淺談機載激光雷達技術在水利工程中的應用

李 慧

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

水利工程是我國重要的基礎建設工程，測繪技術貫穿于水利工程建設全過程。目前，水利工程測繪中地理信息的采集除運用GPS等傳統的測繪技術外，主要依靠傾斜攝影測量、遙感等現代測繪技術。傳統的測量手段如全站儀、RTK等雖然精度高，但在作業中需耗費大量的人力物力，效率低，工作周期長，不能滿足大規模水利工程測量的需要，并且受地形局限性較大，為勘測設計一體化帶來許多困難。航空攝影測量技術雖然有作業方式靈活、成本較低、成果更新及時等特點，但易受到天氣情況、測區環境、作業時間等因素的影響，對于測區環境多以茂密植被、高山峽谷的水利工程而言，該技術獲取的數據質量和精度有時無法滿足工程需求，并且該技術無法穿透植被覆蓋區獲取高精度的地面高程數據。因此，亟需一種可靠的技術手段解決目前水利工程測繪中存在的問題。機載激光雷達技術作為一種快速的三維空間地理信息采集技術被廣泛應用于各個領域，相比其他傳統的航測技術有其特有的優勢，成為除GPS、遙感、攝影測量等現代測繪技術之外的一種有效的地理信息采集技術[1]。

1 機載激光雷達技術簡介

1.1 激光雷達技術

激光雷達(Light Detection and Ranging， LiDAR)是一種集激光發射和接收系統、慣性導航測量裝置(IMU)和全球導航系統(GNSS)、供電模塊和控制系統于一身的系統[2- 3]。根據測距原理不同，激光雷達主要分為脈沖式激光雷達和相位式激光雷達，一般在大比例尺地形測繪中脈沖式激光雷達更為合適[4]。激光雷達系統是以激光為信號源主動發射出脈沖激光束，當激光發射至地面不同地物上引起散射，其中一部分回波至激光雷達接收器，根據激光測距原理可以計算出地面目標點至激光雷達之間的距離。在植被覆蓋度較高的地區，激光可在一定程度上穿透植被獲取地面點云。激光雷達通過對地面的不斷掃描，獲取海量的點云數據，這些點云數據存儲了地面目標點的三維坐標信息，通過成像處理獲取精確的三維立體模型。

1.2 機載激光雷達

機載激光雷達是將激光雷達搭載在飛機上進行數據采集的。機載平臺包括無人機和有人駕駛的飛機，目前工程中應用較廣泛的是無人機激光雷達測量系統，具有結構設計美觀、集成化和自動化程度高、機身小巧易攜帶作業等優勢，適合多種地形測繪、地籍測量項目。機載激光雷達系統示意圖如圖1所示。機載激光雷達獲取地面目標點三維地理信息數據具有快速、高精度、高密度、控制點少的特點[5]。該技術是對傳統航空攝影測量技術很好的補充，在復雜地形測繪中具有獨特的優勢。目前，機載激光雷達技術被廣泛應用于林業、電力等領域[6- 7]，也逐漸在水利工程測繪應用中取得較理想的效果[8- 12]。

圖1 機載激光雷達系統示意圖

2 數據處理關鍵技術

機載激光雷達在水利工程中的作業流程主要分為外業數據采集和內業數據處理兩方面。外業數據采集包括前期準備、地面測量、航飛數據采集、數據預處理與質量檢查。內業數據處理主要包括點云數據處理、測繪產品生產、成果精度質量檢查。關鍵技術路線如圖2所示。

圖2 機載激光雷達關鍵技術路線圖

2.1 前期準備

前期準備主要包括空域申請、收集氣象資料和已有的一些測量成果、航飛范圍確定、航線設計規劃、現場踏勘以便確定起降場地等。通常在規劃航攝路線時會根據工程任務書要求，確定航飛范圍并對其適當外擴，以保證測區被完全覆蓋。綜合考慮設備性能、測區特點等因素規劃航飛路線，設置飛行高度、航飛重疊度，選擇合適的飛機起降點。

2.2 地面測量

地面測量主要包括地面基站測量和參考面測量。地面基站測量通常是根據航飛范圍將基站架設在地面的高等級控制點上，為飛機的GPS系統提供差分信號。通常地面基站要在航攝開始前30min開機，在航攝任務完成后30min內關機，中間需一直保持通電狀態且信號暢通。參考面測量主要是通過特征點對獲取的激光點的平面高程數據進行糾正。特征點一般為具有明顯特征的點或者是提前布設的像控點，對于高程特征點需在測區的不同高程梯度區域內均勻分布。通過改正參數對激光點的平面高程數據進行糾正，提高點云數據的精度。

