無人機(jī)機(jī)載LiDAR在沿海灘涂大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用

郭春海，張英明，丁忠明

(南通市江海測(cè)繪院有限公司，江蘇 南通 226000)

江蘇作為全國的海洋大省，海岸線長達(dá)954 km，灘涂面積達(dá)5000 km2，沿海灘涂多以淤泥質(zhì)底質(zhì)為主，坡度平緩，分布集中，物種豐富[1-3]。近年來，沿海大開發(fā)如火如荼地進(jìn)行，在工程建設(shè)的各個(gè)階段，都離不開大比例尺地形圖的數(shù)據(jù)支持。特別是對(duì)于通過措施改變周邊地貌環(huán)境的工程，工程結(jié)束后需通過定期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，評(píng)價(jià)工程實(shí)施后的效果。

白茆沙整治建筑物是南京市以下長江12.5 m深水航道建設(shè)工程的一個(gè)分部工程。該工程位于蘇通大橋下游約12 km，距長江口35 km，地質(zhì)組成主要以淤泥質(zhì)的淺灘為主，具有典型的沿海灘涂特征。整個(gè)工程區(qū)域由白茆沙頭部潛堤、白茆沙南堤、白茆沙北堤、南側(cè)丁壩和北側(cè)護(hù)堤丁壩組成，受建筑物對(duì)水流的影響，漲落潮時(shí)水情較為復(fù)雜，進(jìn)行常規(guī)的水下地形測(cè)量具有較大的危險(xiǎn)性。

本文在高潮位時(shí)進(jìn)行常規(guī)的水下地形測(cè)繪的基礎(chǔ)上采用無人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)和輕便型LiDAR對(duì)范圍內(nèi)的灘涂進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并繪制了大比例尺地形圖。項(xiàng)目生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)為：①按照灘涂的特點(diǎn)進(jìn)行航線的參數(shù)計(jì)算和航線布設(shè)[4-5]；②以六旋翼無人機(jī)作為運(yùn)載測(cè)量平臺(tái)，將LiDAR、數(shù)碼相機(jī)及控制單元進(jìn)行有效集成，進(jìn)而進(jìn)行影像和高程數(shù)據(jù)的采集；③針對(duì)灘涂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在開源軟件CloudCompare(CC軟件)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)灘面數(shù)據(jù)的正確提取。

1 外業(yè)實(shí)施

本文項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集采用大疆M600 Pro六旋翼無人機(jī)飛行器作為測(cè)量運(yùn)載平臺(tái)，搭載北科天繪AP-3500 LiDAR系統(tǒng)(該系統(tǒng)將機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)和索尼微單相機(jī)高度集成，在采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)獲取影像數(shù)據(jù))進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)采用海星達(dá)H32 RTK進(jìn)行人工驗(yàn)潮及部分特殊地區(qū)的高程采集，用來對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照合同和規(guī)范的要求，地面分辨率0.1 m，由于沿海潮間帶的底質(zhì)對(duì)激光的反射率較弱等原因，考慮到無人機(jī)的續(xù)航能力和潮位因素，航向重疊度為50%，旁向重疊度為80%[6-10]，采用編制的航攝參數(shù)計(jì)算軟件計(jì)算得出外業(yè)飛行參數(shù)。綜合其他因素本次作業(yè)設(shè)計(jì)飛行高度為120 m，共構(gòu)架航線56條，進(jìn)行了8個(gè)架次的飛行作業(yè)任務(wù)，航飛總長度20 km，像片總數(shù)約為270張。采集了人工無法到達(dá)的淤泥深陷地帶數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)采集的空白，實(shí)現(xiàn)灘涂地形全覆蓋測(cè)繪，實(shí)際作業(yè)天數(shù)僅為1 d，相較于常規(guī)測(cè)量方法，大大縮短作業(yè)周期，最大限度上保留了地形圖的現(xiàn)時(shí)性、時(shí)效性及專用性。外業(yè)測(cè)量情況如圖1、圖2所示。

2 數(shù)據(jù)整理

內(nèi)業(yè)主要對(duì)航攝獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行POS解算等預(yù)處理、激光點(diǎn)云分類等后處理工作。

在Inertial Explorer中將基準(zhǔn)站靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)，以及飛行設(shè)備的GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行組合導(dǎo)航解算，得到航跡文件。解算完成后，查看處理精度報(bào)告，包括姿態(tài)、位置精度、IMU處理狀態(tài)、姿態(tài)、位置分離等，確認(rèn)無誤后輸出航跡文件[11-12]。

