機(jī)載LIDAR在水利工程中的應(yīng)用

范廣亮

(齊齊哈爾市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引 言

近些年來我國的經(jīng)濟(jì)在飛速發(fā)展，水利堤防及配套灌區(qū)也在大規(guī)模的建設(shè)，面對如此大的工程量，如何進(jìn)行高效的管理，怎樣保證河流堤防、灌區(qū)各溝渠的安全使用顯得尤為重要。堤防及灌區(qū)溝渠主要是跨區(qū)域分布，所處的地理環(huán)境往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的巡線檢查不僅需要大量的人力，而且所要完成巡線消耗的周期長。研究機(jī)載LIDAR在水利工程巡線的應(yīng)用，使許多工作能夠快速的完成，也可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度；應(yīng)急反應(yīng)快且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，及時(shí)提供信息，可以挽回堤防和溝渠道破壞造成的損失[1]。

1 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)

1.1 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)硬件組成

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)硬件由測量姿態(tài)裝置、GPS裝置、激光掃描測距系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)、系統(tǒng)控制器組成。

1.2 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)的原理

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)的定位原理如圖1所示。

激光掃描儀搭載的系統(tǒng)平臺(tái)可以分為固定式和移動(dòng)式兩種。求得掃描中心到目標(biāo)物體的距離是激光掃描儀定位的關(guān)鍵，其中測量精度決了掃描精度。目前現(xiàn)有的激光測距儀器其原理有三角測量式、脈沖式、相位式和脈沖—相位式4種[2]。

圖1 機(jī)載LIDAR的定位原理

1.3 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)的掃描方式

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)的掃描方式分為脈沖式、振蕩式、旋轉(zhuǎn)棱鏡式、章動(dòng)式掃描、光纖式掃描，目前大部分機(jī)載激光掃描儀都是采用的脈沖式。

1.4 機(jī)載LIDAR內(nèi)外業(yè)處理流程

1.4.1 作業(yè)流程

機(jī)載LIDAR的作業(yè)流程主要是計(jì)劃的制定、外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

1.4.2 機(jī)載LIDAR外業(yè)數(shù)據(jù)的獲取

在正式外業(yè)數(shù)據(jù)獲取之前必須制定以下完整的周密計(jì)劃方案：

1)建立GPS基準(zhǔn)站——測區(qū)內(nèi)建立兩個(gè)以上架設(shè)有高精度GPS接收機(jī)的基準(zhǔn)站，并與機(jī)載的POS設(shè)備同時(shí)記錄。

2)飛行區(qū)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備——整理攝影區(qū)域地圖資料。

3)航線設(shè)計(jì)——降低飛行成本，保證飛行質(zhì)量。

1.4.3 機(jī)載LIDAR內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理

通過測量得到的數(shù)據(jù)主要是地面基站GPS數(shù)據(jù)、加載GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程是：①數(shù)據(jù)分離③GPS后處理差分③GPS和IMU的集成④點(diǎn)云數(shù)據(jù)的生成⑤數(shù)據(jù)的查看與顯示[3]。

1.5 機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)

機(jī)載LIDAR獲得的數(shù)據(jù)類型主要是點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。

1.5.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

激光掃描器對地面掃描得到不同格式的點(diǎn)與數(shù)據(jù)，所以對處理數(shù)據(jù)的軟件平臺(tái)也不同。目前，主要的LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式有LDEFS(Lidar Data Exchange Format Standard)格式、柵格格式和自定義格式。具體為*.las、*.xyz、*.E57、*.lasd、*.asc等。

1.5.2 影像數(shù)據(jù)

LIDAR能夠得到遙感技術(shù)所測不到的三維坐標(biāo)，其中包含了高程數(shù)據(jù)，目前LIDAR系統(tǒng)上都安裝有數(shù)碼相機(jī)來輔助LIDAR獲取光譜和紋理信息，輔助進(jìn)行地物分類。通過獲取的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、數(shù)碼相機(jī)與POS之間的相對位置、相機(jī)的內(nèi)方位元素和相機(jī)畸變差、LIDAR獲取的DSM來獲得真數(shù)字正攝影像。

2 機(jī)載LIDAR在水利巡線中的應(yīng)用

2.1 機(jī)載LIDAR得到物體的數(shù)據(jù)處理

2.1.1 濾波處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)

