機(jī)載LIDAR在水利中的應(yīng)用綜述

陳 齊 （安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院勘測分院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

隨著測繪新技術(shù)和新產(chǎn)品的迅速發(fā)展和更新，測繪成果也越加多元化，逐漸由傳統(tǒng)的地形圖向“4D”產(chǎn)品、點(diǎn)云、三維模型等形式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)是獲取地面三維數(shù)據(jù)最常用的手段之一，但其作為國家基本比例尺地形圖測繪的重要方法，只能獲取地表裸露區(qū)域的三維信息，在地表植被覆蓋區(qū)域，無法獲取地表的高程信息。20世紀(jì)80年開始，機(jī)載LIDAR（Light Detection and Ranging）作為一種快速精確的獲取大范圍地表三維信息的測量技術(shù)，受到人們的重視和廣泛應(yīng)用。機(jī)載LIDAR可以獲取高精度數(shù)據(jù)高程模型、數(shù)字表面模型、正射影像和數(shù)字線畫圖等產(chǎn)品，同時(shí)可以構(gòu)建三維場景和三維模型，與傳統(tǒng)測繪方法相比，具有數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富、精度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)和處理成本低、受天氣影響小等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通、水利、電力等領(lǐng)域均有著廣泛應(yīng)用。

2 機(jī)載LIDAR工作原理

廣義上機(jī)載LIDAR系統(tǒng)有海洋和陸地之分，通常所說的機(jī)載LIDAR主要用于地形測繪，獲取陸地三維信息的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，海洋LIDAR主要用于測量海洋地形，文中所述的機(jī)載LIDAR即為陸地測繪系統(tǒng)。機(jī)載LIDAR是一種主動式對地觀測系統(tǒng)，集成了全球定位系統(tǒng)（GPS）、姿態(tài)測量裝置（IMU）、激光掃描儀和數(shù)碼相機(jī)等，GPS用于確定實(shí)時(shí)確定掃描投影中心的空間位置，IMU用于測定激光掃描儀主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)，激光掃描儀用于測量傳感器到地面點(diǎn)距離，數(shù)碼相機(jī)主要用于獲取地面的彩色相片，并制作測區(qū)的正射影像。機(jī)載LIDAR的對地觀測的基本原理是已知點(diǎn)加矢量的方法求取未知點(diǎn)坐標(biāo)，假定激光掃描儀的投影中心 O的三維坐標(biāo)（Xo，Yo，Zo）由GPS確定；姿態(tài)測量裝置提供觀測平臺法線的仰俯角Φ，側(cè)滾角ω，偏航角κ及觀測方向和法線的夾角θ，由此組成的矢量矩陣可算出方向余弦，矢量的模S根據(jù)激光測距儀獲取，則未知點(diǎn)Pi的坐標(biāo)（Xi，Yi，Zi）即可求得[1]。

其中ΔXi=fx（Φ,ω,κ,θ,S），ΔYi=fy（Φ,ω,κ,θ,S），ΔZi=fz（Φ,ω,κ,θ,S）。

3 機(jī)載LIDAR在水利中的應(yīng)用

隨著水利行業(yè)信息化、智慧化水平的不斷提高，以及河長制在全國范圍內(nèi)的普遍開展，水利行業(yè)對水利勘測成果的要求，也從傳統(tǒng)地形圖和斷面圖向高精度DEM、DOM、DSM、三維模型等數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)變。機(jī)載LIDAR作為測繪行業(yè)的新技術(shù)，能夠穿透植被，快速獲取大范圍高精度的地面三維信息，受天氣影響小，可應(yīng)用于水利測繪、水利規(guī)劃設(shè)計(jì)、水利工程建設(shè)與管理、水環(huán)境監(jiān)測、河道治理、山洪災(zāi)害調(diào)查、洪澇災(zāi)害、農(nóng)田水利設(shè)計(jì)以及河長制等水利工作[2-3]。

3.1 水利測繪

水利行業(yè)中的測繪工作主要包括河道、堤防、水工建筑物及水庫庫區(qū)的地形測量，并且水利測繪多遠(yuǎn)離主城區(qū)，植被覆蓋茂密，如堤防頂部及河道周圍多樹木生長，傳統(tǒng)航空攝影測量無法獲取林下高程點(diǎn)，仍需要大量外業(yè)實(shí)測工作才能準(zhǔn)確表達(dá)地形，另外水庫多位于山區(qū)，地形復(fù)雜陡峭且多密林，傳統(tǒng)測繪手段效率低且精度無法保證。機(jī)載LIDAR能穿透植被獲取真實(shí)的地表三維信息，有效地克服了茂密植被對測繪工作的影響，為河道堤防的地形測繪、水工建筑物的選址及竣工驗(yàn)收、水庫科研階段的勘測和后期庫容計(jì)算等水利測繪工作提供了有力的技術(shù)支撐。

3.2 水利規(guī)劃設(shè)計(jì)

水利規(guī)劃設(shè)計(jì)是為防治水旱災(zāi)害、合理開發(fā)利用水土資源而制定的總體安排。傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作主要根據(jù)二維圖表規(guī)劃方案和設(shè)計(jì)，測繪地形圖難以全面的表達(dá)地形地貌特征，且不夠直觀。機(jī)載LIDAR獲取準(zhǔn)確連續(xù)的測區(qū)DEM，疊加DOM可構(gòu)建測區(qū)的三維場景，直觀全面的展示了地形地貌，配合地質(zhì)、水文、交通、人口等數(shù)據(jù)，對水利規(guī)劃提供科學(xué)全面的依據(jù)。水利規(guī)劃過程中，涉及移民安置，機(jī)載LIDAR可對測區(qū)房屋進(jìn)行三維建模，估算出房屋面積，還可大致統(tǒng)計(jì)林木的株數(shù)，減少實(shí)測工作量。在水利工程的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，隨著BIM技術(shù)廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)地形圖無法滿足BIM設(shè)計(jì)需要，機(jī)載LIDAR生產(chǎn)的DEM和建筑物外部三維模型等數(shù)據(jù)，為BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.3 水利工程建設(shè)與管理

