km，總面積約6.0 km2，在樞紐壩上布設1個基站即可滿足要求。站點原則：架設在GPS D級控制點上;基站設備：中海達iRTK 5 X雙頻GPS設備，續航能力8 h以上;觀測要求：GPS接收機數據采樣間隔0.5 s，最小衛星數4顆，衛星截止高度角5°，量取GPS天線高，填寫觀測手簿等相關資料。

3.1.2 航線規劃

按照作業要求，規劃檢校航線、數據采集航線，包括航帶間重疊度、飛行高度、飛行速度、掃描儀掃描頻率、掃描儀覆蓋范圍等的規劃。具體的航線可以根據工程區域KML、DEM高程進行初步規劃，在進行現場勘察后，由地表情況進行飛行高度、飛行速度等的進一步調整，以保證數據采集作業的安全性與有效性。

3.2 數據處理

數據處理包括數據預處理、點云數據處理和正射影像制作。預處理包括解算原始點云數據和原始影像兩部分，將算好的軌跡數據（.POS）和掃描儀數據（.RXP）導入PointProcess進行點云數據融合，得到平行器精準的三維坐標。點云數據處理可以采用不規則三角網法，輸入外業航飛記錄參數，根據激光點反射率及距離進行粗濾波來過濾噪點，得到高精度位置信息的點云數據（.LAS），對點云數據進行地面點和非地面點分類，快速自動分離出精細的地面點。正射影像制作可以得到精準的影像，利用攝影測量系統參考點云數據，進行正射糾正和影像的無縫鑲嵌。

3.3 精度分析

為評定無人機機載激光測量點云數據的準確性，測量項目組采用常規的GPS-RTK、全站儀在工程區域采集了5 844個地形點，這些地形點涵蓋平坦的耕地、山秀大壩、建筑物、山上裸露石頭及懸崖峭壁地形特征點等。

對點云數據進行分類處理后，除去非地面點后，獲取了約104萬個點云數據，與常規GPS-RTK、全站儀采集地形點數據進行比對分析，結果顯示絕大部分地形點的精度符合1：500測圖精度，高程中誤差為12.6 cm。其中，有330個地形點的高程誤差超過40 cm，主要集中在懸崖峭壁、房屋角頂以及陡坎處，還有一部分應該是植被完全覆蓋區域，機載激光雷達無法通過縫隙穿透植被，或者被植被下方的水吸收后沒有采集到數據，在擬合過程中產生的誤差。

3.4 在水運勘察設計中的應用

利用小型機載激光雷達技術快速高效獲取的三維地理信息數據，可用于研究工程區域的宏觀地理環境，供各種空間查詢及空間分析。通過精細化的三維實景模型及地形模型、高精度的DLG、高分辨率的DOM等多源數據相結合，可為水運工程從規劃、設計、施工到運營各階段提供可視化展示、管理、決策支持等基礎數據，有效降低工程項目各階段的數據生產、溝通成本，提高數據精度和工作效率，為BIM技術在工程全生命周期應用的各階段提供良好的數據支持。

4 結語

小型機載激光雷達技術在水運勘察設計工作中應用前景廣闊，不僅精準度高，而且抗干擾能力強，體積小，重量輕，便于攜帶和維修，能彌補傳統水運勘察設計工作中的缺陷，有關單位應不斷擴展、深化機載激光雷達技術在水運勘察設計中的應用，構建全要素三維場景模型，為BIM三維協同設計提供精細化的基礎地理信息，實現兩種新技術的優勢互補，形成GIS+BIM的解決方案。

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