2.3 航飛數據采集

按照航線規劃設計進行航飛任務。無人機起飛以后，操作人員應時刻關注飛機的飛行情況、續航能力以及可能影響飛行的外部因素。機載激光雷達需分別在起飛前和降落后進行靜態觀測，防止GNSS與IMU系統記錄不完整。

2.4 數據預處理與質量檢查

在航攝任務完成以后應及時對采集的數據范圍、航線和航攝區間的匹配度、點云采集密度進行統計和檢查，防止出現航攝存在漏洞或精度、點密度不符合相關規范的情況。

2.5 點云數據處理

點云數據處理主要包括坐標轉換、點云濾波、點云分類等。點云濾波是基于不規則三角網原理通過TerraSolid軟件對獲取的點云數據進行濾波，根據項目測區的地形起伏情況和植被覆蓋情況選擇合適的閾值，通過閾值將地面點云和地物點云過濾分離。

2.6 測繪產品生產

通過對機載激光雷達獲取的點云數據進行去噪，即可獲得數字表面模型(Digital Surface model， DSM)，在此基礎上進行濾波，即可獲得數字地面模型(Digital Elevation model， DEM)。通過分類后的點云數據與DOM結合可提取出地物要素，根據地物地貌和外業調繪數據可進行數字線畫圖(Digital Line Graphic， DLG)成果的生產。

2.7 成果精度質量檢查

成果的質量檢查主要包括：點云精度檢查、地形圖精度檢查、DEM精度檢查，檢查標準主要參考激光雷達相關技術規范。

3 機載激光雷達技術在水利工程中的應用

3.1 水利工程測繪面臨的困難

(1)作業環境

由于水利建設工程項目的特殊性，測繪作業區一般地處高山峽谷、植被覆蓋茂密地區，通視條件差、天氣變幻無常、交通不便、通訊信號差，這些都對測量工作的開展十分不利。

(2)成果精度要求

原始WENO-CU6-M2格式及其改進A和改進B的結果以局部Lax-Friedrichs通量在200個網格點上解得, 圖4是t = 0.2時刻的密度和速度曲線及局部放大. 原始WENO-CU6-M2格式具有良好的激波捕捉特性(圖4(a)), 但也在x≈0.57的接觸間斷處產生了微小的振蕩(圖4(c)). 然而, 其改進格式抑制了這些振蕩, 表現為給出的接觸間斷如原始格式一樣銳利. 圖4(b)和圖4(d)的速度曲線也顯示了改進A和改進B減小了偽振蕩.

水利工程項目對于測繪成果的精度要求較高，一般需要滿足1∶2000比例尺精度，部分壩址區還需要滿足1∶1000比例尺或1∶500比例尺成果精度。如果用傳統測量手段很難滿足工程的精度要求。

(3)內業數據處理

水利工程通常所處的地理環境特殊且復雜，植被覆蓋度高、水域覆蓋面積廣、高程變化較大等特點對于水利工程測繪工作的開展十分不利。傳統的航測技術不但面臨外業控制困難，還存在內業影像匹配困難、控制點刺點模糊等問題，嚴重影響內業數據處理的效率和成果的質量。

3.2 機載激光雷達技術和傳統航空攝影測量技術的比較

(1) 成像和作業原理

傳統的航空攝影測量技術是利用透視幾何原理實現成像的，屬于被動式測量技術。而機載激光雷達采用主動式掃描測量方式，根據極坐標幾何定位原理成像，獲取地面點的三維坐標信息。

(2) 作業時間和作業范圍

機載激光雷達不受天氣等因素的影響，可穿透植被獲取地面信息，可全天時作業，但飛行高度相比傳統航測的低。傳統的航測技術受光照、天氣、周圍環境等因素影響較大。

(3) 數據采集方式和呈現形式

傳統的攝影測量手段采集的數據覆蓋整個攝影區域，是基于面狀的測量成果，是包含紋理、光譜等信息的二維影像數據。機載激光雷達技術通過逐點采樣，獲取的數據是覆蓋整個測量范圍的海量點云數據，包含每個點的幾何坐標和反射強度信息。

