機(jī)載激光雷達(dá)在金沙江下游河道地形及斷面測量中的應(yīng)用

劉少聰 石光 陳細(xì)潤

摘要：為解決水沙監(jiān)測工作效率低、施測難度較大等問題，根據(jù)金沙江下游河道地形特點(diǎn)、水文泥沙觀測精度要求，選擇典型河段進(jìn)行機(jī)載三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段地形測繪，對兩種技術(shù)手段采集的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)、分析與評價。結(jié)果表明：在金沙江下游河道地形及斷面測量中，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的平面精度和高程精度均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，可應(yīng)用于金沙江下游梯級水電站地形和斷面數(shù)據(jù)采集;但對植被密集樹林地區(qū)，仍需要采用傳統(tǒng)測繪技術(shù)方法進(jìn)行補(bǔ)測。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光雷達(dá);河道地形;斷面測量;水文泥沙監(jiān)測;金沙江

中圖法分類號：P332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2020.05.002

1 研究背景

金沙江下游梯級水電站水文泥沙觀測項(xiàng)目施測戰(zhàn)線長，地形陡峭導(dǎo)致交通與食宿不便和作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，歷年監(jiān)測多采用傳統(tǒng)的光學(xué)儀器、GNSS等進(jìn)行測繪作業(yè)，存在工作效率低、實(shí)施難度較大、機(jī)動性差、儀器設(shè)備安全和技術(shù)人員人身安全無法得到保障等諸多缺陷。

機(jī)載激光雷達(dá)（IIDAR）是集激光測距技術(shù)、差分定位技術(shù)（GPS）、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測量技術(shù)（IMU）于一體的空間測量系統(tǒng)[1]，包括激光發(fā)射和接受系統(tǒng)。激光器發(fā)射光脈沖，打到被測物體上并反射，被接收器接受，接收器準(zhǔn)確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間，再轉(zhuǎn)換為對距離的測量。結(jié)合激光器的高度和激光掃描角度，根據(jù)從GPS得到的激光器位置和從慣導(dǎo)儀器中得到的激光始發(fā)方向，就能準(zhǔn)確計(jì)算出每一個地面光斑的坐標(biāo)（X、Y、Z）。LIDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。經(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，LIDAR數(shù)據(jù)可以生成高精度的數(shù)字地面模型、等高線等，應(yīng)用于大范圍的復(fù)雜地形的生產(chǎn)周期短、精度高、成本低、效率高，具有傳統(tǒng)攝影測量和地面常規(guī)測量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性[2-3]。金沙江下游梯級水電站水文泥沙觀測項(xiàng)目是通過河道斷面法和地形法來監(jiān)測水文泥沙沖淤，而金沙江下游河道陸上地形地貌較為簡單，植被較為稀少，適合采用機(jī)載三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行陸上區(qū)域的地形測繪。

2 LIDAR在河道地形及斷面測量中的應(yīng)用

根據(jù)金沙江下游山區(qū)河道的地形地貌特點(diǎn)，同時考慮覆蓋支流及匯合口、城區(qū)人工設(shè)施以及飛行困難度等，最終選取烏東德庫區(qū)中上段，金沙江與龍川江匯合口干支流河段為試驗(yàn)區(qū)。該河段極具代表性，涵蓋了金沙江下游山區(qū)河道陸上區(qū)域絕大部分地形地貌特征。干流為V形陡峭地形，支流匯合口為平坦U形河段;地物較為豐富，人工構(gòu)筑物包括房屋、道路、臺階、梯坎、電力線等，自然地貌主要為耕地、草地、樹林地、邊灘等，地形類別包括高山區(qū)、平地等。圖1為項(xiàng)目區(qū)地形地貌、植被分布圖。

2.1 測量所需儀器設(shè)備

根據(jù)金沙江下游測區(qū)河道的地形地貌特點(diǎn)、項(xiàng)目任務(wù)需求，主要投入的儀器設(shè)備見表1。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