大型水利工程建設(shè)前期，機(jī)載LIDAR提供的DEM和DOM產(chǎn)品可使用戶全面掌握測區(qū)的地形、植被、水體等信息，由此可進(jìn)行前期的建設(shè)環(huán)境評估。在建設(shè)和施工階段，根據(jù)機(jī)載LIDAR搭建施工區(qū)的多期三維模型，通過前后對比快速提取施工變化區(qū)域，讓管理人員直觀掌握工程進(jìn)度，能有效提高施工和管理效率。工程完成后，還可利用三維模型，結(jié)合水利專題數(shù)據(jù)和相關(guān)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，對水利工程實(shí)現(xiàn)信息化管理。

3.4 水環(huán)境監(jiān)測和河道治理

機(jī)載LIDAR提供的DOM產(chǎn)品可以相對直觀、充分地展示出水環(huán)境的情況，對水質(zhì)富營養(yǎng)化、藍(lán)藻水華、有機(jī)污染程度及水體清澈透明程度、排污口排水污染程度等均能做到良好的監(jiān)測。此外，在河道治理工程中，機(jī)載LIDAR可穿透植被，對河道沿岸地方進(jìn)行掃描，可獲取精確的堤防三維信息，可作為堤防設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為堤防的檢修和維護(hù)提供依據(jù)。

3.5 洪澇災(zāi)害和山洪災(zāi)害調(diào)查

機(jī)載LIDAR獲取的高精度DEM可反應(yīng)河道及其周邊的地形地貌，為洪澇淹沒分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，由于機(jī)載LIDAR受天氣影響小，在洪災(zāi)發(fā)生后，可迅速準(zhǔn)確獲取潰堤的整體情況以及洪水淹沒范圍，為防汛調(diào)度指揮提供科學(xué)的決策支持。山洪災(zāi)害影響區(qū)域多位于山區(qū)密林，進(jìn)行山洪災(zāi)害調(diào)查時(shí)，傳統(tǒng)航測手段無法滿足，機(jī)載LIDAR可穿透植被獲取地表高程，進(jìn)而提取出河道地形、居民戶輪廓、穿河建筑物等山洪災(zāi)害相關(guān)要素[4]。此外，運(yùn)用機(jī)載LIDAR建立易災(zāi)區(qū)的三維模型，并進(jìn)行三維可視化展示，結(jié)合虛擬顯示技術(shù)，進(jìn)行災(zāi)害的仿真預(yù)案演練，檢驗(yàn)預(yù)案的科學(xué)性和合理性，把災(zāi)害造成損失最大化降低。

3.6 農(nóng)田水利

在農(nóng)田水利設(shè)計(jì)階段，根據(jù)機(jī)載LIDAR構(gòu)建的DEM和三維模型，可以根據(jù)地形地形地貌特點(diǎn)，合理選擇農(nóng)田灌溉方式、進(jìn)行管道統(tǒng)籌布設(shè)、優(yōu)化罐區(qū)的土地利用的結(jié)構(gòu)等，還可進(jìn)行水力計(jì)算，灌溉對水源的水位、水量都有要求，確定灌溉方式時(shí)要滿足其所需要的控制高程，DEM及其派生地形因子可為灌溉中水頭損失提供依據(jù)。在灌溉階段，機(jī)載LIDAR還可用于灌區(qū)供水監(jiān)測，確保灌溉面積與收費(fèi)面積相符，在灌區(qū)工程驗(yàn)收環(huán)節(jié)，還可對灌區(qū)工程的長度進(jìn)行準(zhǔn)確復(fù)核。

3.7 河長制

河長制由中國各級黨政主要負(fù)責(zé)人擔(dān)任河長，負(fù)責(zé)組織領(lǐng)導(dǎo)相應(yīng)河湖的管理和保護(hù)工作，主要目的是為了加強(qiáng)河湖水域岸線保護(hù)、河湖巡查和水行政執(zhí)法、河湖的動態(tài)監(jiān)測等[5]。機(jī)載LIDAR獲取的DOM和DEM數(shù)據(jù)可以有效確定河道范圍及水上漂浮物、污染物，還可以對非法采砂、水域占用、圍墾湖泊等違法行為進(jìn)行有效監(jiān)測和快速定位，方便河長快速了解水環(huán)境情況、方便水行政執(zhí)法。

4 結(jié)語

機(jī)載LIDAR作為一種主動式對地觀測系統(tǒng)，具有高精度、高時(shí)效性、受天氣影響小、自動化程度高等特點(diǎn)，同時(shí)可穿透植被獲取地表高程信息，其優(yōu)勢是其他測量手段無法比擬的。隨著水利行業(yè)的信息化、智慧化水平不斷提高，機(jī)載LIDAR提供的多元數(shù)據(jù)產(chǎn)品已在水利行業(yè)的諸多方面得到很好地應(yīng)用，受限于設(shè)備價(jià)格高昂，早期機(jī)載LIDAR的普及度較低，隨著技術(shù)的革新和商業(yè)化程度的提高，機(jī)載LIDAR必將在水利行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用。