基于無人機機載激光和無人船多波束下水陸一體化三維測量技術應用和探討

李慶松

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

1 概論

眾所周知，無人機機載激光雷達技術作為一種新型的陸地快速三維空間地理信息數據采集技術[1]在各測繪行業特別是水利水電工程測繪中都已經得到了非常廣泛的應用。隨著多波束技術的發展，無人船搭載多波束[2]作為一種近年新興的水下三維數據采集技術也越來越多應用在了河道測量、地形測量[3]、近海測繪、水庫監測等水利領域。

而將無人機搭載機載激光和無人船搭載多波束進行有效結合，并作為一種全新的水陸空一體化三維測量技術加以應用，為解決區域范圍內水陸地表三維數據全覆蓋，促進水陸三維數據的無縫銜接提供了可能。同時，也為水利三維設計提供了基礎保障[4]。

2 原理

2.1 無人機機載激光測量技術

無人機機載激光測量技術是一種以無人機為載體，集激光測距系統、全球導航定位系統(GNSS)和慣性導航系統(INS)等測繪高新技術[5]為一體的陸地三維地理信息數據采集技術。具有靈活快速、高效便捷、低成本、精度高[6]等特點。

該技術通過GNSS系統提供飛行平臺的位置同時地面架設基準站提供后差分(DGPS)數據處理所需的同步相對地理信息、激光雷達測距系統根據激光反射測定地物與雷達的距離、慣導提供的姿態數據，并利用相關數據預處理軟件計算從而獲取精確的地表地物三維地理坐標，再通過測區參數轉換得到目標三維成果。

其工作原理和技術流程如圖1所示。

圖1 無人機機載激光工作原理和步驟

2.2 無人船多波束測量技術

無人船多波束測量技術是一種以無人船為載體，集GNSS定位、多波束和慣導于一體的水下三維地理信息數據采集技術。它具備組裝簡易、姿態校正快捷、攜帶方便、完整全面、測量精度高等優點。

該系統可通過岸上架設基準站提供動態實時差分(RTK)信號為無人船多波束測深平臺提供準確實時定位(也可以通過船載GNSS定位系統提供多波束平臺位置、岸基同時進行靜態測量獲取后差分數據處理所需的數據，類似于機載激光測量)，多波束測取換能器與地物的距離，并實時通過船上慣導進行姿態糾正，從而直接獲得準確的水下三維地理坐標，再通過參數轉換獲取目標成果[7]。無人船多波束測量與無人機機載激光雷達測量的原理如出一轍，可稱為“水下激光雷達”。

其工作原理和技術流程如圖2所示。

圖2 無人船多波束工作原理和步驟

2.3 無人機機載激光和無人船多波束協同作業

由于無人機機載激光和無人船多波束的工作原理相似，那么理論上就可以將二者進行協同作業。

其構思原理是：在岸上架設同一基站，基站同時開啟靜態記錄和動態差分模式，靜態數據采集可供無人機機載激光和無人船多波束GNSS定位同時使用，動態RTK也同步作為無人船GNSS定位使用。無人機和無人船進行半自動化或全自動化作業，兩套系統共用同一基站，同時獨立獲取三維地理數據。

2.4 水陸空三維數據處理關鍵技術

2.4.1激光點云數據預處理

無人機機載激光獲取的三維地理數據需要通過專業的預處理軟件計算，從而獲取WGS84坐標系下的LAS格式點云[8]，再應用測區的參數進行轉換得到目標成果。其次，利用同時獲取的水邊線準確位置，剔除水域范圍內的激光點云錯誤噪點。

2.4.2多波束點云數據預處理

無人船多波束獲取的三維地理數據，同樣需要經過聲吶等改正[9]后獲得包含噪點的原始點云數據。由于水下點云數據比較單一，除了部分噪點，其他基本為河床表面實際點云，為了使水下點云數據能和陸地激光點云數據同時進行自動化處理，必須對水下點云數據進行“粗去噪”。也就是，對低于真實河床底部的點云進行有目的的刪除，同時對水域范圍外的噪點進行直接圈除。

2.4.3水陸三維數據后處理

（1）地質災害防治行業比較注重實際防治工程技術研究，但在理論和政策研究方面較弱，整體上缺少理論和政策規章支持，對地質災害防治工作服務社會的領域和方向，沒有很好的歸納和總結，缺乏全面具體的認識，政策引導性不強。

