無人機機載LiDAR在山區地形測量中的應用

摘要：

為了研究機載LiDAR技術在山區地形測量中的適用性，以烏江流域彭水水電站庫區地形為例，利用DJLTerra、Terrasoild等軟件濾波、降噪處理后的機載LiDAR點云數據與傳統測量數據進行誤差對比，分析了機載LiDAR在不同應用場景下的穿透性、平面精度、高程精度。研究結果表明：機載LiDAR點云數據的平面位置坐標中誤差為0.021，最大誤差為0.034，高程中誤差為0.008 m，最大誤差為0.021，滿足1∶500山區丘陵地形圖測量規范要求。機載LiDAR的高精度、高穿透能力適用于陡峭山體、橫豎交錯的房屋、茂密的樹木等地形復雜區域，相較于傳統測量方式更安全、可靠、快捷。

關鍵詞：

無人機機載LiDAR； 地形測量； 點云數據； 彭水水電站

中圖法分類號：P237；TN959.73

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.03.010

文章編號：1006-0081（2025）03-0059-06

收稿日期：

2024-04-12

作者簡介：

涂江林，男，主要從事水文測驗、測繪工作。E-mail：1452748234@qq.com

引用格式：

涂江林.無人機機載LiDAR在山區地形測量中的應用

［J］.水利水電快報，2025，46（3）：59-64.

0" 引" 言

機載激光雷達（LiDAR）技術是將激光測距設備、全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）等集成［1-2］，以飛行平臺為載體，通過對地面進行掃描，記錄目標的姿態、位置和反射強度等信息，獲取地表三維數據，并深入加工得到所需空間信息的技術。

目前，機載LiDAR技術已成功應用于測繪、林業、城市建模、地質、水利（水文）等領域，具有以下優勢：① 打破傳統的點測量技術，機載LiDAR技術下的面測量更利于復雜地形測量，減少勞動力、提高效率；② 機載LiDAR技術具有多次、高穿透回波，能更直接獲取地面點位信息；③ 屬于非接觸式測量，減少人工深入測區的危險性；④ 同時快速獲取圖像和點云數據，高度還原測區地形變化；⑤ 獲取的數據能快速生產彩色三維實景模型［3］。

目前已有學者對機載LiDAR技術在山區地形測量中的應用進行了研究。劉世振等［4］在山區地形測量研究中發現點云數據受坡度、植被影響，機載LiDAR具有良好的植被穿透性，在山區地形測繪具有較好的適用性。陳強等［5］在地形圖測繪中應用機載LiDAR技術，完全滿足技術標準中的精度要求，證明了機載LiDAR技術在山區地形圖測繪中的可靠性。林方建［6］將機載LiDAR技術應用于山區地形水電工程測繪中，采用點云濾波的方式去除原始數據的噪聲，再利用點云拼接的方式實現對工程模型的構建，誤差始終穩定在1 m以內，具有較高的可靠性。

本文以烏江流域彭水水電站庫區山區地形測量為例，將傳統測量技術與機載LiDAR技術進行對比分析，研究機載LiDAR技術在彭水水電站庫區復雜山區環境下的適用性，旨在解決機載LiDAR技術在復雜山區地形中測量的難點，為泊船位擬建、航道通航提供數據支撐。

1" 研究區域概況

測區位于烏江流域彭水水電站，河道地形多為山區峽谷地形，涵蓋平地、洼地、丘陵、峽谷等地形，具有較高的代表性，測區范圍為電站上下游4 km，見圖1。

測區植被較為茂密，峽谷較多，多為陡峭山體，高差在100 m以上，見圖2。峽谷無強風切變，測區地形對GNSS信號無較大影響，測量時間內為晴天，對雷達鏡頭影響較小，壩上游水位變化較小，壩下游水位變化受電站蓄放水影響，流速較大。

2" 研究方法

2.1" 激光測量原理

2.1.1" 激光測距

激光測量的原理是根據激光信號的時間差和相位差來確定距離（位置）。激光雷達是一種集激光測距儀、全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）3種技術于一體的系統，通過激光脈沖發射和接收的時間差獲取目標三維坐標點云數據，用于獲得數據并生成精確的數字高程模型（DEM），原理如圖3所示。

2.1.2" 激光測量

一個激光雷達如果能在同一個空間內，按照設定好的角度發射多條激光，就能得到多條基于障礙物的反射信號。再結合時間范圍、激光的掃描角度、GPS位置和慣性導航系統（INS信息），經過數據處理就會成為具有距離信息、空間位置信息等的三維立體信號，見圖4～5。當無人機雷達云臺一次發射多束激光，就形成了面狀點云，1 s內可發射接收多次激光束，能快速收集地面信息。再基于軟件算法進行組合，系統就可以得到線、面、體等各種相關參數，以此建立三維點云圖，形成地形圖。