2.2.1機(jī)載激光雷達(dá)測量[4]

在金沙江烏東德庫區(qū)（龍街段）流域，按照作業(yè)要求于2019年7月22日下午天氣晴朗的條件下，利用八旋翼無人機(jī)搭載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)平臺（搭載單鏡頭相機(jī)）飛行了2個架次，每個架次完成了4條航線的飛行任務(wù)。航攝時飛行參數(shù)見表2，航攝完成后，現(xiàn)場立即對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和質(zhì)量檢查，以確保數(shù)據(jù)可用。根據(jù)精度要求在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)利用RTK采集了正射影像所需的65個像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)。

2.2.2 傳統(tǒng)測量

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域的地形特點(diǎn)，在平地、高山區(qū)域采用不同的傳統(tǒng)測量方式進(jìn)行測量，具體情況見表3。在金沙江、龍川江完成了6個斷面數(shù)據(jù)的施測。

2.3 精度要求

項(xiàng)目對采用傳統(tǒng)測量方式（全站儀與RTK測量）與機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并計(jì)算中誤差;對該河段區(qū)域中固定地物進(jìn)行平面精度統(tǒng)計(jì)，按不同植被對平地、高山區(qū)域分別進(jìn)行高程精度統(tǒng)計(jì)。比測內(nèi)容包括地物特征點(diǎn)，地形圖高程注記點(diǎn)、斷面面積差等。

根據(jù)SL257-2017《水道觀測規(guī)范》，比較分析表4列出的各類誤差精度要求。

3 LIDAR測量成果與常規(guī)測量成果比較

3.1 特征點(diǎn)比測

3.1.1 正射影像特征點(diǎn)比測

利用正射影像圖DOM中提取特征點(diǎn)[5]，與RTK測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)較差比較，見圖2。

高精度檢測中誤差計(jì)算公式為式中，M為中誤差值;△為影像坐標(biāo)與RTK實(shí)測點(diǎn)坐標(biāo)較差;n為點(diǎn)的個數(shù);i為1，2，3，……。

采用隨機(jī)法，選取正射影像特征點(diǎn)數(shù)據(jù)與RTK實(shí)測點(diǎn)比測，共選取115個點(diǎn)，較差數(shù)值分布見圖3。較差絕對值分布見表5。精度統(tǒng)計(jì)見表6。

表5中X、Y方向誤差均小于0.1 m;表6中水平方向5最大值為0.085 m，最小值為0.015 m，均在±1.5 m范圍內(nèi)，滿足SL 257-2017《水道觀測規(guī)范》要求。

3.1.2 點(diǎn)云特征點(diǎn)數(shù)據(jù)比測

從點(diǎn)云中提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)與RTK測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)較差比較，采用隨機(jī)法共選取86個點(diǎn)，較差數(shù)值分布見圖4。較差絕對值分布見表7。精度統(tǒng)計(jì)見表8。

表7中點(diǎn)云數(shù)據(jù)X、Y方向誤差均小于0.4 m;表8中水平方向S最大值為0.42 m，最小值為0.001 m，均在+1.5 m范圍內(nèi)，滿足SL 257-2017《水道觀測規(guī)范》要求。

3.2 地形圖高程注記點(diǎn)比測

比測河段按地形類型分為平地（坡度為2°）和高山地（坡度為50°），按植被類型可分為灘地、耕地、草地和樹林地。在考慮地形類型和植被類型因素前提下，進(jìn)行高程注記點(diǎn)與高程中誤差統(tǒng)計(jì)。

3.2.1 高程注記點(diǎn)比測

（1）平地邊灘區(qū)域。將全站儀或RTK實(shí)測數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)中同一位置（或最近點(diǎn)）進(jìn)行比較，將二者較差進(jìn)行高程注記點(diǎn)的高程中誤差統(tǒng)計(jì)，詳見圖5，青色的為實(shí)測點(diǎn)，紅色的為點(diǎn)云中提取點(diǎn)。 該區(qū)域機(jī)載三維激光高程注記隨機(jī)選取142點(diǎn)，較差分布見圖6。較差絕對值分布見表9。精度統(tǒng)計(jì)見表10。

