無人機載LiDAR在水利工程測量中的應用探究

耿志盼 （安徽省水利水電勘測設計院勘測分院，安徽 蚌埠 233000）

0 前言

近年來，隨著國民經濟的發展、科技的進步，水利行業也在發生革命性的變化。傳統的全站儀以及RTK測量雖然地面數據精度高，但是存在外業工作量大、測量工期長、特殊地形的局限性以及不利于勘測設計一體化等問題。目前遙感、航測、地理信息系統（GIS）等技術已經廣泛應用于工程建設、防災減災、水資源管理、基礎測繪等方面。在水利工程測量方面，除了傳統的航空攝影測量技術，無人機航測有其獨特的優勢，它更加靈活、成本更低、現勢性強、可快速獲取高分辨率影像，在測繪行業的應用日益成熟。然而無人機航測受天氣影響大，且在密林覆蓋的山區丘陵地帶也有其局限性，由于無法穿透樹木，所以無法高精度地獲取地面高程數據。機載激光雷達航測(LiDAR)是集成激光掃描、攝影測量、全球定位系統(GPS)、慣性導航系統(IMU)等測繪高新技術的數據采集技術，能夠直接得到高精度的三維坐標信息。LiDAR所裝載的激光掃描儀可以發射很強的激光脈沖，在覆蓋不是特別密集的區域，可以穿透樹木獲取數據，在一些密林山區有獨特的優勢。隨著近些年來無人機技術的快速發展和大規模應用，將LiDAR與無人機進行結合從而實現高效率的數據采集，在將來必將成為新的趨勢之一。

1 LiDAR技術介紹

LIDAR（Light Detection and Ranging）即激光雷達掃描技術，是二十一世紀以來攝影測量及遙感領域最具創新性的技術之一。LiDAR系統由高精度激光測距儀、高精度慣性測量裝置（IMU)、動態差分技術的GPS裝置（DGPS）和高分辨率成像裝置（主要是數碼相機）組成。激光測距儀通過發射和接收脈沖信號得到高密度和高精度的點云數據，與此同時，動態GPS系統確定傳感器的空間位置 (經緯度)，IMU測量飛機的實時姿態數據，即滾動、仰俯和航偏角。數碼相機得到清晰的地面影像，然后將點云數據和影像進行集合處理得到DEM和DOM等產品。

圖1 LiDAR技術示意圖

1.1 LiDAR技術特點和優勢

①穿透能力強。LiDAR所裝載的激光掃描儀能發射穿透能力很強的脈沖信號，在一定程度上穿透植被覆蓋，且有多次回波，得到植被信息和真實的地面三維信息，在植被密集的丘陵山地優勢明顯。

②快速獲取數據。LiDAR主動發射測量信號，不受太陽高度角以及天氣影響，具備全天候數據采集能力，對于應急測繪和特殊地形非常有利。

③便捷高效。與傳統航測相比，地面控制工作少，只需要少量地面控制基準站即可，且前期數據獲取和后期成果制作自動化程度很高，點云數據去噪得到DSM數據，在經過濾波得到DEM數據，大大提高工作效率和速度。

④測量精度高。點云數據精度可達0.1m-0.5m，尤其是高程數據準確性高，能基本滿足1:1000比例尺地形圖的要求。

⑤產品多樣化。LiDAR能同時獲取點云數據和數碼影像，經處理可提供豐富的產品，包括高精度數字地面模型（DEM），數字正射影像（DOM），數字線劃圖（DLG），以及數字地表模型（DSM）等，這些產品除了用于水利工程建設外，對數字水利和三維城市等信息化建設也具有強大優勢。

1.2 誤差分析

機載LiDAR系統特別是無人機載LiDAR組成復雜，所以誤差來源也是多方面的。包括：①激光雷達測距誤差；②IMU姿態角和姿態角誤差；③GNSS定位誤差（最主要的誤差源之一）；④系統集成綜合誤差；⑤環境誤差（如航線、飛行條件、植被覆蓋、天氣等）；⑥其他誤差（如數碼相機也會存在誤差）等。所以，同無人機航測一樣，前期準備和設計工作也是影響精度的重要環節。

1.3 LiDAR技術與航空攝影測量的比較

作為傳統攝影測量技術的代表，航空攝影測量的技術與應用已經十分成熟，作為新興技術，LiDAR技術在目前還無法挑戰航測的地位，但由于其突出的優點，目前已經成為航空遙感的重要技術之一，具備在未來取代航測的潛力。

①基本原理不同。LiDAR技術是主動式掃描測量，逐點采集，直接獲取地面三維坐標，而航測是被動式，間接獲取。

②作業方式。LiDAR技術飛行計劃相對復雜，理論上可全天候作業，相比航測飛行高度范圍窄，一般有效范圍在100～4000m。

③數據處理。航測技術相對成熟，在DEM、DOM、DLG生產技術上已經成熟，效率可控。而LiDAR技術在數據處理方面技術尚不成熟，但是自動化程度高，效率高。

④精度。航測成果平面精度高，可滿足大比例尺成圖要求，但是高程精度低，需要大量地面控制。Li-DAR技術高程精度大于平面精度，但存在二次誤差，且處理技術不夠成熟，不如航測容易控制質量。

