LiDAR測繪新技術助力礦山生態環境修復

張 奇，袁小勇，甄 龍，易 祎，歐陽亞

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢430071)

1 引言

近年來，全國各地逐步開展了多項礦山生態環境修復工程。如何快速準確獲取礦山地形信息，為礦山修復工作開展提供基礎數據支撐，已經成為當前需要迫切解決的關鍵問題之一。常規的人工測量手段，工作量大、作業時間長，并且存在一定安全隱患,傳統的搭載可見光相機的無人機航攝技術，無法克服高密度植被影響，提供的數字高程模型精度較低。機載激光雷達測量(LightDetection And Ranging，LiDAR)是一種新興的主動遙感測量技術[1，2]，可以直接高效地獲取高精度的地面高程信息，且不受天氣影響，被廣泛應用于測繪、林業應用等領域[3～5],其對植被具有很強的穿透能力，可以迅速、精準地探測到各類區域的地理數據信息[6～8]，能夠快速、直接、大范圍地獲取高精度的地表模型，在礦區生態修復工程中具有廣闊的應用前景[9]。

2 LiDAR理論基礎

激光雷達LiDAR是一種集激光、全球定位系統(GNSS)和慣性導航系統(INS)三種技術于一身的系統，用于獲得點云數據并生成精確的數字化三維模型。它是一種主動航空遙感裝置，是實現地面三維坐標和影像數據同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實現地物三維實時、變化、真實形態特性再現的一種國際領先的測繪高新技術[10，11]。

由回波測距測量距離、POS系統測量飛機姿態和激光束掃描角度，即可以獲得激光束在地面撞擊點的三維坐標，同時結合掃描裝置，即可獲得反射物體的表面信息，現場采用的旋轉正多面體掃描鏡，相對于其它掃描儀來說具有掃描點均勻分布的優點，同時采用多次回波探測技術，可穿透喬木、灌木、草叢等植被直達地表，獲取地面高程，特別適用于夏季高密度厚植被區域作業[12]。

3 LiDAR內外業一體數據處理流程

3.1 激光雷達及無人機設備

現場采用的高精度多平臺激光雷達系統，可以直升機、無人機、車載、背包等作為運載測量平臺。該系統搭載了長測距、高精度激光掃描儀，Riegl激光頭，最大測程920 m，激光發射頻率55萬點/s，測量精度10 mm，具備多次回波探測技術；同時有效集成了高精度IMU、同步控制單元和高清相機，實現空中與陸地數據的無縫對接，能實時、快速地獲取地形表面的三維空間信息和影像，具有集成度高、質量輕、數據精度高、多平臺、快速拆裝、方便攜帶等特點，能夠大大提高外業作業效率[13]。

無人機設備采用大黃蜂四旋翼無人機，該無人機系統具有科學美觀的結構設計，高度集成化的生產工藝以及全自動化的飛控系統，能保證高效且安全可靠的完成各種航飛任務。

3.2 飛行平臺初始化與激光雷達檢校

由于多平臺激光雷達測量系統采用的是GNSS定位，在飛行數據采集前和數據采集后都需在設定的起飛點進行GNSS搜星和初始化定位。正常情況下為保證高精度數據采集要求，衛星數至少保證在14顆以上。

LiDAR經過長途運輸或較長時間的連續作業后，需要對其進行檢核校正。一般需要在城鎮區域道路房屋密集位置，進行校核測量工作，測量改正數通過軟件修正，同時利用變化航線對同一區域進行多次重復測量，校驗測量相對精度。

飛行平臺初始化與激光雷達檢校完成之后，需要架設好地面基準站，采用靜態作業模式，采樣間隔設置為1 Hz，覆蓋范圍不超過3 km。

3.3 LiDAR航線設計

飛行數據采集前需提前了解測區的詳細情況(包括周邊建筑物高度、高壓電力線分布及高度、大型通訊基站高度及位置等信息)，航線設計起飛點應盡量選擇測區中間，保證無人機在航飛數據采集過程中與遙控器通訊鏈路正常連接。

根據經驗，LiDAR航測各項參數設置要求如下。

(1)航高：80～450 m，根據項目精度要求，合理設置航高。在保證安全前提下，精度要求越高，適當降低航高；精度要求越低，可適當提升航高。

(2)航速：6～14 m/s，不同比例尺的地形測量，對點云點密度要求不同，根據航高和激光點密度合適設置航速。

(3)航間距：80～300 m，根據項目精度要求和成果需求來設定，若只要求采集點云數據，可適當增大航間距，保證點云重疊率50%即可；若要求同時采集點云和影像數據，則以影像旁向重疊率(一般以60%為準)來確定航間距，此種情況適當降低航間距。