分別將經過預處理的激光點云數據和多波束點云數據加載至一起，使用激光后處理軟件進行同時濾波[10]處理，去除地面或者空中的噪點，從而獲得準確的水陸三維地表數據。

2.4.4任意點驗證理論

對水陸三維地表數據進行任意提取，并進行實地陸地RTK和水下單波束檢查。

3 項目實踐

廣東省河道地形測量是廣東省河道水域岸線保護與利用規劃的一個重要組成部分，對全省河道測量進行系統測量，獲取高精度河床三維地理數據，可為水利規劃、科學研究和工程建設等提供必不可少的基礎數據，同時為我省全面推進水利現代化建設和全面落實河長制提供了重要的基礎保障。本文結合四旋翼無人機搭載AS- 900HL激光雷達和無人船搭載NORBIT多波束相結合的水陸一體化全自動三維測量技術在該項目中部分河道的應用為例，從三維數據獲取、數據處理、成果輸出和精度驗證等方面進行系統地闡述，證明該技術的切實可行，也為以后同類項目的推廣應用提供了參考依據。

3.1 設備選擇

陸地選用四旋翼無人機搭載激光雷達AS- 900HL，水下選用無人船搭載NORBIT多波束，如圖3所示。

圖3 無人機機載激光+無人船多波束系統

3.2 技術實施

本次選擇西江干流水道鯉魚洲及其附近水域進行實驗，作業面積為1km2，其中陸地和水下約各占一半。實驗當天天氣晴朗，風速1～2級，實驗環境良好。地面基站布置和觀測嚴格按照相關要求執行，基站于作業前20min開始實時差分信號發射和靜態記錄。無人機機載激光系統和無人船多波束系統均按照規范要求進行操作和數據采集，并同時進行。

(1)作業前期，無人機進入航線前進行繞“8”飛行以減少IMU的誤差累積，無人船開始紀錄之前進行跑“8”字同樣進行姿態改正。

(3)本次無人機機載激光測量時，同時搭載了相機(正射影像圖的輸出，方便水邊線的確定)。激光雷達數據首先進行POS解算，再采用軟件進行數據預處理從而獲得全部的點云數據，該數據存在大量的噪點。利用正射影像圖繪制水邊線，水域范圍內均為噪點，直接圈除。

(4)多波束數據處理采用專業軟件進行預處理，通過建立動態表面和導入聲剖數據進行計算處理，并進行刪除低于準確高程面的點等粗去噪，從而獲得與第(3)步一致的粗成果數據。同樣利用前面獲得的水面，圈除陸地范圍內的所有噪點。

(5)將上述2項數據合并，在進行全自動化濾波，去除陸地植被上的點和空中噪點等，最后輸出完整的水陸三維地表點云數據。濾波前后效果圖如圖4所示。

圖4 濾波前后水陸三維成果對照

3.3 成果驗證

(1)通過RTK動態實時差分數據處理的方式，對多波束數據進行單獨去噪后處理后與靜態后差分數據處理所獲得的成果疊加后發現，二者幾乎完全重疊，如圖5所示，由此證明通過該2種方式均可以獲得同樣的數據成果。

圖5

(2)利用RTK在陸地上隨機、均勻抽查了21個高程點；利用單波束測取了一條航線，共提取了45個水下高程點作為多波束點云檢查；具體位置分布如圖6所示。

圖6 RTK和單波束檢查點分布圖

所有檢查點一一與最終水陸三維點云進行了比較，并對水陸高程點中誤差進行了統計，結果為：±0.071m，滿足1∶500地形圖高程中誤差要求(不大于±0.15m)，詳見表1。由此可知，利用無人機機載激光雷達和無人船多波束協同作業獲取的水陸三維點云精度可靠，該技術切實可行。

表1 水陸高程中誤差統計表

4 結語

通過對無人機機載激光和無人船多波束水陸一體化三維測量技術的具體實踐證明，該技術不僅測量精度高，而且可行性很強。它為未來水上水下更深入聯合作業提供了有效的參考依據。作為目前獲取最完整的水陸三維數據的一種測量技術，可為水利水電工程設計提供新思路新理念，同時也能推動GIS+BIM協同設計的快速發展。該技術在應用過程中也存在一定不足，其多波束水上作業受環境影響較大，水上安全和可視化遠程遙控成為該技術下一步完善的關鍵。