機(jī)載激光雷達(dá)在大型水利工程渣場平整中的應(yīng)用

王 連 超， 桑 潁 葛， 郭 建 中

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

通常，水利工程建設(shè)的土石方量和棄渣量非常巨大，其棄渣場的面積和等級均較大。渣場場地平整前，需要依據(jù)地形數(shù)據(jù)計(jì)算出平整高程及挖填平衡方量。而傳統(tǒng)的地形測量多以RTK和全站儀相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1]，作業(yè)過程中，測量人員必須徒步采集地形特征點(diǎn)，但因測區(qū)地形復(fù)雜、植被茂密，人工測量不僅存在作業(yè)困難、人員安全問題，而且所采集的數(shù)據(jù)精度低、密度小，不能全面反映出測區(qū)的實(shí)際地形。低空攝影測量的方法雖然能快速獲得測區(qū)的三維數(shù)據(jù)[2]，但受地表植物影響，亦不能獲得準(zhǔn)確的地面高程數(shù)據(jù)，從而影響到后期計(jì)算的精度。而無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠應(yīng)對上述測量環(huán)境中的不利條件，其具有一定的穿透性，能透過植被干擾得到地面高程信息、快速靈活地獲取精度較高的地形數(shù)據(jù)，從而為后期的計(jì)算工作提供保障。

引江濟(jì)淮工程(安徽段)引江濟(jì)巢段菜巢線C003-1(河渠)標(biāo)位于引江濟(jì)淮工程菜子湖線路，區(qū)間總長度為16 km。工程主要施工內(nèi)容包括兩岸堤防填筑施工、渠道土方開挖施工、沿線渠系建筑物施工以及渣場水土保持施工等。其中5號渣場位于左岸，占地總面積近191萬m2，其為平鋪型渣場，現(xiàn)狀地面高程為13～21 m，堆渣分布不均，整體呈現(xiàn)為“北高南低、東高西低”的態(tài)勢。根據(jù)工程規(guī)劃要求，渣場主要用于棄渣堆放以及土方填筑施工的取土，在堆渣過程中，對其實(shí)施相關(guān)的水土保持工作。渣場的水土保持工作主要包括：表土剝離與回覆、臨時(shí)截排水、擋渣土堤、渣場平整、綠化種植等。闡述了如何結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在5號渣場后期平整環(huán)節(jié)提出的一種快捷高效技術(shù)，并經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了其可行性。

2 無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)屬于一種主動式直接測量系統(tǒng)，其將全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)、激光測距技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，利用發(fā)出和回收的激光脈沖信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件處理，能夠快速獲取地面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)[3，4]。機(jī)載激光雷達(dá)屬于一種激光掃描儀，在其飛行過程中連接到飛機(jī)上，創(chuàng)建出一個(gè)3D點(diǎn)云地形模型。這是目前替代數(shù)字?jǐn)z影測量法最詳細(xì)、準(zhǔn)確的創(chuàng)建數(shù)字高程模型的方法。與攝影測量法相比，機(jī)載激光雷達(dá)的一個(gè)主要優(yōu)勢是能夠從點(diǎn)云模型中濾除植被反射，從而創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字地形模型。與傳統(tǒng)測量方式相比，其優(yōu)點(diǎn)更突出。機(jī)載激光雷達(dá)的運(yùn)用對我國工程測量行業(yè)具有重要的意義，能夠進(jìn)一步促進(jìn)該行業(yè)的快速發(fā)展[5]。

隨著無人機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)的性能和穩(wěn)定性不斷提高；與此同時(shí)，激光雷達(dá)設(shè)備也逐漸向輕小化發(fā)展，兩者的結(jié)合使激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的途徑更加快捷靈活，成本亦更低。闡述了借助無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)提出的新的渣場平整測量計(jì)算方案，其具體的技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

3 渣場場地平整土石方量測量的計(jì)算流程

3.1 數(shù)據(jù)采集

在設(shè)計(jì)外業(yè)航測飛行路線時(shí)，遵循安全、經(jīng)濟(jì)、高效的原則，以項(xiàng)目成果數(shù)據(jù)精度要求為目標(biāo)，充分分析了測區(qū)的實(shí)際情況，包括測區(qū)的地形、地貌、機(jī)場位置、已有控制網(wǎng)情況、氣象條件等影響因素，結(jié)合LiDAR測量設(shè)備自身特點(diǎn)，如航高、航速、相機(jī)鏡頭焦距及曝光速度、激光掃描儀掃描角、掃描頻率及功率等，同時(shí)考慮航帶重疊度、激光點(diǎn)距、影像分辨率等，選擇最為合適的航攝參數(shù)，為獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)技術(shù)保障。通過踏勘了解到5號渣場的地形和空域情況：渣土堆放不均勻且灌木雜草叢生。根據(jù)實(shí)際精度要求及硬件設(shè)備參數(shù)，在保證安全的前提下，制定出合理的飛行方案。本次航測航高為120 m，航速為8 m/s，點(diǎn)云重疊率為60% 。測區(qū)局部三維地形見圖2。

