基于機載LiDAR平臺進行內河航道測量系統研究的可行性和必要性分析

徐文財

(黑龍江省航道事務中心，黑龍江 哈爾濱 150026)

1 項目研究的可行性

1.1 機載激光測深系統的優勢

(1)機載激光測深技術的原理

如圖1所示，機載激光測深技術的原理可表述為

圖1 機載激光測深原理示意圖

Rg=c△tk(θ)/2n

式中:Rg為水中激光的傳播斜矩；△t為回波時間差；c表示光在空氣中的傳播速度；k(θ)為入射角θ的光徑因子；n為水折射率，隨水環境的具體情況(如溫度、壓強等因素)的變化而有所不同，可沿光路積分計算。為了簡化計算，常不顧及海水深度與水質問題，直接采用n=1.341代替。通過平面及深度歸算，求得各個激光測點的空間位置信息及其相對于某一深度基準面的深度值。

(2)測深優勢

機載LiDAR測深的優點主要體現在以下幾個方面。

①水測量能力較高。最大深度可達80 m，最小探測深度可達0.15 m，可實現船只無法到達水域的水深測量。在海水測驗精度在15 cm之內，滿足國際海道測量標準IHO S-44的測深精度要求。

②測深效率與水深無關。常規的多波束測深系統測幅一般為水深的7～8倍，而機載測深的測寬是固定的，僅與飛行高度及寬度比有關，在飛行高度為600 m的情況下，掃寬能夠達到320 m。

③測量效率高，測點密度大，測量成本低。據統計，在淺水中機載LiDAR測深的成本僅為多波束的6%～10%；多波束系統每小時可以測量0.5 km2水域，而機載LiDAR測深系統可以完成8～12 km2的測量任務，且測點密度能夠達到0.12 m×0.12 m(69 pts/m2)。

④可以高效地獲得水上水下一體化地形數據。機載LiDAR測深通過近紅外激光獲得陸地及水面高程，藍綠激光探測水底，大大提高了水上水下一體化地形無縫拼接的效率。

表1 機載LiDAR測深系統與船載聲波測深系統優劣比較

機載LiDAR測深系統與聲學測深相比，以航空平臺為載體的激光測深技術具有用人少，全天候、靈活性強、成本低，效率高、適用范圍廣、采集數據類型多、人員設備安全性強等優勢，因此具有較大的開發價值。目前全國交通、水利、農業、環保等行業擁有水上勘測設計、施工、管理的單位和部門上千家，水上要素用戶更多，隨著經濟的發展，未來市場需求量會大增，市場前景看好。

1.2 可行性分析

目前，機載激光測深技術雖然在國內外已有研究并取得一定進展，但是主要是面對近海區域進行實驗，由于受海洋氣候和海水成分及海水壓強等影響，有關參數和模型一直沒有突破和完善，應用受到影響，更談不到普及。而內河，一是水域環境沒有海洋環境復雜，二是技術裝備和技術理論較以前有較大突破，尤其是無人機、GPS(或北斗衛星定位導航系統)、高頻激光技術、高清相機以及三維建模理論成熟等快速發展為本系統研發提供了理論和技術保障，三是機載激光測深系統從未在內河水深測量中進行過研究和應用，這一領域空白較大，前景看好。四是合作單位、專家和測繪工程技術人員儲備充足，測量艇、測深儀、GPS、成圖軟件等試驗檢驗設備齊全，五是有相關科研基金支持和自籌配套資金協助。

綜上，進行該項目的研究是切實可行的。

2 項目研究的必要性

2.1 研究的目的

一是為了航道河床水深測量、公路橋梁勘測設計進行實際應用。二是進行內河水深測量技術性大變革，有望打破長期依賴以艦船等水面移動載體為平臺的聲學探測技術，實現航域水深數據無接觸采集。三是提高航道測量生產效率，為數字航道建立提供技術支撐和服務保障。四是填補內河水域測量在該技術方面的國內空白。五是為相關工程問題的解決提供全新思路。

2.2 研究的主要內容及創新點

(1)研究的主要內容包括：

①利用機載激光測深系統進行水深與地形測量數據采集；②無人機航空攝影平臺搭載高清攝像機進行航空攝影測量；③無人機搭載激光雷達進行過江電纜等跨河、臨河建筑物的三維激光掃描及制圖等。

(2)主要科技創新點包括：

①實施空地水一體化集成。利用無人機搭載集成激光掃描儀、POS定位定姿系統、高分辨率數碼相機、嵌入式計算機于一體的系統設備，實施一鍵開啟，自主采集和保存數據。可同時獲取水深數據，地物地貌三維激光點云及真彩色影像，提供精確豐富的三維地理信息數據；②實現地類地物分類提取。利用專業軟件將無人機獲取的地物地貌三維激光點云數據按需求進行分類提取。可將水深、岸線，島嶼、跨河臨河建筑物，航標、浮標等航道設施分類提取并表示在圖紙上；③實現圖形自由轉換。利用軟件的相應功能可實現二維圖形和三維圖形之間，三維可視化靜態圖形和動態圖形之間的轉換。

2.3 研究擬達到的技術水平及在國民經濟發展中的作用

目前該項目在內河測深領域尚處于空白狀態，研發技術水平擬定為國內領先，國際先進。隨著項目在市場上的應用將極大的提高水上測量外業的生產效率，降低單位生產能耗，減少污染物的排放，減少水上作業安全事故的發生，對國民經濟發展起到助推作用。

2.4 必要性分析

一是新時代發展的必然要求。新形勢下科技創新發展已成為經濟增長新高地，諸如5G無線網絡上市、無人機廣泛應用、新能源研發炙熱等等高科技領域快速發展，綠色、環保、優質、高效已成為社會的主流趨勢，高污染、高能耗、高成本，低效率等落后產能逐漸被淘汰，因此我們航道事業的發展也必須與時俱進，搭載科技高速發展的列車進行科技研發與投入，以推動航道事業創新性高質量發展。二是為我國交通水運高質量發展提供新動能。無人機載激光測深系統作為綠色環保創新型新技術，在交通水運基礎設施建設和運營中能夠發揮巨大作用。三是內河河流，尤其是內河封凍河流水深測量方式急需轉變的必然要求。目前我國內河水域測量方式主要是船載超聲測量方式，耗能高，效率低，受天氣影響較大，可測水域受限，枯水期和淺水區測船難以到達。北方封凍河流開封江期間氣溫和水溫較低，水上測量人員除克服寒冷氣候帶來的影響外，還要保證水上作業安全，因此不但增加了作業人員患職業病的風險，而且由于作業船舶荷載的加重，安全風險因素增加。而應用無人機載激光測深系統無需在水面作業，有效的克服了因上述因素帶來的各種不足和安全風險。

綜上，水深測量方式急需轉變是行業發展的必然要求。

3 結 論

針對目前我國內河航道常規性水深測量方法數據采集時的效率低、強度大、成本高等問題，通過介紹了機載LiDAR測深原理、優勢、設備，最大及最淺探測深度、測點密度及測深精度等關鍵技術指標，分析了國內航道測量技術急需更新換代和行業高質量發展的需要，基于機載LiDAR平臺進行內河航道測量系統的研究是十分必要的、迫切的、可行的，并具有重要現實意義。