2 機載LiDAR在水利工程測量中的應用

隨著國家對水利事業的重視和大力投入，各領域水利建設也迎來了發展的春天。同時隨著水利信息化建設的推進，對獲取準確、可靠空間三維數據的要求也越來越高。目前，水利工程的測量重要是用航空攝影測量、無人機航拍攝影測量等技術輔助傳統的野外RTK和全站儀人工測量。但是，在南方山區等密林覆蓋地區仍存在很多困難，如航測面臨外業控制困難、加密選點困難、影像匹配困難、立體測圖困難等問題，精度往往很難達到要求，而人工野外測量工作強度大、工期長、費用高，并且在很多特殊地形如懸崖深澗等作業困難。所以，新興的無人機載LiDAR技術將很好的解決這一問題，并且在將來可能替代傳統航測成為水利工程測量的主要技術手段。

2.1 數據采集與處理

機載LiDAR系統從數據采集到處理得到產品大概分為4個流程:航攝設計、數據采集、數據預處理、數據處理，流程如下圖。

①技術設計

首先進行準備工作，設計航線。在保證精度的前提下，綜合考慮儀器設備的性能、測區的地形條件和形狀，對飛行航高、航向重疊度和旁向重疊度等一系列條件進行設計。其次是地面基站的選址和布設設計。還有對數據預處理要求的設計，例如原始數據的整理、對航帶拼接要求。最后是數據檢查的設計，如檢查范圍、項目、補飛和重飛的要求。

②數據采集

設計完成后，依據設計計劃開始進行航飛工作。首先進行地面基站布設，進行控制點測量。在無人機起飛后，要注意實時監測無人機的工作情況，根據續航能力和外部因素及時調整。

③數據預處理

將得到的GNSS數據和IMU數據進行預處理。根據GNSS流動站和參考站數據進行差分解算，并將GNSS精確位置數據和IMU姿態數據合成。將得到的點云數據根據激光掃面數據、精確位置數據和姿態數據進行解算得到目標物的空間三維坐標。再對每條航帶的點云數據進行平面和高程檢查和校正，最后進行航帶拼接。

④數據處理

將得到的點云數據進行分類處理，分類后的地面數據可以生成數字高程模型（DEM），以此為基礎，結合獲取的影像數據制作DOM、DLG等成果。

圖2 作業流程圖

2.2 應用

①快速獲取數字高程模型

機載LiDAR技術能獲取高密度、高精度的三維點云數據，通過點云分類、濾波，構建不規則三角網TIN，就可以快速提取DEM，其產品精度可以滿足多方面需求。

②斷面提取

橫縱斷面測量在水利工程測量中占有很大比重，利用處理后的點云數據和DEM成果，可以直接利用軟件提取橫縱斷面。

③地形圖制作

機載LiDAR技術能同時獲取三維點云數據和影像數據，以DEM為基礎生成等高線，利用點云數據提取高程注記，利用影像糾正和空中三角測量，快速采集地物要素數據，最后生成符合要求的DLG成果。在無外業像控點的情況下，可以快速制作精度達到1：2000地形圖，大大節省了時間和成本。

④水下測量

LiDAR搭載多波束系統可以使用兩種不同波長的激光束對水下進行測量。紅光測量水面，綠光可以穿透水面測量水底，完全可以勝任大面積的水下地形測量工作，在水庫測量作業方面優勢明顯。

⑤特殊地形測量

在一些人工作業困難的特殊地形（如采石場、懸崖峭壁），機載LiDAR可以忽略地形限制完成測圖任務。目前而言，在覆蓋茂密的密林山區，LiDAR技術是唯一可行的能獲取地面高程數據的技術。

⑥水利信息化建設

LiDAR系統可以提供高分辨率、高精度的數字地面模型和數字正射影像，可以為水利信息化建設提供寶貴的空間三維信息。它還可以為大型水利設施建設中土方量的計算、壩址選取、水庫淹沒區估算等提供有效的數據依據，并在水域監測、水體污染監控等方面發揮巨大作用。

3 總結和展望

機載LiDAR系統能夠同時獲取高精度、高密度的點云數據和高分辨率的影像數據，這些數據經過一些簡單處理就能得到高精度的地面點云成果、DEM成果以及DLG成果。它不需要布設像控點，也無需構建立體像對，拍攝的高清數碼影像判讀容易，色彩更接近地物真實情況，地類分界明顯，制圖速度快、靈活性高、現勢性強，在水利工程測量方面具有先天性的技術優勢。但是目前也存在許多不足，如：數據處理量大、數據后處理技術相對落后、受目前無人機體積和重量的限制，無人機載LiDAR系統的精度有限，同時帶寬較短，采集效率較低。隨著眾多科研單位和廠商的重點關注，相信在不久的將來，針對機載LiDAR系統的計算機軟硬件研發將迎來跨越式進步，無人機技術和激光技術的持續快速發展也將為對其產生巨大的推動作用。