無人機機載LiDAR在長江下游洲灘地形測量中的應(yīng)用

楊俊凱，顏惠慶

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

長江下游河段是世界上運量最大、運輸最繁忙的通航河流，同時也是我國水運主通道和沿江地區(qū)綜合運輸體系主骨架[1]。長江下游汊道洲灘眾多，受上游徑流和下游潮汐的共同影響，長江洲灘演變劇烈，為穩(wěn)定長江航槽，保證通航安全，建成了一系列重要洲灘守護工程。為了解洲灘變遷情況，評估航道整治效果，需開展洲灘地形測量工作。傳統(tǒng)測量方法對于高潮位淹沒的岸灘區(qū)域一般采用小船搭載測深設(shè)備進入測量，而對于低潮位干出的沙洲區(qū)域一般采用全站儀、GNSS-RTK人工走測或無人機攝影測量。其中全站儀或RTK地形測量技術(shù)成熟，但存在岸灘淤泥承載能力差、人員登陸困難等問題，因此此類直接測量方法的安全性、效率和精度均難以得到保障[2]；而無人機攝影測量技術(shù)采用間接測量方式遠程遙測，可代替人工實地走測，可大幅度提高洲灘地形測量效率，其成果還可以與BIM結(jié)合，輔助設(shè)計、施工管理等[3]，但存在植被遮擋區(qū)難以獲取真實地表三維信息等問題[4]。

近年來，激光雷達（LiDAR）測量技術(shù)發(fā)展迅速，已成為快速獲取高精度地表三維信息的有效手段。根據(jù)載體平臺不同，可分為星載、機（有人、無人）載、車（船）載、背包和地面式5類。其中，星載LiDAR測量技術(shù)飛行高度高、觀測視野廣，適用于高山區(qū)、沙漠區(qū)等復(fù)雜地形的大范圍DEM提取[5]。車（船）載LiDAR測量方式適用于城市[6]、岸線地形掃測[7]，但可能受激光發(fā)射俯仰角限制，出現(xiàn)目標(biāo)頂部點云缺失的情況。背包式需人工背負(fù)，適用于車（船）無法進入的狹小地形[8]，但在人員難以進入?yún)^(qū)域（如岸灘、整治建筑物區(qū)）的應(yīng)用受限。地面式LiDAR測量技術(shù)可能出現(xiàn)由于地形條件苛刻無法架設(shè)掃描站點等情況。而無人機機載LiDAR測量技術(shù)不受掃描角度及地形條件影響，具有視野廣、精度高、效率高等優(yōu)勢，目前已在沿海灘涂、整治建筑物、海島測繪等方面展開了應(yīng)用[9-10]。因此，為獲取民主沙沙尾洲灘地形特征，項目組采用了中海達ARS-200輕型激光測量系統(tǒng)對民主沙進行了地形掃測應(yīng)用，快速獲取了民主沙沙尾洲灘地形點云數(shù)據(jù)，結(jié)合野外檢查點進行了精度評定，應(yīng)用結(jié)果表明了無人機機載激光測量系統(tǒng)在小范圍、人工走測困難區(qū)域的地形測量具有快速、高精度的優(yōu)勢，可快速了解洲灘變遷情況，為航道整治工程效果評估提供依據(jù)。

1 無人機機載LiDAR系統(tǒng)組成及參數(shù)

中海達ARS-200輕型激光測量系統(tǒng)以旋翼無人機為載體，系統(tǒng)包含高精度激光掃描儀、GNSS定位系統(tǒng)、IMU慣性導(dǎo)航單元等傳感器，如圖1所示。

圖1 ARS-200輕型LiDAR激光器Fig.1 The ARS-200 lightweight LiDAR laser

中海達ARS-200輕型激光測量系統(tǒng)以時間同步技術(shù)和一體化傳感器集成技術(shù)為基礎(chǔ)，確保同步獲取三維激光點云和定位定姿數(shù)據(jù)，具有重量輕、精度高、效率高等特點。主要性能參數(shù)見表1。

表1 ARS-200輕型LiDAR測量系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 The main parameters of ARS-200 lightweight LiDAR measurement system

2 應(yīng)用試驗

2.1 測區(qū)概況

民主沙位于長江下游河段，測區(qū)內(nèi)整體地勢平坦，地形要素豐富，民主沙外圍為淺灘，內(nèi)部含硬質(zhì)水泥路面、稻田及灌木，測區(qū)內(nèi)存在人工難以進入的區(qū)域，測區(qū)位置如圖2所示。若采用船載激光掃描，因俯仰角的影響，只能掃測出淺灘點云數(shù)據(jù)；而無人機攝影測量系統(tǒng)因測區(qū)植被較為茂盛，光學(xué)傳感器無法穿透植被，從而無法測量出地表真實高程。因此，項目組綜合考慮了測區(qū)實際地形特征，采用中海達ARS-200輕型機載激光雷達對民主沙測區(qū)進行了地形掃測。

