無人機機載LiDAR在長江下游洲灘地形測量中的應用

楊俊凱，顏惠慶

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

長江下游河段是世界上運量最大、運輸最繁忙的通航河流，同時也是我國水運主通道和沿江地區綜合運輸體系主骨架[1]。長江下游汊道洲灘眾多，受上游徑流和下游潮汐的共同影響，長江洲灘演變劇烈，為穩定長江航槽，保證通航安全，建成了一系列重要洲灘守護工程。為了解洲灘變遷情況，評估航道整治效果，需開展洲灘地形測量工作。傳統測量方法對于高潮位淹沒的岸灘區域一般采用小船搭載測深設備進入測量，而對于低潮位干出的沙洲區域一般采用全站儀、GNSS-RTK人工走測或無人機攝影測量。其中全站儀或RTK地形測量技術成熟，但存在岸灘淤泥承載能力差、人員登陸困難等問題，因此此類直接測量方法的安全性、效率和精度均難以得到保障[2]；而無人機攝影測量技術采用間接測量方式遠程遙測，可代替人工實地走測，可大幅度提高洲灘地形測量效率，其成果還可以與BIM結合，輔助設計、施工管理等[3]，但存在植被遮擋區難以獲取真實地表三維信息等問題[4]。

近年來，激光雷達（LiDAR）測量技術發展迅速，已成為快速獲取高精度地表三維信息的有效手段。根據載體平臺不同，可分為星載、機（有人、無人）載、車（船）載、背包和地面式5類。其中，星載LiDAR測量技術飛行高度高、觀測視野廣，適用于高山區、沙漠區等復雜地形的大范圍DEM提取[5]。車（船）載LiDAR測量方式適用于城市[6]、岸線地形掃測[7]，但可能受激光發射俯仰角限制，出現目標頂部點云缺失的情況。背包式需人工背負，適用于車（船）無法進入的狹小地形[8]，但在人員難以進入區域（如岸灘、整治建筑物區）的應用受限。地面式LiDAR測量技術可能出現由于地形條件苛刻無法架設掃描站點等情況。而無人機機載LiDAR測量技術不受掃描角度及地形條件影響，具有視野廣、精度高、效率高等優勢，目前已在沿海灘涂、整治建筑物、海島測繪等方面展開了應用[9-10]。因此，為獲取民主沙沙尾洲灘地形特征，項目組采用了中海達ARS-200輕型激光測量系統對民主沙進行了地形掃測應用，快速獲取了民主沙沙尾洲灘地形點云數據，結合野外檢查點進行了精度評定，應用結果表明了無人機機載激光測量系統在小范圍、人工走測困難區域的地形測量具有快速、高精度的優勢，可快速了解洲灘變遷情況，為航道整治工程效果評估提供依據。

1 無人機機載LiDAR系統組成及參數

中海達ARS-200輕型激光測量系統以旋翼無人機為載體，系統包含高精度激光掃描儀、GNSS定位系統、IMU慣性導航單元等傳感器，如圖1所示。

圖1 ARS-200輕型LiDAR激光器Fig.1 The ARS-200 lightweight LiDAR laser

中海達ARS-200輕型激光測量系統以時間同步技術和一體化傳感器集成技術為基礎，確保同步獲取三維激光點云和定位定姿數據，具有重量輕、精度高、效率高等特點。主要性能參數見表1。

表1 ARS-200輕型LiDAR測量系統主要參數Table 1 The main parameters of ARS-200 lightweight LiDAR measurement system

2 應用試驗

2.1 測區概況

民主沙位于長江下游河段，測區內整體地勢平坦，地形要素豐富，民主沙外圍為淺灘，內部含硬質水泥路面、稻田及灌木，測區內存在人工難以進入的區域，測區位置如圖2所示。若采用船載激光掃描，因俯仰角的影響，只能掃測出淺灘點云數據；而無人機攝影測量系統因測區植被較為茂盛，光學傳感器無法穿透植被，從而無法測量出地表真實高程。因此，項目組綜合考慮了測區實際地形特征，采用中海達ARS-200輕型機載激光雷達對民主沙測區進行了地形掃測。