表9中點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程誤差均小于0.4 m，表10中高程誤差最大值為0.307 m，最小值為-0.303 m，均在+0.33 m范圍內(nèi)，滿足《水道觀測規(guī)范》要求。

（2）平地耕地區(qū)域。該區(qū)域機(jī)載三維激光高程注記隨機(jī)選取501點(diǎn)，較差分布見圖7。較差絕對值分布見表11。精度統(tǒng)計(jì)見表12。

表11中點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程誤差均小于0.3 m;表12中高程誤差最大值為0.265 m，最小值為-0.266 m，均在+0.33 m范圍內(nèi)，滿足《水道觀測規(guī)范》要求。

（3）高山草地區(qū)域。該區(qū)域機(jī)載三維激光高程注記隨機(jī)選取681點(diǎn)，較差分布見圖8。較差絕對值分布見表13。精度統(tǒng)計(jì)見表14。

表13中點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程誤差均小于0.4 m，表14中高程誤差最大值為0.328 m，最小值為-0.311 m，均在+0.33 m范圍內(nèi)，滿足《水道觀測規(guī)范》要求。

（4）高山樹林地區(qū)域。該區(qū)域機(jī)載三維激光高程注記隨機(jī)選取437點(diǎn)，較差分布見圖9。較差絕對值分布見表15。精度統(tǒng)計(jì)見表16。

表15中點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程誤差均小于0.4 m，表16中高程誤差最大值為0.320 m，最小值為-0.320 m，均在+0.33 m范圍內(nèi)，滿足《水道觀測規(guī)范》要求。

3.3 斷面圖面積差

利用試驗(yàn)河段機(jī)載三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面截取與全站儀、RTK實(shí)測固定斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行面積差比較。斷面布設(shè)如圖10所示，利用EPS點(diǎn)云模塊在二維窗口上直接提取計(jì)劃線上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，詳見圖11。

綜合各地形地貌共選取6個斷面進(jìn)行比測，各斷面相對面積差如表17所示。表17中斷面面積差均小于2%，滿足《水道觀測規(guī)范》要求。

3.4 體積比較

將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Arcgis軟件，計(jì)算參考面960 m時兩種測量方式下相同范圍內(nèi)的體積值，統(tǒng)計(jì)表見表18。利用相對體積差計(jì)算精度，體積差精度為0.3%。

利用Arcgis軟件將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別生成數(shù)字高程模型（DEM），制作兩種數(shù)據(jù)下DEM差值分布圖即沖淤分布圖，見圖12。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)精度分析與評定，機(jī)載三維激光掃描技術(shù)比測平面精度在0.42 m以內(nèi)，優(yōu)于《水道觀測規(guī)范》要求的1.5 m;比測高程精度均在0.32 m以內(nèi)，優(yōu)于《水道觀測規(guī)范》要求的+0.33 m;平面和高程均滿足河道地形測量有關(guān)規(guī)范要求，滿足金沙江下游梯級水電站水文泥沙監(jiān)測項(xiàng)目任務(wù)的相關(guān)技術(shù)要求。該技術(shù)可以應(yīng)用于金沙江下游梯級水電站地形和斷面數(shù)據(jù)采集中，但對植被密集樹林地區(qū)仍需要采用傳統(tǒng)測繪技術(shù)方法進(jìn)行補(bǔ)測。

（2）機(jī)載三維激光掃描技術(shù)在平地區(qū)域比測精度優(yōu)于高山區(qū)域精度，坡度越大機(jī)載激光雷達(dá)測量誤差越大。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：唐湘茜）

作者簡介：劉少聰，男，工程師，主要從事河道勘測工作。E-mail： 510595509@qq.com