圖2 測區(qū)位置Fig.2 The location of measuring zone

2.2 數(shù)據(jù)采集

1）前期準(zhǔn)備。首先實地踏勘了測區(qū)地形、氣象、有無高大障礙物等情況。其次收集現(xiàn)有潮汐資料，選擇最低潮時作業(yè)，從而擴大岸灘區(qū)域的測量范圍。此外，在數(shù)據(jù)采集之前，選擇在控制點上架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，設(shè)置靜態(tài)采集模式，采集頻率1 Hz，衛(wèi)星截止角設(shè)為10毅，便于后期利用載波相位差分GNSS定位技術(shù)剔除機載流動站的大部分誤差，以此控制測量精度。最后采用靜止的方式將IMU初始化。

2）航線規(guī)劃及參數(shù)設(shè)置。在航線規(guī)劃軟件中規(guī)劃航線，如圖3所示。飛行參數(shù)包括起降位置、飛行高度、飛行速度、航帶間距等，激光掃描參數(shù)包括點云密度、激光器掃描頻率等系統(tǒng)參數(shù)，如表2所示。

圖3 無人機飛行航線Fig.3 The diagram of UAV flight route

表2 無人機機載LiDAR飛行參數(shù)Table 2 The flight parameters of UAV airborne LiDAR

3）檢查點采集。為評定無人機機載LiDAR測量系統(tǒng)的點云精度，在測區(qū)選擇明顯的特征地物角點（如房角、棱臺角、巖石邊角等），采用GNSS-RTK方式記錄檢查點的三維信息。項目組分別在露地表、稻田區(qū)、灌木區(qū)采集了10個檢查點，共采集了30個特征點，作為測量精度評定的檢查點。

4）外業(yè)飛行。因測區(qū)無高大障礙物，因此采用平行飛行的方式采集地面三維信息，飛行過程中，實時關(guān)注無人機的姿態(tài)、航速、航高、天氣變化、數(shù)據(jù)采集和存儲等情況，保證外業(yè)飛行安全及點云數(shù)據(jù)的完整。

2.3 數(shù)據(jù)處理

無人機機載LiDAR測量系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)包括點云數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)、機載端GNSS數(shù)據(jù)和基站GNSS數(shù)據(jù)。基于Inertial Explorer軟件對基站和機載GNSS數(shù)據(jù)進行動態(tài)后處理（PPK）解算，獲取高精度厘米級無人機定位信息。之后，利用GNSS差分?jǐn)?shù)據(jù)和IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過緊組合解算方法聯(lián)合解算出無人機的高精度的POS（Position and Orientation System）位置和姿態(tài)信息，即無人機動態(tài)軌跡數(shù)據(jù)。然后，將獲得掃描儀的無人機動態(tài)航跡數(shù)據(jù)與激光原始點云數(shù)據(jù)融合，融合時需加入系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)，得出點云數(shù)據(jù)的三維絕對坐標(biāo)信息。最后，因植被的影響存在大量點云噪聲，需進行濾波處理，結(jié)合影像資料刪除非地面點，獲取了測區(qū)高精度的點云數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 處理后的地形點云Fig.4 The processed diagram of terrain point cloud

2.4 精度評定

為分析機載LiDAR在洲灘地形測量中的應(yīng)用精度，同時驗證無人機機載LiDAR對于不同植被的穿透能力，試驗將分布在水泥路面、稻田及低矮灌木區(qū)的30個檢查點的點云值與實測值進行比較。誤差統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

依據(jù)JTS 131—2012《水運工程測量規(guī)范》規(guī)定的1頤500平坦地區(qū)地形圖最高要求平面中誤差臆0.3 m，高程中誤差臆0.16 m，結(jié)合表3誤差統(tǒng)計結(jié)果表明：此次基于無人機機載LiDAR的洲灘地形測量在平面和高程均能滿足1頤500地形圖的精度要求。同時稻田區(qū)高程精度明顯低于水泥路面及低矮灌木區(qū)，分析原因為稻田區(qū)植被較為茂密，激光穿透能力不足所致。此外，在稻田及低矮灌木區(qū)的平面精度較低，分析原因為植被區(qū)內(nèi)選取的特征物較小，掃測點云較稀而選點不準(zhǔn)確。

表3 不同地物類型誤差統(tǒng)計結(jié)果Table 3 The error statistical results of different feature types

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)測量方式在洲灘地形測量中存在效率低、精度低、安全性差等缺點，項目組以民主沙為例，采用了中海達ARS-200低空多旋翼無人機機載LiDAR測量系統(tǒng)對測區(qū)進行了掃測，快速獲取了民主沙沙尾地形點云，并結(jié)合野外檢查點進行了精度評定。主要結(jié)論如下：

1）不同植被覆蓋區(qū)檢查點的對比結(jié)果表明，基于無人機機載LiDAR的洲灘地形測量在平面和高程均能滿足大比例尺測圖的精度要求。

2）無人機機載激光測量系統(tǒng)在小范圍、人工走測困難區(qū)域的地形測量具有快速、高精度的優(yōu)勢，可快速了解洲灘變遷情況，為航道整治工程效果評估提供依據(jù)。

3）機載激光雷達在測量過程中，傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透植被，但對于非常密集的稻田區(qū)植被，激光穿透的效果較差，所以數(shù)據(jù)采集工作應(yīng)選擇在冬季植被較為稀疏時進行。同時機載激光雷達的高程精度優(yōu)于平面精度，可結(jié)合無人機航測系統(tǒng)生產(chǎn)1頤500甚至更大比例尺地形圖。