初始化完成后，飛手按照設定好的飛行航線進行飛行數據采集，采集過程中需時刻注意無人機的飛行姿態與高度，確保無人機飛行安全。

3.4 點云數據處理

3.4.1 POS數據融合解算

步驟如下：新建工程→原始數據轉換→添加基準站、移動站原始數據→GNSS/INS解算→Combine→平滑處理→輸出結果。

3.4.2 點云數據生成

將高精度POS文件及激光點云原始數據導入解算軟件，設定項目對應的坐標系統參數及解算參數，解算出通用的LAS格式高精度激光點云數據。

3.4.3 點云數據分類處理

因為激光雷達系統接收的反射激光點包含多種信息(地面點、建筑物點、植被點、錯誤點等)，因此需要對不同類型的點進行區分，從中提取出有用信息。

點云數據分類：首先進行整體去噪、濾波處理、分離低點；然后再進行地面點分類，分離出如房屋、樹木、電桿、輸電線路等地物；最后得到地面點云。因原始點云數量過多，不利于DEM的繪制，需根據需求對地面點云進行抽稀提取，得到合適密度的高程點，最后建立DEM模型，生成等高線(圖1)。

圖1 生成的等高線

4 工程實例應用探討與分析

4.1 工程概況

本次應用探討以國內某礦區生態環境修復測量為依托，該項目共計253座礦山，零散分布在46 km2的范圍內，礦區以開采錳礦為主，小部分開采重晶石礦。礦山斷續開采已有近百年歷史，開采方式主要采用露天開采。礦區內地形主要為陡崖，陡坎，斜坡等，有少量地物如房屋，500 kV、220 kV等高等級輸電線路，10 kV、380 V等低等級輸電線路、通訊線、道路、機械設備、墳、廠房、水塘、礦坑及碎石堆等。測繪植被覆蓋率高達75%，種植有松樹、桉樹、雜樹、經濟林等，部分區域有水田和旱地，種植有經濟作物水稻、玉米等；測區碎石林立、地形支離破碎極不完整，測區高差110 m，傳統測量手段難以滿足工期需求和測量精度需求(圖2)。

圖2 測區概略及LiDAR航線布設

4.2 LiDAR外業飛行及內業數據處理

本工程LiDAR外業飛行航高設置為110 m，飛行速度為10 m/s，共計作業4 d，累計飛行面積20 km2，飛行30個架次。經過內業數據處理，包括基站數據轉換、POS數據融合解算、點云數據生成、點云數據去噪、濾波、分類等，得到礦區的數字高程模型(DEM)數據，疊加礦區的數字正射影像(DOM)后，生成成品數字線劃圖(DLG)文件(圖3～7)。

圖3 植被穿透性(回波渲染)

4.3 LiDAR測量精度分析

為檢測LiDAR的測量精度，現場在各個礦區隨機選擇抽檢1300個GNSSRTK測量點，得到實測高程和點云高程的差值，高差平均值-0.037 m，差值最大值1.352 m，差值最小值-1.055 m，差值中誤差±0.248。高差離散點分布情況如圖8所示。

圖4 植被覆蓋區域穿透效果

圖5 測區內A區域正射影像

圖6 A區域對應的未進行分類的原始點云

從圖8～10可以看出，GNSSRTK實測高程和點云高程的差值大多集中在-0.5～0.5 m區間范圍之間，所占百分比為97%，其中-0.3～0.3 m分布區間占比達到90%，-0.1～0.1 m分布區間所占比超過50%，統計檢測點高程中誤差為0.25 m，遠滿足相關規范要求，說明此次LiDAR高程測量精度良好；同時，現場隨機選擇了一塊區域進行GNSS RTK實測，分別用實測數據和點云數據計算挖填方土石方平衡，實測數據的土石方量為35223 m3，點云數據的土方石量為35018 m3，相差205 m3的土方量，誤差為5.8‰，基本可以忽略不記，說明LiDAR高程測量精度完全可以滿足礦區測量需要。

圖7 A區域對應的分類之后的地面點云

圖9 高差分布區間所占百分比

圖10 高差正態分布

5 結論與展望

LiDAR相對于傳統無人機航測技術來說，具有極高的分辨率、獲取的信息量豐富、可全天時工作、穿透能力強等優點，成果的整體精度與精細程度更高，生產效率更高、工期相對較短，成果質量更有保障，應用價值更加深遠[14]。

礦山修復工程測量因地形支離破碎、坑坑坎坎、碎石零亂,植被覆蓋率高, 傳統測量手段無能為力, 由于激光具有較強的穿透能力，能夠獲取到更高精度的DEM地形表面數據, LiDAR高程測量精度相比其他航測手段的測量精度要高,且采集的原始點密度遠遠高于傳統航測，即使分類后平均1 m2至少一個、甚至幾十個地面點，這是傳統航測技術采集或人工采集手段所無法比擬的,從而保障了礦山修復測量工作的質量.對礦山修復工程后期的消方整形、底盤平整、混凝土客土噴播、覆土綠化、土地復墾等生態環境修復工作可以提供更為準確的基礎測繪數據[15]。因此，機載激光雷達測量技術在礦區生態修復工程測量中具有廣闊的應用前景；同時，也可以廣泛應用于林業、農業等領域。