圖2 測區位置Fig.2 The location of measuring zone

2.2 數據采集

1）前期準備。首先實地踏勘了測區地形、氣象、有無高大障礙物等情況。其次收集現有潮汐資料，選擇最低潮時作業，從而擴大岸灘區域的測量范圍。此外，在數據采集之前，選擇在控制點上架設GNSS基準站，設置靜態采集模式，采集頻率1 Hz，衛星截止角設為10毅，便于后期利用載波相位差分GNSS定位技術剔除機載流動站的大部分誤差，以此控制測量精度。最后采用靜止的方式將IMU初始化。

2）航線規劃及參數設置。在航線規劃軟件中規劃航線，如圖3所示。飛行參數包括起降位置、飛行高度、飛行速度、航帶間距等，激光掃描參數包括點云密度、激光器掃描頻率等系統參數，如表2所示。

圖3 無人機飛行航線Fig.3 The diagram of UAV flight route

表2 無人機機載LiDAR飛行參數Table 2 The flight parameters of UAV airborne LiDAR

3）檢查點采集。為評定無人機機載LiDAR測量系統的點云精度，在測區選擇明顯的特征地物角點（如房角、棱臺角、巖石邊角等），采用GNSS-RTK方式記錄檢查點的三維信息。項目組分別在露地表、稻田區、灌木區采集了10個檢查點，共采集了30個特征點，作為測量精度評定的檢查點。

4）外業飛行。因測區無高大障礙物，因此采用平行飛行的方式采集地面三維信息，飛行過程中，實時關注無人機的姿態、航速、航高、天氣變化、數據采集和存儲等情況，保證外業飛行安全及點云數據的完整。

2.3 數據處理

無人機機載LiDAR測量系統獲取的原始數據包括點云數據、IMU姿態數據、機載端GNSS數據和基站GNSS數據。基于Inertial Explorer軟件對基站和機載GNSS數據進行動態后處理（PPK）解算，獲取高精度厘米級無人機定位信息。之后，利用GNSS差分數據和IMU姿態數據，通過緊組合解算方法聯合解算出無人機的高精度的POS（Position and Orientation System）位置和姿態信息，即無人機動態軌跡數據。然后，將獲得掃描儀的無人機動態航跡數據與激光原始點云數據融合，融合時需加入系統校準參數，得出點云數據的三維絕對坐標信息。最后，因植被的影響存在大量點云噪聲，需進行濾波處理，結合影像資料刪除非地面點，獲取了測區高精度的點云數據，如圖4所示。

圖4 處理后的地形點云Fig.4 The processed diagram of terrain point cloud

2.4 精度評定

為分析機載LiDAR在洲灘地形測量中的應用精度，同時驗證無人機機載LiDAR對于不同植被的穿透能力，試驗將分布在水泥路面、稻田及低矮灌木區的30個檢查點的點云值與實測值進行比較。誤差統計結果如表3所示。

依據JTS 131—2012《水運工程測量規范》規定的1頤500平坦地區地形圖最高要求平面中誤差臆0.3 m，高程中誤差臆0.16 m，結合表3誤差統計結果表明：此次基于無人機機載LiDAR的洲灘地形測量在平面和高程均能滿足1頤500地形圖的精度要求。同時稻田區高程精度明顯低于水泥路面及低矮灌木區，分析原因為稻田區植被較為茂密，激光穿透能力不足所致。此外，在稻田及低矮灌木區的平面精度較低，分析原因為植被區內選取的特征物較小，掃測點云較稀而選點不準確。

表3 不同地物類型誤差統計結果Table 3 The error statistical results of different feature types

3 結語

針對傳統測量方式在洲灘地形測量中存在效率低、精度低、安全性差等缺點，項目組以民主沙為例，采用了中海達ARS-200低空多旋翼無人機機載LiDAR測量系統對測區進行了掃測，快速獲取了民主沙沙尾地形點云，并結合野外檢查點進行了精度評定。主要結論如下：

1）不同植被覆蓋區檢查點的對比結果表明，基于無人機機載LiDAR的洲灘地形測量在平面和高程均能滿足大比例尺測圖的精度要求。

2）無人機機載激光測量系統在小范圍、人工走測困難區域的地形測量具有快速、高精度的優勢，可快速了解洲灘變遷情況，為航道整治工程效果評估提供依據。

3）機載激光雷達在測量過程中，傳感器發射的激光脈沖能部分地穿透植被，但對于非常密集的稻田區植被，激光穿透的效果較差，所以數據采集工作應選擇在冬季植被較為稀疏時進行。同時機載激光雷達的高程精度優于平面精度，可結合無人機航測系統生產1頤500甚至更大比例尺地形圖。