(4) 精度

傳統航測技術的平面精度高，高程精度相對較低，因此需要大量的地面控制點進行控制，而機載激光雷達技術理論上高程精度優于平面精度。

(5) 生產效率與成本

傳統攝影測量技術后期數據處理時自動化程度較低，在航片處理時通常需要人工干預，因此生產的周期較長，成本較高。機載激光雷達技術后期數據處理基本能實現自動化處理，生產周期相比傳統的航空攝影測量技術大大縮短，生產成本低，因此該技術也越來越受測繪市場的青睞。

3.3 機載激光雷達技術在水利工程測量中的應用優勢

水利工程測量作業環境特殊，屬于難度較大的測繪任務，利用常規的測繪手段很難滿足工程進度、成果精度等要求。采用先進的機載激光激光雷達技術可以大大提高作業的效率和成果的精度，為工程設計提供有力的數據支撐，為作業任務能保質保量按時完成提供強力保障。該技術在水利工程測量中的應用優勢主要凸顯在以下幾個方面。

(1) 不受作業環境的限制

由于激光雷達發射出的激光脈沖強度很高，具有很強的穿透力，發出的激光波束可以穿過狹小的縫隙，打到樹冠、樹干、灌木叢、地面等產生多個反射回波。對于地形特殊的作業地區，例如高山峽谷、懸崖峭壁、灘涂沼澤、采石場等地區，可忽略地形限制，順利完成數據采集工作。對于植被覆蓋不是非常密集的地區，激光脈沖可以穿透植被獲取點云數據，通過對點云進行濾波和分類，將地面點和非地面點分離開，同時結合點云的強度信息可對房屋、道路、橋梁等不同的地物要素進行分類。對于植被較為密集的區域，雖然獲取的點云數量會減少，但通過調整發射功率、掃描角度、航線重疊率等要素，通常獲取的點云仍可滿足工程任務對于地面點密度的要求，這對于測區很多為密林山區的水利工程測量來說凸顯其獨特的優勢。目前，機載激光雷達是在山區密林獲取地面高程數據唯一可行的技術。

(2) 可實現全天候作業

機載激光雷達是主動發射脈沖波束，不受天氣、太陽高度角等因素影響，可實現全天候作業，極大提高作業效率，縮短作業周期。該技術減少了不利天氣對于工程進度和成果精度的影響，可廣泛應用于水利應急測繪等領域。

(3) 數據成果精度高

利用機載激光雷達測得的點云數據精度可達0.1～0.5m，特別是高程精度更高，可滿足1∶1000比例尺地形圖的要求。機載激光雷達獲取的點云數據經過過濾分類，生成的DEM模型精度更高，相比于傳統測繪技術獲取的DEM能更好地反映出地形的微小起伏。

(4) 可操作性高

機載激光雷達屬于主動式遙感測量技術，能夠主動發射激光波束并接收回波信號，獲取地面目標點的三維坐標信息。作業時人員通常只需準備好相關前期工作，后期數據獲取和數據處理自動化程度高，對操作員要求不高，操作便捷。

(5) 作業效率高，工作周期短

機載激光雷達在作業時只需要少量的地面控制基準站，航線的航向和旁向重疊率要求較低，大幅度提高了數據的采集效率。與傳統航測手段相比，后期的數據處理、成果輸出、外業調繪等時間也大大縮短，節省了產品生產的時間，很好地解決了目前水利工程測繪面臨的工期緊、成果精度要求高的難題。

(6) 數據成果豐富

傳統的測繪手段是基于點進行測量，只能獲取有限的地面點坐標信息進行常規的DLG生產。機載激光雷達可以快速地獲取海量的點云數據，如果在機載激光雷達平臺上搭載了數碼相機，可以在獲得點云數據的同時獲取地面的數字影像，經過內業數據處理可獲得數字地表模型、數字地面模型、數字正射影像、數字線劃圖等，將DEM和DOM模型結合還可以用于斷面提取、計算庫容和水庫淹沒范圍線等，這些豐富的測繪成果為水利工程建設提供了數據支持和保障。

4 總結與展望

機載激光雷達技術是新興的測繪技術，全天候作業、成果豐富、作業效率高、成果精度高等優勢使得該技術在水利工程測繪領域得到了較好的應用。雖然機載激光雷達目前在實踐中仍有不足之處，但隨著技術的進步和硬件設備的完善，該技術仍有很大的發展潛力，特別是在多源數據獲取和處理、多樣數據生產等方面，以及水利行業的河道監管、防汛抗旱、水土保持監管、搶險救災等多個領域具有很好的應用前景。本文通過對機載激光雷達的技術原理、技術特點和應用優勢進行詳細介紹和對比分析，以期為該技術在水利行業或其他領域的推廣和應用提供參考。