利用濾波的原理，可以準(zhǔn)確區(qū)分堤防或者灌區(qū)內(nèi)溝渠上較高的植被、電塔等地物，地物高程變化并不是地形的變化引起的，而是相鄰的激光腳點(diǎn)的高程突然變化。大多數(shù)的機(jī)載LIDAR都是根據(jù)激光腳點(diǎn)的突然變化進(jìn)行濾波處理，一般有TIN濾波、曲面擬合濾波、高程紋理分析法和坡度濾波幾種。用機(jī)載LIDAR得到水利巡線的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，根據(jù)TIN濾波的算法，我們把灌區(qū)或者堤防劃分成不同的地塊，把高程較低的點(diǎn)作為初始點(diǎn)，之后把高程較低的點(diǎn)比作地面上的點(diǎn)，最后建立三角網(wǎng)模型。假如α、β、γ、d的值比設(shè)定的閾值小，那么就可以認(rèn)為這一點(diǎn)為地面點(diǎn)，然后重新建立三角網(wǎng)[4]。之后每一個(gè)點(diǎn)都是按照這樣的方法進(jìn)行判斷，直到得到接近地面的三角網(wǎng)模型。TIN濾波如圖2所示。

圖2 TIN濾波

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類

要提取這些地物不僅要進(jìn)行濾波處理，因?yàn)闉V波處理僅僅是分離的地面腳點(diǎn)(DTM)和地物腳點(diǎn)，所以還要進(jìn)一步對地物腳點(diǎn)進(jìn)行分類。利用高程紋理和形態(tài)學(xué)方法對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。LIDAR數(shù)據(jù)分類的原則：

1)原始高程數(shù)據(jù)——主要考慮分割一邊是高的物體。

2)高程差——像素周圍高程值的最大值與最小值之間的差值。

3)高程變化——描繪一定范圍的高程變化規(guī)律，它與高程差形成的高程紋理相似。

4)坡度——主要區(qū)分建筑物(橋、涵、閘)、道路和樹木。

圖3是經(jīng)過濾波處理后得到的建筑物。

2.1.3 建筑物的提取

建筑物的點(diǎn)分布不同，線是像素寬，建筑物是點(diǎn)的聚集。腐蝕運(yùn)算可以消除物體邊界，所以可以利用腐蝕運(yùn)算消除線，之后運(yùn)用膨脹運(yùn)算計(jì)算出來連通區(qū)域，最后利用K值得到點(diǎn)群，建筑物可以利用面積進(jìn)行區(qū)分。圖4是提取到的堤防附近的電塔。

圖3 濾波處理后的物體平面圖(左)和立體圖(右)

圖4 提取到的堤防附近的電塔

2.1.4 利用最小二乘法進(jìn)行點(diǎn)的擬合

濾波和數(shù)學(xué)形態(tài)的數(shù)據(jù)處理得到的只是二維空間的線，線的提取還可以通過利用最小二乘法擬合得到三維的影像。

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)滿足線性回歸模型：

Z=aX+bY+c

(1)

式中：X、Y為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；a、b、c為未知參數(shù)；Z為高程。根據(jù)得到的n對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得：

(2)

得到a、b、c的一次方程組：

(3)

由式(2.3)可以計(jì)算出a、b、c的最小二乘值，最后建立回歸模型。

根據(jù)上述原理，建立線的回歸模型，給不同的高度進(jìn)行著色，得到線的結(jié)果，見圖5。根據(jù)不同的高度位置關(guān)系把高程相近的分為一組，然后編號(hào)，得到綠、藍(lán)、紅、黃線進(jìn)行區(qū)分。

圖5 提取到線

2.2 水利巡線工程實(shí)例

某大型灌區(qū)，區(qū)域植被茂盛，樹木覆蓋率達(dá)56%。部分區(qū)域遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和交通干線，地理環(huán)境復(fù)雜，無法通車。通過無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)Li-Air和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為測繪及巡線人員提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)堤防、溝渠道、分水閘隱患。利用機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取的高精度點(diǎn)云可以檢測河流當(dāng)前水位。

通過巡線采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理成標(biāo)準(zhǔn)的DEM，結(jié)合分類后的點(diǎn)云可以實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化，恢復(fù)規(guī)劃堤防、購渠道布線位置的地表形態(tài)、地表附著物(建筑、樹木等)三維位置和模型等，并將線路的屬性參數(shù)錄入，成為實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理的重要依據(jù)。

在項(xiàng)目實(shí)施之前，首先基于GoogleMap對無人機(jī)飛行航線進(jìn)行設(shè)計(jì)，航線設(shè)計(jì)成平行的航線如圖6所示。

將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分類點(diǎn)云數(shù)據(jù)后的影像如圖7所示。

圖6 巡線航線

圖7 分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

利用軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化這樣就可以把植被、建筑、堤防、溝渠道等關(guān)注地物標(biāo)識(shí)出來，最后經(jīng)過影像分析，進(jìn)而找到破壞區(qū)域。

3 結(jié) 語

機(jī)載LIDAR系統(tǒng)運(yùn)用于水利巡線中的優(yōu)點(diǎn)有：點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)的精度高、掃描速度快并且還包含有反射率信息以及RGB信息等。機(jī)載LIDAR的應(yīng)用，應(yīng)急迅速，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)破壞點(diǎn)，及時(shí)提供信息，避免了農(nóng)作物及人員財(cái)產(chǎn)遭到破壞的損失。