基于移動激光雷達技術的岸邊灘涂區域三維地形測量方法研究

白 顥 王澤瑋 莫書鵬 韋其全 吳小曼 陳朝陽

金景（海南）科技發展有限公司 海南 海口 571158

1 概述

灘涂資源是重要的后備土地資源,具有面積大,分布集中,區位條件好,農牧漁業綜合開發潛力大的特點,隨著海洋建設的發展,通過圍墾、引淡洗鹽,可較快形成農牧漁業畜產用地,向海方向發展,可進一步成為開發海洋的前沿陣地。因此準確掌握灘涂資源和海岸帶狀資源的現狀和變遷十分迫切和重要。

灘涂地形地貌測繪一直是測繪領域的難點,受潮汐影響,測量作業非常時間有限,蘆葦植被茂密、淤泥較多,傳統的測量方式是由人工徒步在灘涂上測量,但是由于灘涂泥層較厚,承載能力差,潮溝遍布,泥沙松軟等存在一定的危險性、無法高效便捷的完成測量任務。無人機激光雷達技術無需提前布設標靶、能夠很好的穿透蘆葦等植被,獲取高精度的地形地貌數據。因此,采用機載雷達灘涂測繪的方法需具備精度高,周期短等特點。

在灘涂、島礁等區域采用移動激光雷達技術進行三維空間地形數據獲取,從2010年之后,已經被越來越多的學者提出并付諸嘗試[1]。目前通常情況下,針對大面積區域主要以機載大型激光雷達數據采集分析為主[2],同時也針對性的提出了基于機載移動雷達系統的數據濾波與數字高程模型（DEM）的數據處理方法[3,4],該方法也在部分區域得到了實踐與嘗試[5]。隨著技術的發展,越來越多的無人化平臺得到了廣泛的推廣及應用,同時也拓展到了沿岸灘涂測量領域[6]。

2 移動激光雷達技術簡介

激光雷達系統（Light Detection and Ranging,簡稱 Lidar）主要由激光測距儀（Laser Scanner）、全球定位系統（Global Positioning System,簡稱GPS）以及慣性測量單元（Inertial measurement unit,簡稱IMU）三個基本的數據采集系統構成。移動激光雷達系統有多種載體方式,車載,船載,機載等,根據不同的用途及相關的作業要求選取相應的載體作業方式。LiDAR作為一種新興的測量技術,其高靈活性、高準確性、高安全性以及高效性等特點得到廣泛認可,在測繪、資源調查、環境檢測、三維城市建模、災害應急處理、重大工程建設、國土監察等領域擁有獨特的優勢。尤其是在地理信息領域方面,LiDAR技術的特點更能得到充分的發揮。

激光雷達系統各組成部分的主要功能如下:激光測距儀發射激光,記錄激光發射到物體并返回所用的時間、強度以及掃描角度等信息;GNSS系統,記錄激光雷達系統的坐標信息;IMU（慣性測量傳感器）,記錄激光雷達系統的加速信息,角度信息。各傳感器數據經過融合解算得到具有絕對地理位置信息的高精度三維點云數據。

激光雷達系統具有獲取數據精度高、速度快、范圍大、采樣密度高、直接獲取三維坐標、有一定的穿透性、多重回波及回波強度信息等特點。解決了山區、灘涂、戈壁、森林、海島礁等特殊地區建立高精度數字高程模型（DEM）的難題。隨著國內外對激光雷達技術的應用日趨成熟,廣泛應用于森林調查,資源勘探,城市規劃,農業開發,環境監測,防震減災,測繪和軍事等方面。可以說其是測繪技術發展的一個里程碑。

3 移動激光雷達設備選型與數據采集處理方法

3.1 研究中所用激光雷達系統特點

移動激光雷達系統是由多種傳感器組成的復雜集成系統,涉及衛星定位導航與授時數據、慣性姿態數據、激光掃描數據等。最終形成的三維空間點云數據是在上述多種數據同步融合后聯合解算獲得的。隨著各部分傳感器的發展,移動激光雷達也向超小型、超便攜、高度集成的方向發展,從而實現了在多種有人與無人平臺上的搭載,尤其是滿足了小型無人機與無人船的搭載條件,大大提高了移動激光雷達系統的應用領域。

金景科技研發的超輕便攜式Scan Look LiDAR系統,具有體積小,重量輕,便于攜帶等特點,可以在不同移動平臺間輕松切換,無論無人機、汽車、船、電動車還是肩背均可輕松作業,使用LiDAR系統室外快速空間信息獲取可以全方位覆蓋。不論是測量、GIS、工程建設、導航規劃、數字存檔、三維建模,Scan Look都將節省大量的人力和時間。Scan Look在獲取空間地理信息時無需精確標瞄,外業團隊可大大縮減,可以全天作業,可在城市峽谷、隧道、林蔭道等GNSS信號較差或沒有的地方獲取高精準的空間地理信息,輕松解決傳統方法無法測量的險灘泥沼、交通流量極大的道路等區域,可全方位獲取城鎮、鄉村、農田、森林、湖泊、庫區、景區、公路、鐵路、電力等行業所需三維空間地理信息,高效便捷精準,極大的拓展了行業應用領域!

