機載激光雷達掃描航測系統在中小河流流域治理中的應用

張效鋒

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230022）

無人機平臺具有無需專門起降場、作業靈活、轉場方便和成本較低的特點，已經廣泛應用于各行各業中，其中水利行業基礎測繪也是應用場景之一。本文主要結合流域治理項目引入了機載激光雷達掃描航測系統，機載激光雷達掃描航測系統屬于集慣性導航、全球定位以及傳感器等功能于一體的空間測量系統。該系統主要是在飛機中搭載控制單元、數碼相機、慣性導航系統、GPS 接收機以及激光掃描儀等裝置，單架次航攝可同時獲取影像數據和點云數據，從而為外業獲取基礎測繪數據提供了快速、高效、準確的技術手段。

1 機載激光雷達掃描航測系統

1.1 飛行平臺

機載激光雷達掃描航測系統主要為搭載雙傳感器同時作業的手段進行外業航測，因此對飛行平臺的荷載、速度、航程都要有嚴格的要求，保證航測系統的安全穩定性、高效準確性。本文引用的機載激光雷達掃描航測系統的飛行平臺為云影X5 系列垂起復合翼飛行平臺，飛行平臺的相關參數見表1。

表1 飛行平臺主要參數表

1.2 雙傳感器航測技術

機載激光雷達掃描航測系統主要是同時搭載激光掃描儀和相機傳感技術來完成外業基礎測繪數據的高效獲取，避免了同一測區反復航測帶來的風險高、效率低、成本高等不利影響。機載激光雷達掃描航測系統同時搭載雙傳感器進行數據采集，雙傳感器主要包括激光掃描儀和工業級飛思相機，可同時獲取植被覆蓋下的地表點云數據與正射影像數據。其中激光掃描儀采用的是國內外頂級品牌RIGEL，測距可達920m，測距精度毫米級，同時搭載的PhaseOne 工業級相機，1 億像素，可獲取高分辨率圖像信息。

2 案例應用與分析

2.1 項目概況

秋浦河位于安徽省池州市境內，原名秋浦江，長江中游支流。上源有兩支：一源出仙寓山，二源出祁門大洪嶺，兩源于香口附近交匯，經七里、磯灘、高坦、殷匯，從池口入長江。秋浦河流域綜合治理工程是一項以防洪護岸為主，兼有流域生態修復和沿岸人居環境提升功能的綜合治理項目。其中治理主河道長度108km，各支流長35km。可研階段測量的主要任務是為全工程區施測1∶2000 帶狀地形圖和斷面圖，地形圖面積約90km2，水下占比10.2km2。

2.2 數據獲取

鑒于項目急、工期緊、地形復雜等特點，傳統測量模式無法滿足要求。為了保證數據獲取的高效性及準確性，采用了機載激光雷達掃描航測系統，單架次飛行過程中可同時獲取影像數據和點云數據。根據要求本次共設計23 個架次，航攝分辨率為5cm，航攝重疊度為旁向80%，航向60%，激光雷達掃描頻率為100kHz，飛行高度約400～500m。

2.3 數據處理與成果輸出

2.3.1 影像數據處理

機載激光雷達掃描航測系統數據處理主要包括影像數據處理和點云數據處理，影像數據處理主要采用pix4d 軟件進行影像后處理及輸出，其中關鍵部分在于野外的相控點布設、采集及內業刺點。通過內業數據處理可最終獲得數字正射影像（DOM）與數據高程模型（DEM），其中數字高程模型是基于相片建模產生，無法獲取植被覆蓋下的地表高程。

2.3.2 激光雷達數據處理

雷達掃描數據可通過激光雷達后處理軟件（POSPac 與RiPROCESS）進行點云預處理，后期通過相關點云分類軟件進行點云分類，從而可獲取地表點云數據，獲取的地表點云數據可直接應用基礎測繪地貌處理及相關應用，如直接生成地表高程模型等。內業地形圖繪制可直接利用雷達獲取的植被覆蓋下的地表高程數據。

其中點云數據分類的準確性是內業制圖精度把握的關鍵，需要在分類過程中針對不同的地形采用適合的分類參數，才能準確地分類出地形中的高低植被、建筑物、地表等相關點云數據。平原和丘陵地區可采用通用的分類參數進行分類，但是山區的分類參數需進行特殊的設定。一般主要是對山區進行地形角度預判，然后再根據預判角度進行提升，此外還要對迭代角度、最大建筑物尺寸等相關參數進行設定，通過不斷地疊加設定來確定滿足相關地形分類的最優參數。

2.4 精度分析

航測成果精度的可靠性驗證是重要環節之一，本次主要是利用無人機機載激光雷達掃描航測系統進行了外業基礎測繪信息數據的采集，為了驗證無人機采集數據成果的可靠性，精度檢查的主要技術手段是分別選擇在丘陵、山地以及相對平坦的水泥路面等地形條件下，或在植被分布較為茂密區域、植被分布相對稀疏的區域、以及裸地區域內，借助RTK 測繪技術對檢查點進行均勻采集，裸露的地表采集點主要是檢查相機數據成果精度的可靠性，植被分布茂密區域的檢查點主要是來驗證雷達數據的穿透性及可靠性，另外，通過采集房角、路拐等具有明顯特征點的相關點位數據來驗證影像的平面精度，數據精度統計見表2。

表2 數據精度統計表

通過整體精度分析可知：檢查點的平面中誤差和高程注記點中誤差都分布在允許中誤差范圍之內，超過2 倍中誤差檢查點數都不高于5%。整體平面中誤差為±0.22m，雷達獲取的高程中誤差為±0.16m（該項目高程數據主要采用雷達掃描數據），測圖比例尺為1∶2000，根據相關規范要求，本次機載激光雷達航測系統所獲取的相關基礎測繪信息數據成果滿足地形圖測圖要求。

3 總結

機載激光雷達掃描航測系統應用于水利行業基礎測繪外業數據的獲取已經滿足精度要求。地形圖測繪主要是測繪地形地貌與地物分布及屬性特征，通過無人機載Lidar 系統獲取的點云數據及數字高程模型可方便解決地形地貌測繪問題，地物繪制可直接利用數字正射影像解決，人工進行少量修飾即可。例如，等高線遇建筑物、斜坡等特征地形時需通過人工判別方式進行修飾。通過軟件自動生成等高線結合人工地物繪制基本解決了地形圖的測繪工作。此外，通過機載激光雷達掃描航測系統可同時獲取點云數據與數字正射影像數據，這也提高了外業航測效率。通過此操作方法將測繪模式從全野外測繪轉至到內業測圖結合野外調繪，大大提高了工作效率、保證了測繪精度、降低了外業勞動強度，為水利測繪基礎數據的快速、高效、準確獲取提供了有力的技術支撐與保障■