無人機LiDAR技術在水利崩岸應急測繪保障中的應用

李煜東

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著測繪遙感技術的發展，傳統衛星遙感技術不斷向著高精度、高分辨率、高時效性的方向發展。特別是在自然災害發生時，一般傳統測量手段無法快速獲取有效、準確的地理信息數據。無人機激光雷達系統(LiDAR)作為一種先進的主動式遙感觀測系統，可通過快速采集激光束在目標地物上反射的回波數據獲取詳細的地物三維信息，憑借其高效、安全可控、機動靈活、測量精度高、受外界干擾性小等特點，能作為應急搶險的先鋒，可快速獲取應急搶險時的第一手地形數據資料，更好地服務于水利工程搶險測量的需要。當災害(如崩岸)發生時，如何快速有效獲取地形地貌數據，及時給出有效災害評估結果及處置結果，對水利工程建設安全保障和快速應急響應、人員撤離及后期搶險救災具有十分重要的意義[1]。

1 無人機激光雷達測量系統

1.1 無人機激光雷達設備組成及原理

激光雷達(Light Detection And Ranging，LiDAR)是一種通過發射高頻激光束來獲取地面信息的主動式遙感系統，它是激光測距、全球定位系統(差分GPS)和慣性導航系統(IMU)三種技術結合的產物。其中，激光測距系統用于測量傳感器到地表反射點的距離，差分GPS能夠依靠地面基站GPS與激光雷達系統上的GPS進行差分得到準確的掃描中心空間位置，慣性導航系統能夠用于獲取掃描系統的空間姿態參數[2-3]。目前無人機平臺搭載的激光雷達憑借著其全天時作業、受天氣干擾小以及能夠快速生成掃描區域地形數據且成果精度高的優點被廣泛應用于應急測繪任務中。

1.2 無人機激光雷達技術突出優點

機載激光雷達是一種主動遙感技術，通過接收激光在地表物體反射的回波獲取對象表面的三維信息，由此建立地表的三維模型。激光雷達具有快速性、穿透力強、全天時觀測、高精度等優點。

(1)數據獲取效率高，產品生產周期短。傳統測繪測量效率低下、人工成本高，單兵作業慢且很多地方無法到達，即使達到安全風險過高，無法勝任應急測繪的需要。與傳統航測成圖相比，無人機LiDAR測量時只許布設少量地面控制點，且航線布設要求的重疊率低，飛行時間更短，相同容量的電池作業時，其效率更佳。且激光雷達掃描時是環形掃描，掃描范圍更廣，因此同樣區域作業時，與傳統航測時間對比，可以節省一半時間，提高了外業數據采集效率;其次，成圖時間縮短，也節省了外業調繪和補測的工作量，可很好地應用于水利水電工程項目測繪任務中[4-5]。

(2)較大程度地克服了植被覆蓋的影響。激光良好的單向性使其能從狹小的縫隙中穿過，掃描植被茂密地區時，每發射一束激光脈沖，可分別獲得樹冠、樹干、地表灌木以及地面等多個反射回波[6]。雖然在植被密集區獲取的地面點數量會減少，但是通過合理設置航線、增加重疊度、增強發射功率和調整掃描角度等措施，仍然可以獲得滿足大多數項目要求的地面點密度。對點云進行濾波和分類處理后，準確輸出地面點和非地面點，再結合反射強度信息分類出地面、房屋、植被、建筑、橋梁、道路等要素。與傳統方法獲得的DEM相比，根據分類后的地面點生成的高精度數字高程模型，能反映出準確真實的地面高程信息，提高了地形圖的準確性[7-9]。水利水電工程測區常常植被覆蓋密集，獲取真實地面高程困難，因此，無人機LiDAR技術相對于傳統測量和航空攝影測量有無法比擬的優勢。

(3)基于激光點云生成的測繪產品成果類型多，三維激光點云數據以及DSM、DEM、DLG可廣泛應用于工程的規劃設計、建設管理、三維建模等。生成的高精度DEM結合DOM影像可以直接獲取水文斷面、壩址和庫區縱橫斷面、土方斷面等信息，更加準確計算出水庫淹沒范圍線和庫容[10-12]。

2 無人機LiDAR技術在測繪應急保障中的應用

2.1 背景及概況

2021年5月16日，西江河段某江心島正在建設的水利工程項目現場，江心島上有一處邊坡堤岸發生崩岸滑坡險情。整個崩岸長度約為150m，寬約90m，項目施工現場立即安排警戒人員劃分警戒處，現場施工人員撤離該危險地區。項目現場相關負責人安排我司測量人員進行快速測繪獲取險情段具體災害風險程度及第一手測繪地理信息資料。我司攜帶相關作業設備第一時間到達現場，迅速組裝好無人機后，航飛獲取本工程地段的正射影像圖、激光雷達數據，整個數據獲取飛行作業時間約3h。