3.2 激光雷達數據采集與處理方法

移動激光雷達的數據采集與處理涉及到多個類型數據的獲取和解算融合,圖1列出了LiDAR系統的數據獲取與內業數據處理的基本框架流程。在數據獲取過程中主要包含下列幾個步驟:1）基準位置基站架設;2）移動系統GNSS連續位置點與實時姿態（IMU）數據獲取;3）激光傳感器掃描數據獲取;4）時間同步數據獲取等。

圖1 移動激光雷達系統數據獲取與處理流程圖

基礎數據獲取完成后,進入數據預處理解算流程,經過GPS差分、IMU數據緊耦合、移動軌跡點生成、激光三維點云數據融合解算等,最終獲得具有絕對地理信息坐標的三維點云空間信息數據。在此預處理數據的基礎上,進一步針對岸邊灘涂區域數據獲取的要求進行濾波、植被去除以及DEM數字高程模型生成等處理。

4 工程測試區域及結果分析

4.1 測試區域概況

此次工程測量區域主要位于長江入海口灘涂區域,受潮汐影響較大,作業前需提前查閱潮汐表資料制定相應的作業計劃。部分區域蘆葦分布密集,覆蓋范圍較大,傳統測量方式與航拍影像測量均無法得到可靠的高程數據。結合激光雷達系統非接觸式及數據穿透特點,可以極大的降低灘涂區域三維高程數據獲取的難度,顯著提高數據普查效率。

4.2 測試數據成果分析

本研究中針對沿岸灘涂區域的三維地形測量,采用了無人機激光雷達為主,船載激光雷達為輔的綜合數據獲取方式。數據獲取中采用規劃航線的形式進行數據自主采集,在預處理三維點云數據的基礎上,經過點云去燥、算法自動識別分離地面點與植被、提取地表面三維點云數據、數字高程模型（DEM）自動生成,最后自動完成高程地形圖的數據構建。

4.3 成果精度驗證分析

沿岸灘涂三維空間數據獲取中,最為關鍵的指標為最終數字高程模型（DEM）中所獲取的高程精度的可靠性,這也是沿岸灘涂區域定期調查與災害防控中最為重要的核心數據指標。在本次研究中,共選取28個高程驗證點進行數據復核,圖2為復核點分布示意。表1為全部驗證點數據高差驗證結果。綜合上述復核點數據,去除2個高程數據異常點,最終獲得驗證精度關鍵指標如下:高差綜合平均數為-0.08m,統計平方根差0.081m,統計標準差為0.082m。依據沿岸灘涂高程測量標準,要求高程測量復核精度滿足三分一等高距（灘涂測量中等高距要求為1m）,即0.33m左右。本次研究中采用的移動激光雷達數據分析方法獲取的高程總體精度均在8cm左右,大大優于灘涂區域的測量要求,完全符合工程實際應用的要求。

圖2 灘涂測量區域高程復核點分布示意

表1 高程復核點編號及測量高差列表

5 結論

沿岸灘涂區域通常地形復雜,氣候條件復雜,江心洲區域難以抵達,同時區域內受潮汐陣風影響顯著。然而,沿岸灘涂區域的三維地形調查,特別是高程調查又對岸邊災害防控,環境演變分析等國家民生重要領域起到至關重要的作用。本研究中創新性得采取移動激光雷達系統,利用無人平臺進行數據獲取,有效避免了數據獲取困難的問題,同時利用激光雷達數據的植被有效穿透能力,采用激光點云自動濾波與分離算法,高校獲取灘涂區域點表面數據,進而獲取精準的沿岸灘涂區域數字高程（DEM）模型。經過區域內若干點位的高程測量復核,最終驗證移動激光雷達系統,特別是基于無人平臺的LiDAR系統是沿岸灘涂區域進行三維地形測量的高效手段,可以完全替代傳統的人工測量方式,極大提高了測量的效率和精度,同時避免了傳統測量方式中可能出現的測量人員安全風險,具有極大的社會推廣價值和經濟效益。