當無人機雷達云臺一次發射多束激光，就形成了面狀點云，1 s內可發射接收多次激光束，能快速收集地面信息，見圖6。已知無人機發射點的坐標、高程、俯視角、水平角，由公式（1）～（3）計算目標點的坐標和高程。

X=R×cosω×sinα（1）

Y=R×cosω×cosω（2）

Z=R×sinω（3）

式中：X為發射點至目標點坐標系x方向的距離，Y為發射點至目標點坐標系y方向的距離，Z為發射點至目標點垂直方向的距離。

2.2" 技術路線

機載LiDAR技術從測量到成圖需經歷測量準備、數據采集、數據預處理和數據后處理4個階段。① 測量準備階段主要包含測量范圍、現場情況（植被、高壓線、峽谷等），提前了解情況，規劃航線航次；② 數據采集應根據現場情況（天氣、風力、高壓線、高差）布置設備，采集過程中應時刻注意測量數據的穩定性，同時測量結束后檢查數據的完整性，存在缺測立即補測；③ 數據預處理階段主要為模型重建，目標格式轉換，校核點精度檢驗；④ 數據后處理階段主要為去除噪點，人工檢查去噪，以及后期DEM、線畫圖的制作。技術路線見圖7。

2.3" 數據采集

機載LiDAR技術需要布設相控點（檢查點）。相控點布設要醒目且通視好，一般有2種：① 飛行前布設，布設靶標，地勢平坦，均勻且精度高，飛前布設應在無人機起飛前布設好相控點，如制作或購買相控布、相控片、噴油漆等，相控布、相控片可以回收利用。油漆相控點與點云上相控點見圖8。② 飛行后布設，一般選擇明顯地物點，如斑馬線轉角及其他固定易于辨認的物體，節省時間及成本。檢查點測量使用GNSS、全站儀（棱鏡）進行采集，且保證儀器采集過程中為固定解狀態。

機載LiDAR測前需要實地查勘。主要查勘起飛點、遮擋物、磁場干擾、規劃航線等，在保障安全的基礎上測得高質量數據。無人機起飛點選擇平坦、無遮擋的位置，視線應開闊。規劃航線時應避開山體、高壓線、橋梁等，保證測量安全。航攝時間盡量選擇在晴天中午，減少高差陰影，提高影像的色彩質量、清晰程度、成像條件；且空中飛行的風力小于4級（5.5 m/s），以保證航片的重疊度。

起飛前應進行差分定位、慣導預熱、慣導校準檢查，確保測量精度。為提高地面點數量，保證測量的精度，可多次交叉布置航線，航線重疊率設置大于80%，航測速度小于8 m/s。控制無人機攝影測量和雷達同時測量，應控制航飛高度在100 m內，仿地飛行和傾斜攝影。

測量過程中時刻注意無人機姿態及遙控器信息狀態，無人機高度、風力大小、衛星數量等。時刻關注無人機周圍情況，避免機身碰到障礙物（高壓線、樹枝等），提高測量安全系數。確保遙控器與無人機無遮擋，搜星數量正常，以滿足GNSS固定解狀態下測量。

測量完成后可現場使用大疆制圖（DJLTerra）進行激光點云重建，應及時檢查點云成像質量，包括檢查色彩質量、點云密度、缺測部分［7］。航攝過程中出現的絕對漏洞、相對漏洞及其他嚴重缺陷應及時補攝，漏洞補攝按原設計航線進行，并及時校核檢查點的精度，以保證后期制圖質量。

2.4" 數據處理

點云質量、制圖精度與濾波、降噪處理過程息息相關。原始的點云數據中除真實地面點外，還包含植被（樹木、草地、經濟作物）及人工建筑（樓房、棚、橋梁）信息。為提高數據、制圖精度，則需要剔除非地面點云數據，也就是點云濾波，濾波后的點云數據需再次人工檢查并剔除［7-8］。

當重建后的激光文件格式（las點云）數據校核檢查點在誤差范圍內后，通過Terrasoild軟件對las數據進行濾波。設置房屋、樹木、橋梁等長度、高度等距離的閾值范圍，通過條件篩選進行濾波。濾波主要剔除植被和人工建筑物，圖9（a）為未處理點云，圖中包含陡崖、植被、房屋、橋梁非地面點，圖9（b）為處理后的點云數據，過濾掉了植被和人工建筑物非地面點。濾波完成后還有部分是軟件不能判斷，或者沒有濾掉的噪點數據，需要人工對測區所有點云進行仔細檢查，手動刪除噪點，保證點云數據精度，提高后期制圖質量。