圖2 測區(qū)局部三維地形圖

鑒于渣場周邊已有西安80坐標(biāo)系控制點(diǎn)成果，故采用GPS-RTK 對控制點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)核并求解出測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將轉(zhuǎn)換殘差控制在 3 cm 以內(nèi)，為后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。在測區(qū)內(nèi)均勻選取平坦地面，采集檢核點(diǎn)用于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后檢核點(diǎn)云精度以確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量及精度。

在測區(qū)已知控制點(diǎn)上架設(shè)基站，GNSS基站的開機(jī)時(shí)間一定要早于無人機(jī)啟動時(shí)間；采用靜態(tài)觀測模式設(shè)置，將航飛參數(shù)輸入無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，通過低空激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，對航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，確保航飛數(shù)據(jù)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效性及完整性。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將GNSS基站、GNSS流動站、IMU 數(shù)據(jù)進(jìn)行組合導(dǎo)航解算，得到高精度的航跡文件。將航跡文件與激光原始文件相結(jié)合，解算出點(diǎn)云數(shù)據(jù)并對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系。

利用Terrasolid對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理、粗分類，初步將地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)分離。粗分類實(shí)現(xiàn)的是將地面與非地面大概的分離(對于復(fù)雜地形不可能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無誤)，需要對粗分類的結(jié)果進(jìn)行人工檢查和修改，這一步稱為細(xì)分類。檢查修改的內(nèi)容主要為兩類：(1)應(yīng)該保留在地面層中的點(diǎn)被粗分類到非地面層，對此，需要手動返回到地面層中；(2)需要分類掉的點(diǎn)(植被、建筑物、交通設(shè)施、橋、小物體等)未粗分類干凈、徹底，需要手動分類干凈。

為了對點(diǎn)云有更直觀的判別及分類，將采集到的航測照片結(jié)合通過軌跡解算后獲取的高精度影像 pos，采用航測軟件Pix4D 免像控工藝生產(chǎn)正射影像。參照正射影像，經(jīng)過細(xì)分類后導(dǎo)出LAS格式的可視化的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)見圖3。將采集到的檢核點(diǎn)作為真值與地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，總檢核點(diǎn)數(shù)為58個(gè)，誤差絕對值的最大值為3.5 cm，誤差絕對值的最小值為0 cm，計(jì)算出中誤差為±1.9 cm，地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)符合相關(guān)應(yīng)用精度要求。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖

3.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)求出渣場平整高程及平衡挖填方量。機(jī)載激光雷達(dá)產(chǎn)生的點(diǎn)云是以離散、不規(guī)則方式分布在三維空間中的點(diǎn)的集合。由于點(diǎn)云密度大，數(shù)據(jù)量亦非常大，采用傳統(tǒng)的工程測繪軟件處理速度非常緩慢甚至無法運(yùn)行；而柵格數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，便于空間分析和地表模擬，操作運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此，可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行運(yùn)算。

ARCGIS是一款處理地理信息數(shù)據(jù)的軟件，由于其具有強(qiáng)大及全面的地理數(shù)據(jù)處理功能而在許多行業(yè)中被應(yīng)用，作為地理相關(guān)的測繪行業(yè)尤其如此。該方案利用ARCGIS，將LAS格式的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，然后使用表面體積工具，設(shè)置高程為0的參考平面，求出參考面與地面之間的體積V，查詢渣場區(qū)域在參考平面上的投影面積S，可以求出平整高程h=V/S，然后將高程h作為參考面，計(jì)算出參考面以上與地面之間的體積即為挖方量，而參考面以下與地面之間的體積則為填方量。在編制施工計(jì)劃及方案時(shí)，還可以將渣場劃分為若干塊，采用相同的方法分別計(jì)算挖填方量，結(jié)合整體得出最優(yōu)土石方調(diào)配方案，從而能夠更為合理地編制出機(jī)械設(shè)備資源配置計(jì)劃。

4 結(jié) 語

詳細(xì)介紹了大型渣場場地平整前快速獲取地形數(shù)據(jù)的方法以及計(jì)算平整高程和挖填方量的解決方案。該方案應(yīng)用無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)用于計(jì)算平整高程及挖填方量，相較于傳統(tǒng)方法，該方案具有作業(yè)速度快、勞動強(qiáng)度低、獲取結(jié)果精度高等優(yōu)點(diǎn)。

在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用過程中可以看出：機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)改變了傳統(tǒng)單點(diǎn)測量方法為點(diǎn)陣測量方法，使數(shù)據(jù)采集過程具有高效、高精度的特點(diǎn)。能夠提供掃描測區(qū)表面的海量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可用于獲取高精度、高分辨率的數(shù)字地形模型，由此可以看出：無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)技術(shù)在水利工程測繪領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。