2.2 設備簡介

大黃蜂BB4四旋翼無人機為華測定制版，慣導系統為Honeywell HG4930，采樣頻率為600Hz；激光掃描儀的型號為RIEGL_VUX_UAV，最大脈沖頻率為550KHz，掃描角度為330°。AS-900HL激光雷達參數見表1。

表1 AS-900HL激光雷達測量系統主要參數

2.3 航飛設計與實施

無人機在進行航測之前，需要做好相關準備工作。首先，需要根據測繪任務、范圍區域向當地所屬空域管轄部門進行空域申請與報備；其次，踏勘現場環境確定起飛場地，把航飛范圍導入三維地球軟件，查看最高和最低海拔高度，確定分區和設計航高，利用航線規劃軟件進行航線布設。

準備工作完成后，架設好基站，安裝好激光雷達設備，進行通電和開機。雷達數據采集前需要打開靜態基站獲取同步觀測數據用于數據后差分，在作業前需要對激光雷達進行靜置，設置好相關參數后即可開始，一般3～5min。按照設計好的航線進行飛行作業，作業時間為25min。

為了準確、高效、及時地獲取災害現場第一手可視化資料，本任務實施過程中還進行了攝影測量作業以便獲取正射影像。采用的設備為大疆精靈4RTK，飛行作業時間為40min。測繪作業實施的飛行航線如圖1所示。

圖1 激光雷達航線和正射影像航線示意圖

2.4 數據內業處理

采集完數據后，將所有相關數據導入并進行解算。激光雷達數據預處理是對激光雷達原始數據的整理過程，通過整合GNSS原始數據、地面站數據以及IMU數據生成地面激光點云，用于后續的地面處理和分類。圖2表征了一般情況下激光雷達數據預處理流程。

圖2 激光雷達數據預處理流程

對數據進行預處理后，檢查數據范圍足夠、無航攝漏洞、軌跡解算、WGS84轉20000國家大地坐標系參數準確無誤后，生成所有點云文件las格式。導入Microstation數據處理平臺，采用Terro Solid軟件進行點云濾波、地面點云分類處理、高程點檢核等一系列處理。同時將正射影像導入Pix4D軟件進行全自動處理，得到DOM。將點云與正射影像疊加得到賦色后的彩色點云，可以更加直觀反映出此次發生險情江心島上的全部地貌。如圖3所示。

圖3 激光點云和正射影像賦色后的激光點云模型圖

2.5 數據成果精度對比分析

將解算完的點云同正射影像進行融合后對比，觀察地物棱角與賦色后的點云平面位置，可以看出，正射影像與激光點云匹配良好，說明本方案采集的數據點平面精度正確，符合平面位置要求。一般地，激光采集點云高程精度難以保證工程測量精度需求，特別是植被覆蓋茂密地區。因此，本任務也對此做了相關驗證，用于檢核LiDAR點云的高程精度。在項目外業數據采集中分別采集了平坦水泥路面、草地、樹林等不同地方的RTK數據，均勻分布在測區范圍內。通過對比分析，采集的地面點高程偏差都在5cm左右，具體高程精度檢查報告見表2。

根據SL 197—2013《水利水電工程測量規范》中表3.0.5-5與GB/T 24356—2009《測繪成果質量檢查與驗收》中4.3.3節、4.3.6節、5.5.1節b)條規定要求，點云檢查對比屬于同精度檢測，高程中誤差均應小于±0.17m，從表2中可以看出，點云檢查結果均符合規范要求。

表2 地面點云高程精度檢查表 單位：m

3 崩岸塌方險情處理與分析

在崩岸塌方發生后，現場施工地已出現大面積坍塌區，沿河道路垮塌，具體災害程度不明，項目現場相關負責人迅速啟動應急預案，畫出警戒安全線，現場作業人員與車輛避開危險區。我司測繪技術人員第一時間現場采集數據，當天通過第一時間對數據進行計算、分析，此次崩岸塌方的土方量約為30584.81m3，周邊約9763.5m2區域處于不穩定松軟區，岸坡滑動上下高度最大約為12.2m。將此次處理測繪成果信息提交給相關部門，用于研究分析崩岸發生的原因，并制定險情應急預案，進行安全風險評估后再進行現場填土加固與維護。

4 結語

文章主要探討了無人機LiDAR技術應用于水利搶險應急測繪，當災害發生時，利用無人機LiDAR技術可第一時間獲取災區詳細準確的測繪應急資料。通過數據處理、比對、分析，其測繪成果可滿足工程任務的需求。在作業效率上，極大地提升了測量人員在應急測繪中地效率，保障了人員及工程安全；在可靠性方面，激光點云與新型測繪攝影測量、遙感等方式相比，更適用于此類災害分析與評估。

同時，利用好無人機LiDAR技術對專業人員能力要求高，惡劣天氣無法適用，對于應急測繪保障來說，還需要借助其他的方式補充。隨著無人機雷達向長航時、高性能、普適性等方面不斷發展，LiDAR技術將在水利行業及應急測繪保障中發揮巨大作用。