將經過濾波、降噪處理后的點云與傳統測量點（非檢查點）進行對比分析，可檢查無人機在平地、草地、灌木、森林的精度，以提高精度。

2.5" 精度分析

2.5.1" 精度指標

機載LiDAR的精度評價主要有穿透性分析、平面精度分析、高程精度分析等。穿透性分析可以驗證激光光束是否穿透植被打到地面點，將平面、高程精度與傳統測量方式進行對比，以驗證機載LiDAR的穿透性及平面、高程精度。本文分別利用斷面法、植被分類等開展機載LiDAR的穿透性分析，并計算各點位平面位置中誤差和高程中誤差。

2.5.1.1" 機載LiDAR植被穿透性

機載LiDAR采用多次回波技術，所以具備一定的植被穿透性，見圖10。所采集的點云數據利用Terrasoild軟件對點云進行分類，經過點云濾波、降噪處理后，對分類后點云截取剖面圖，以不同顏色區分地面點和非地面點，以驗證機載LiDAR在不同密度植被的穿透性［8］。

2.5.1.2" 機載LiDAR精度統計

測區三維模型構建工作完成后，需對三維模型成果精度進行分析、評定。以測區內檢核點坐標值為真值，以地形圖上與檢核點所對應的點位為測量值，分別計算各點位平面位置中誤差和高程中誤差，對基于機載LiDAR技術獲取的地形圖進行點位精度分析，判斷測繪成果是否滿足規范要求。

對基于機載雷達技術獲取的地形圖進行點位精度分析。中誤差計算公式如下：

mx=±" Δx×Δxn（4）

my=±" Δy×Δyn（5）

mz=±" Δz×Δzn（6）

式中：Δx為平面位置坐標x方向的坐標中誤差，Δy為平面位置坐標y方向的坐標中誤差，Δz為z方向的坐標中誤差，n為測區范圍內的檢核點數量。

地形圖成果的平面位置中誤差mS可根據x，y方向的中誤差進行計算，如式（7）所示。

ms=±" mx2+my2（7）

2.5.2" 機載LiDAR穿透性分析

從圖11（a）可以看出山區未濾波處理點云數據呈現出的模型為三維的樹木、樓房等，點云數據中包含非地面點，不能反映出山區地形的起伏轉折變化。圖11（b）是經處理的點云模型，可以看出濾波后山區樹木密集區域點云數量降低，但能真實反映出地形的變化。

從圖12（a）可以看出未濾波處理的斷面點云數據包含樹木、樓房等非地面點，不能反映真實的地面轉折變化。從圖中可以看出，樹木越高越密集的區域，地面點越少，植被覆蓋率會影響激光雷達波的穿透、回波效果，覆蓋率越高地面點越少。圖12（b）是經處理的斷面點云，可以看出樹木密集區域經過濾波后點云數量降低，尤其是植被茂密的區域，斷面點云數量減少，但能真實反映出斷面轉折變化。

2.5.3" 機載LiDAR精度分析

對不同植被區域的點云數據進行分析，以傳統測量數據坐標作為真值，分析點云數據的地物距離誤差。從圖13中發現高山樹林距離誤差比丘陵灌木、草地偏高，說明植被覆蓋率會影響距離誤差，植被越高、越密集，地物距離誤差越大。

地物高程誤差以傳統測量數據高程為真值，通過分析濾波、降噪的點云數據得到。從圖14中看出高山樹林高程誤差比丘陵灌木、草地偏高，高山樹林的高程最大誤差為0.13 m，丘陵灌木的高程最大誤差為0.07 m，草地、灘涂的高程最大誤差為0.05 m。說明植被覆蓋率會影響點云的高程精度，植被越高越密集，地物高程誤差越大。

分別計算每個坐標點的中誤差，并分析統計。表1、2分別為植被覆蓋率影響點云的平面精度和高程精度。表1中植被相較于灘涂、平地的平面中誤差偏高，而植被中高山樹林的平面中誤差為0.030 m，丘陵灌木的平面中誤差為0.023 m，低矮草地平面中誤差為0.019 m，可以看出植被覆蓋率、高度會影響點云精度，植被偏高、覆蓋率大，平面精度相對較差。