LiDAR數(shù)據(jù)的處理主要分為3步：原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云去噪分類和高程數(shù)據(jù)文件生成。3個(gè)步驟分別在PointProcess、CloudCompare軟件中完成。LiDAR原始數(shù)據(jù)記錄脈沖發(fā)射角度、脈沖發(fā)射與返回的時(shí)間、脈沖返回強(qiáng)度、回波的次數(shù)等信息，在PointProcess加載激光原始數(shù)據(jù)RXP文件及航跡文件，設(shè)置系統(tǒng)檢校參數(shù)、坐標(biāo)變換矩陣，根據(jù)激光點(diǎn)反射率及距離進(jìn)行粗濾波過濾噪點(diǎn)，并將其轉(zhuǎn)換為LAS點(diǎn)云通用格式。本文在此項(xiàng)目中為了確保點(diǎn)云精度，將掃描角度120°以外的角度進(jìn)行濾波[14]。采用Terra Solid進(jìn)行點(diǎn)云質(zhì)量檢查，主要檢查以下幾點(diǎn)：

(1) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。

(2) 航帶之間是否有重疊(不小于50%)，是否有漏洞。

(3) 航帶拼接誤差是否滿足后期處理需求(一般控制在0.5 m以內(nèi)，大于0.5 m時(shí)，返回預(yù)處理重新解算)。

最終的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果如圖3所示，影像數(shù)據(jù)采用Smart3D軟件進(jìn)行處理并最終制作正射影像圖，本文不作詳述，成果如圖4所示。

沿海灘涂植被稀少且低矮，采用目前的主流點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件提取灘面高程并不理想。為了快速有效地對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，獲取真實(shí)的灘面高程數(shù)據(jù)，本文項(xiàng)目在開源點(diǎn)云處理軟件CloudCompare框架上進(jìn)行了插件開發(fā)。程序處理的主要思想是對(duì)去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊，基于灘涂地形特點(diǎn)(局部范圍內(nèi)高程變化不大)對(duì)每一塊數(shù)據(jù)設(shè)置閾值，提取閾值范圍內(nèi)的點(diǎn)作為高程點(diǎn)，數(shù)據(jù)前后比較如圖5所示。本文項(xiàng)目參與檢查的野外實(shí)測(cè)的高程檢查點(diǎn)共39個(gè)，經(jīng)檢查，測(cè)區(qū)的高程中誤差為0.057 m，精度指標(biāo)均滿足國家1∶1000比例尺航空攝影測(cè)量相關(guān)規(guī)范要求。

3 地形圖編繪

在AutoCAD 2010平臺(tái)上使用CASS10.1地形地籍成圖軟件，調(diào)用繪圖數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)文件中的每個(gè)點(diǎn)展在圖上。經(jīng)處理后的點(diǎn)云文件數(shù)據(jù)密集、高度冗余，將數(shù)據(jù)輸入南方CASS后按照相應(yīng)比例尺的要求進(jìn)行了抽稀處理。手動(dòng)勾繪等深線，等高距為1 m。利用成圖系統(tǒng)將水下地形圖和陸地地形圖進(jìn)行拼接，生成完整的符合要求的水陸地形圖。圖內(nèi)各要素及地物符號(hào)嚴(yán)格按圖式規(guī)定進(jìn)行繪制編輯。繪制和編輯工作完成后，清除所有定義后未經(jīng)引用的線型、塊、層等，以使圖形文件內(nèi)存占用空間最小。提交的成果如圖6—圖8所示。

4 結(jié) 語

目前，采用無人機(jī)搭載輕便型LiDAR系統(tǒng)在國內(nèi)的公路設(shè)計(jì)、輸變電線路設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均有諸多應(yīng)用，使用載人航空LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行沿海灘涂、海島礁的1∶10 000比例尺測(cè)圖略有嘗試，利用無人機(jī)搭載輕便型LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行大面積灘涂大比例尺測(cè)圖還鮮有報(bào)道。本文項(xiàng)目嘗試?yán)么思夹g(shù)在沿海灘涂進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)量，結(jié)果表明，無人機(jī)低空激光測(cè)量精度明顯優(yōu)于船載測(cè)量，測(cè)量互差超限的比例大大降低，特別是在測(cè)繪人員無法進(jìn)入、適航水深條件不足的潮間帶區(qū)域，本文方法更有效快捷。但是由于不同底質(zhì)對(duì)激光的反射率不相同，在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧反射率低的區(qū)域(一般是退潮后含水量較高的沙體)，必要時(shí)加大旁向重疊度。再有對(duì)于大范圍測(cè)區(qū)內(nèi)局部的低洼地(如流槽等地貌)在低潮時(shí)仍有適量的水體存在，因此有必要對(duì)低洼地采用常規(guī)的測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。以上這些信息需相互補(bǔ)充，充分挖掘各自的優(yōu)勢(shì)，才能取得理想的效果。