基于激光雷達技術在河湖確權劃界中的應用研究

蘇成林 董武鐘 何強

摘要：河湖是重要的國土空間資源，河湖確權意義重大。激光雷達技術具有高精度、高分辨率、高自動化、高效率的優(yōu)勢，其多重反射的特性，可同時獲取地面及其覆蓋物的精確三維坐標。本文作者結合工作實踐，將激光雷達技術應用于河湖確權劃界工作中，驗證其可靠性和科學性。

關鍵詞：河湖確權；激光雷達；三維坐標

1.前言

河湖是重要的國土空間資源，明確河湖管護的責任和路徑，借助劃界工作，掌握河湖水域岸線開發(fā)利用、保護基本情況和各種不同類別涉河建設項目的權屬、位置、特征參數(shù)等信息，同時厘清涉河建設項目審批、建設、監(jiān)管的責任主體，為今后河湖治理管護打下基礎。

機載激光雷達測量技術集激光測距、GPS（全球定位系統(tǒng)）和INS（慣性導航系統(tǒng)）三種技術與一體的空間測量系統(tǒng)，具有高精度、高分辨率、高自動化、高效率的優(yōu)勢，其多重反射的特性，可同時獲取地面及其覆蓋物（植被、電力線等）的精確三維坐標。獲取的高精度高分辨率DEM，可作為土地利用、工程建設規(guī)劃、公共管理線等方面應用基礎。

作者結合工作實際，在河湖劃界工作中，積極運用激光雷達技術，極大地提高了工作效率和成果質量，成為河湖劃定工作得力的工作助手，對于今后的基礎測繪工作開展具有積極借鑒意義[1—3]。

2.系統(tǒng)組成及原理

機載激光雷達測量系統(tǒng)設備主要包括三大部件：機載激光掃描儀、航空數(shù)碼相機、定向定位系統(tǒng)POS（包括全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS和慣性導航儀IMU）。其中機載激光掃描儀采集三維激光點云數(shù)據(jù)，同時記錄回波強度及波形；航空數(shù)碼相機采集影像數(shù)據(jù)；POS系統(tǒng)記錄設備在每一瞬間的空間位置與姿態(tài)。其中，GNSS確定空間位置，IMU慣導測量仰俯角、側滾角和航向角數(shù)據(jù)[4]。

3.數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理就是對原始數(shù)據(jù)進行解碼，獲取GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù)等，并將同一架次的GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、地面基站觀測數(shù)據(jù)、飛行記錄數(shù)據(jù)、基站控制點數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)等進行處理，生成滿足要求的點云數(shù)據(jù)和數(shù)碼影像數(shù)據(jù)[5]。實際作業(yè)過程中具體流程如圖2。

4.工程案例

白鶴河位于仁壽縣北斗鎮(zhèn)，河長18km，本文將結合工程實踐探討激光雷達技術在河流確權中的應用。

4.1去噪濾波點云數(shù)據(jù)

常見的噪聲包括高位粗差和低位粗差，高位粗差通常是因為機載LiDAR系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)的過程中受到低飛的飛行物（比如鳥類或者飛機）的影響，誤將這些物體反射回來的信號當作被測目標的反射信號記錄下來。低位粗差則是由于測量過程中的多路徑誤差或者激光測距儀的誤差導致產(chǎn)生的極低點。通過選擇合適的參數(shù)，可以移除噪點，提高數(shù)據(jù)質量。

4.2點云賦色

通過結合縱橫無人機攜帶的睿博DG3-psdk的五鏡頭航片，將生成后的DOM賦色給點云，使激光lidar點云成為包含RGB信息的彩色點云，方便工程項目基于彩色點云進行更深度的信息挖掘和加工。以下為賦色后的白鶴河彩色點云總數(shù)據(jù)。

4.3基于點云的等高線生成

在地面點云DEM的基礎上，進行等高線生成操作，得到如圖7所示的等高線矢量圖，基于點云生成的等高線具有更強的真實性，很好的保留現(xiàn)場地形豐富的細節(jié)，完全有別于傳統(tǒng)人工測圖的成果，大大降低了外業(yè)人工工作量以及內業(yè)的矢量編輯工作量。

4.4基于點云的DLG采集

由于點云賦色后具備了豐富的RGB信息，更加有利于內業(yè)繪圖人員通過目視解譯和交互編輯的方式進行地形圖矢量化，能更加準確的還原現(xiàn)場的地形地貌以及植被分布等信息，完全克服了傳統(tǒng)外業(yè)作業(yè)模式的弊端，以下為基于彩色點云進行DLG線畫圖成果，如下圖所示。

5.成果分析

5.1精度分析

在對分類后的地面點云進行精度分析：采用RTK測量600組特征點數(shù)據(jù)，構成樣本數(shù)據(jù)?；诮y(tǒng)計學意義，在這些樣本中隨機地抽取出20組用于統(tǒng)計比較，以檢驗點云數(shù)據(jù)處理后的地面點云的精度質量，高程精度對比結果如下表所示。

根據(jù)大比例尺數(shù)字地形圖的質量要求，對激光掃描儀所獲得的點云數(shù)據(jù)進行大比例成圖后質量評價。評價方法主要通過計算檢核點高程中誤差來衡量。高程精度還可以通過對全站儀（RTK）所測等高線和掃描儀所測等高線兩者疊加對比分析以及兩種方法生成的斷面圖進行對比分析來評價。

根據(jù)《數(shù)字測繪產(chǎn)品檢查驗收規(guī)定和質量評定規(guī)范（GB/T 18316—2001）》對表l的數(shù)據(jù)進行分析。

高程精度采用公式：

式中：Hi/m， hi/m分別為RTK實測高程和點云高程；n為檢核點個數(shù)。

算得MH=0.02mm，高程精度小于規(guī)范30mm的要求。

由以上的數(shù)據(jù)分析可得，激光雷達的精度是可以滿足河湖確權精度要求。

5.2效率分析

由上圖分析，激光雷達技術與傳統(tǒng)作業(yè)方法比較，內業(yè)與外業(yè)作業(yè)效率遠遠高于傳統(tǒng)作業(yè)方法。

通過分析激光雷達作業(yè)的精度與效率，發(fā)揮激光雷達數(shù)據(jù)的價值和優(yōu)勢，在滿足精度要求的情況下提升了作業(yè)效率。

6.結語

結合工程實踐，本文探討了激光雷達技術在河湖確權劃界中的應用，從成果精度與作業(yè)效率進行分析，激光雷達技術成果精度在滿足規(guī)范要求的前提下作業(yè)效率得到較大提升，對于今后的基礎測繪工作開展具有積極借鑒意義。隨著激光雷達技術的優(yōu)化及設備價格的下調，該技術將逐漸普及，其應用領域值得深入研究。

參考文獻：

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[3]李鑫龍，林浩，王慶國，等；無人機影像匹配點云技術在大比例尺地形測圖中的應用[J].水利水電測繪， 2019（4）： 8～10.

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[5]張祖勛，陶鵬杰，等；談大數(shù)據(jù)時代的"云控制"攝影測量[J].測繪學報， 2017， 46（10）： 1238～1248.