表2中高山樹林相較于灘涂、低矮草地、丘陵灌木的高程中誤差偏高，而植被中高山樹林的高程中誤差為0.011 m，丘陵灌木的高程中誤差為0.005 m，低矮草地高程中誤差為0.006 m，而灘涂比低矮草地、丘陵灌木的高程中誤差偏大，說明機載LiDAR技術對于低矮的草地、灌木的穿透性強。可以看出植被覆蓋率、高度會影響點云精度，植被偏高、覆蓋率大，高程精度相對較差。

分析統計機載LiDAR技術獲得的地形圖精度（表3）可知，所選地物點的平面位置坐標中誤差為0.021 m，最大誤差為0.034 m，高程中誤差為0.008 m，最大誤差為0.021 m，滿足1∶500山區丘陵地形圖測量規范要求。由此表明，采用機載LiDAR技術對測區進行地形圖測繪工作，得到的測繪成果精度較高，符合GB/T 14912—2017《1∶500 1∶1 000 1∶2 000外業數字測圖規程》精度要求。機載LiDAR技術為大比例尺地形測量提供一種高效率、高精度、高性價比的新型測試方法。

3" 結" 論

機載LiDAR技術作為一種先進的地形獲取手段，打破傳統的測量技術，提供了一種有效的測量方式。通過選取烏江流域彭水水電站為例，采用機載LiDAR技術與傳統測量對比其在烏江山區河道地形測繪的適用性，得出如下結論。

（1） 植被茂密、山區陡峭的測區，濾波降噪后，點云數據偏少。可以從不同的角度加密航次，以滿足點云密度要求以及彌補后期濾波處理后的空白區域。

（2） 選擇反射率強、回波多的云臺，可以有效穿透樹木、草地等植被。

（3） 機載LiDAR除獲取點云數據，同時可獲取影像數據，充分結合了影像、點云優勢，提高數據精度。

（4） 點云密度受山區地勢陡峭、植被覆蓋度等因素影響，地勢越陡峭、植被覆蓋度越高，地面點云數據量越少，但能達到CH/T 8024-2011《機載激光雷達數據獲取技術規范》中1∶500的點云密度要求。

（5） 機載LiDAR成果精度滿足規范要求，該技術在山區型河道地形測繪中具有良好的適用性。

（6） 相較于傳統的測量方式，機載LiDAR技術更加節省人力、物力、財力，減少人工深入測區的危險性。

該技術可以用于1∶500山區地形測量。

參考文獻：

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［3］" 劉一軍.激光雷達掃描技術在1∶500地籍測繪中的應用［J］.北京測繪，2019，33（9）：1102-1105.

［4］" 劉世振，鄧建華，馮國正，等.機載LiDAR在山區型河道地形測繪中的適用性研究［J］.人民長江，2021，52（1）：108-113.

［5］" 陳強，王紅林.機載LiDAR技術在地形圖測繪中的應用及精度分析［J］.測繪技術裝備，2022，24（3）：70-74.

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［7］" 陳小雁，聞麗佳.機載激光雷達點云在高植被山區數據處理中的應用研究［J］.工程建設與設計，2019（18）：242-243.

［8］" 戴永洪，劉林佳.無人機機載激光雷達在長江中游河道地形測量中的應用［J］.水利水電快報，2022，43（增2）：13-17.

（

編輯：李" 晗

）

Application of unmanned aerial vehicle airborne LiDAR in mountainous topographic surveying

TU Jianglin

（Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission，Chongqing 408000，China）

Abstract： In order to study the applicability of airborne LiDAR technology in mountainous terrain measurement.DJLTerra was used to study the terrain of the Pengshui Hydropower Station reservoir area in the Wujiang River Basin.The airborne LiDAR point cloud data filtered and denoised by Terraoil and other software were compared with traditional measurement data for error analysis.The penetration，planar accuracy，and elevation accuracy of the airborne LiDAR were analyzed.The research results indicated that the mean square error of the planar position coordinates of the airborne LiDAR point cloud data was 0.021，with a maximum error of 0.034.The mean square error of the elevation was 0.008 m，with a maximum error of 0.021，which could meet the measurement specifications for 1∶500 mountainous hilly terrain maps.The airborne LiDAR had a high precision and penetration ability，and was suitable for complex terrain areas such as steep mountains，houses crisscrossing horizontally and vertically，and dense trees.Compared to traditional measurement methods，the airborne LiDAR technology was safer，more reliable，and faster.

Key words：

unmanned aerial vehicle airborne LiDAR； topographic survey； point cloud data； Pengshui Hydropower Station