無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR的點(diǎn)云細(xì)節(jié)分析與特征提取

羌新春 張英明 秦 浩

（南通市江海測(cè)繪院有限公司，江蘇 南通 226000）

江蘇作為全國(guó)的海洋大省，海岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)954 km，灘涂面積達(dá)5 000 km2，坡度平緩，面積大、分布集中、區(qū)位條件好，是重要的后備土地資源。由于原有技術(shù)的限制和重視度不夠，已有的沿海灘涂基礎(chǔ)地理信息已經(jīng)不能很好地滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，傳統(tǒng)的灘涂地形測(cè)繪基本都是通過(guò)人工跑灘結(jié)合RTK測(cè)量的方式進(jìn)行，沿海灘涂多以淤泥質(zhì)底質(zhì)為主，且其露出范圍受潮汐影響大，因此人工測(cè)量的作業(yè)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)大。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)搭載激光LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取逐漸被電力、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、測(cè)繪等多個(gè)行業(yè)所廣泛應(yīng)用。

2018年7月，本文作者承擔(dān)了江蘇省測(cè)繪地理信息局的“無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR在沿海灘涂地形測(cè)繪中的應(yīng)用”科研項(xiàng)目，嘗試?yán)肔iDAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)沿海灘涂地區(qū)的地形測(cè)繪，大幅度提高作業(yè)效率的同時(shí)獲取高精度的基礎(chǔ)地理信息成果。本研究項(xiàng)目正是基于以上背景，結(jié)合實(shí)際的項(xiàng)目生產(chǎn)，對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR在沿海灘涂地形測(cè)繪中的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了更深入的探討。

1 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的組成

一款性能優(yōu)異的無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，由高精度的激光測(cè)距儀、全球定位系統(tǒng) （GNNS） 和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU） 三種技術(shù)組成。激光測(cè)距儀是LiDAR的核心，主要利用激光的單色性好、方向性強(qiáng)、能量高、光速窄等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度的長(zhǎng)度、目標(biāo)距離等數(shù)據(jù)采集；全球定位系統(tǒng)（GNNS） 主要是利用GNNS的DGPS （載波相位差分GPS系統(tǒng)） 測(cè)量技術(shù)，通過(guò)后期的數(shù)據(jù)處理對(duì)位置進(jìn)行修正，得到厘米級(jí)的位置信息；IMU獲取的是機(jī)載LiDAR的姿態(tài)信息，即滾動(dòng)、俯仰和航偏角，然后根據(jù)這些姿態(tài)信息與GNNS結(jié)合進(jìn)行精密位移推算，并以此解算出物體的姿態(tài)。

2 項(xiàng)目的實(shí)施

長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程一期建設(shè)的內(nèi)容就是對(duì)不滿(mǎn)足12.5 m水深條件的通州沙、白茆沙進(jìn)行防護(hù)和治理，其中白茆沙為水下暗沙，沙體灘面受由北向南的漫灘流沖刷，分布有多條串溝。灘面受潮汐影響較大，高程大致在-2.00～2.00 m （1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同） 之間，為典型的潮浸地帶，淤泥較深，通過(guò)性困難，且大范圍沒(méi)有明顯突出參照地物，部分區(qū)域只有在天文高潮位時(shí)才能實(shí)施水下地形測(cè)量且低潮位時(shí)人工無(wú)法跑灘，本項(xiàng)目嘗試使用LiDAR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)作業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要包括航飛權(quán)申請(qǐng)、航攝設(shè)計(jì)、航攝數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、激光數(shù)據(jù)分類(lèi)、數(shù)字高程模型 （DEM） 制作、數(shù)字正射影像 （DOM） 制作、建筑物三維白模生產(chǎn)等環(huán)節(jié)。測(cè)區(qū)內(nèi)的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果如圖1所示。

圖1 測(cè)區(qū)內(nèi)的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果

3 LiDAR的點(diǎn)云細(xì)節(jié)分析與特征提取

按照傳統(tǒng)的人工測(cè)繪方法只能獲得宏觀數(shù)據(jù)結(jié)果，但采用LiDAR系統(tǒng)技術(shù)可以避免植被陰影對(duì)周?chē)矬w測(cè)量造成的影響，而且得到的地表三維高精度點(diǎn)坐標(biāo)十分密集，能夠繪制出植被細(xì)節(jié)處，便于從微觀角度分析項(xiàng)目結(jié)果。細(xì)節(jié)特征對(duì)比圖如圖2所示。

圖2 細(xì)節(jié)特征對(duì)比圖

從圖2 （a） 、圖2 （b） 可以看出，無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)技術(shù)很大程度上彌補(bǔ)了灘涂地形中潮間帶的測(cè)量空白，避免了由于受到各種因素作業(yè)船無(wú)法進(jìn)到潮間帶實(shí)施測(cè)量的問(wèn)題，影像圖肉眼可見(jiàn)的流槽寬度僅僅在0.2 m左右。將圖2（c） 、圖2 （d） 的低矮植被測(cè)量結(jié)果與其遙感影像圖進(jìn)行對(duì)比，可以看到，植被細(xì)節(jié)表現(xiàn)細(xì)致，通過(guò)LiDAR系統(tǒng)直接獲取三維坐標(biāo)，可以將灘涂的地物地貌完整的表示出來(lái)。細(xì)節(jié)特征局部放大圖如圖3所示。

圖3 細(xì)節(jié)特征局部放大圖

從圖3 （a） 、圖3 （b） 可以看出，無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR采集的數(shù)據(jù)把拋石外側(cè)的每一個(gè)細(xì)小石塊都能完美地表現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)一步證明了無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR技術(shù)可以用于常規(guī)的形體變形分析。

總之，利用LiDAR系統(tǒng)技術(shù)全面發(fā)揮了以往測(cè)繪在該類(lèi)項(xiàng)目中的功能，細(xì)節(jié)展示更為明顯，其微觀成果精度更高，對(duì)深層次研究具有顯著的推動(dòng)作用，為準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著沿海大開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略發(fā)展，傳統(tǒng)的灘涂地理信息數(shù)據(jù)獲取已經(jīng)不能滿(mǎn)足工程建設(shè)的需要，無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR應(yīng)用于沿海灘涂地形測(cè)繪中的應(yīng)用，能使應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)精度低和數(shù)據(jù)獲取效率低的問(wèn)題得到解決，從根本上改變了測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)獲取的方式。其含有反射物體顏色信息的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包含著地形地貌最基本的幾何特性和紋理特征，對(duì)提取灘涂地形、地質(zhì)等測(cè)繪領(lǐng)域有非常重要的使用價(jià)值。