淺談機載激光雷達技術在水利工程測量中的應用

朱萬虎

(廣東珠榮工程設計有限公司，廣州 510610)

1 概述

水利工程測量貫穿于水利工程勘察、建設、運營全過程。在勘察階段需提供高精度地形圖，建設施工階段需精密放線及土方測量，運營階段需進行變形監測。目前傳統水利工程測量還是用全站儀進行放線、監測，RTK進行地形測量，傳統測量中需配置大量的人力物力，作業效率低，工作時間較長，并受地形環境因素影像較大，為測量工作帶來許多困難。隨著科技的發展，無人機特別是低空無人機已經慢慢走向各行各業。低空無人機操作簡單、易學易掌握、對天氣和起飛降落場地要求低、智能化程度高[1]，在無人機上搭載激光雷達不僅能獲取清晰的影像還能獲取高密度地面三維點云，真實還原地貌特征。

國內諸多測量工作以項目為載體，圍繞機載激光雷達進行了研究，如付偉鋒[2]以河道堤防測量為列闡述了固定翼搭載激光雷達在河道堤防測量中的應用；凌晨陽[3]等在施工土方測量中分析了機載激光雷達技術在復雜地形土石方測量中的應用；劉圣偉[4]等以滑坡監測為例研究了機載激光雷達技術在長江三峽工程庫區滑坡災害調查和監測中的應用；王偉鵬[5]等以森林調查為列闡述了機載激光雷達在森林資源調查中的應用與展望；王珂[6]以電力線測繪為列闡述了機載激光雷達技術在電力工程測繪中的應用；余鑄[7]等在大區域機載激光雷達森林資源調查監測中,通過冠層垂直結構分類后建模有助于提高森林參數估測精度；呂富強[8]等基于密度噪聲應用空間聚類算法的機載激光雷達建筑物點云提取與單體化；李紅林[9]分析了機載激光雷達在河流調查中的應用。綜上所述，機載激光雷達技術已應用于各行各業，其成果是穩定可靠。相對于河道堤防、施工土方測量、滑坡監測等測量場景植被覆蓋相對稀疏，本文研究的海南省南渡江谷石灘水電站增建魚道測量項目樹林茂密，地貌復雜，并且采用大疆禪思L1激光雷達進行機載掃描測量，解決現場測量更多的問題，所積累的經驗更具有參考與借鑒價值。

2 機載激光雷達測量技術概述

機載激光雷達系統集成了GNSS、IMU、激光掃描儀、數碼相機等光譜成像設備。其中GNSS提供實時定位服務，IMU提供高精度慣導，激光掃描儀利用返回的脈沖可獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，數碼相機能獲取高清晰的影像資料，最后經過軟件系統處理而得到沿一定條帶的地面區域三維點云與成像結果[10]。

機載激光雷達是主動發射激光，探測地物回波特征而確定地表的信息數據，不受天氣及太陽光照影響，理論上可以進行24 h不間斷數據采集，對于應急和氣象條件差的地區的作業比較有利，并且激光能夠穿透薄的云霧，獲取目標信息,其激光腳點直徑相對較小，具有多次回波特性，能夠穿透枝葉間的細小空隙，得到樹干、樹枝、地面及地面低矮植被等多種高程數據，有效克服植被影響，精確探測真實地形地面的信息。

3 機載激光雷達技術在水利工程測量的實踐應用

水利工程測量中測區一般地形起伏大、植被茂密，特別是水庫、電站工程一般都修建在人煙稀少地區，傳統外業測量難度比較大，危險源比較多，如何保證質量與安全的情況下完成工程測量任務，需要采用新技術新手段，機載激光雷達是最好選擇。以海南省南渡江谷石灘水電站增建魚道測量項目為例，闡述機載激光雷達技術在水利工程測量的應用。

本項目主要測量內容為1/1 000谷石灘水電站及周邊地形測量,測區面積為1.5 km2，植被覆蓋茂密大部分為15 m高橡膠林，測區最大高差為100 m，地形最大坡度為70°，項目上采用大疆M300無人機搭載大疆激光雷達禪思L1鏡頭進行機載掃描測量(如圖1所示)。

圖1 大疆M300無人機搭載激光雷達禪思L1鏡頭示意

3.1 航飛準備

無人機激光雷達航測在作業前要對測區范圍進行巡視，檢查高壓線，地形起伏等情況，然后進行航線規劃、相控布設及測量。本測區地形起伏較大，為保證數據精度均勻采集數據時需要仿地飛行，應提前用攝影鏡頭先飛一個粗略的DSM影像，為后續仿地飛行中規劃航線做準備，本項目用大疆P1鏡頭，航線高度200 m先進行地面攝影測量，再用大疆智圖快速處理生成帶粗略高程數據的DSM影像為無人機仿地飛行做準備。大疆M300在平面上可進行免相控作業，但高程上暫還不能保證精度，還需地面做少量地面相控點控制精度，本項目相控均勻分布測區，大概間距為500 m，地面噴繪“L”形，測量采集外角。

3.2 航飛數據采集

現場航飛時選好合適的起飛點主要保證遙控器和飛機的通訊信號，由于激光雷達原理是激光回波，與普通航測不一樣不局限于關照強度，陰天和晚上都可以起飛。在選好起飛點后首先遙控器上規劃航線，本項目航線參數設置為仿地航高90 m(L1鏡頭根據其性能航高一般設置為80～120 m)，航速為8 m/s(一般不超過10 m/s)，重疊率50%(平原地區重疊率可降低)，遙控器中雷達參數回波模式設置為三回波(多回波穿透效果更好)，采樣頻率設置為160 kHz，掃描模式為重復掃描，模型上色功能打開。遙控器規劃航線時可同時打開飛機電源鍵，飛機上的RTK模塊盡早得到固定解，飛機掛載的雷達禪思L1鏡頭需靜置5 min進行預熱。由于本次執行的是仿地任務，航線高度可能比起飛點高度還低，為確保安全需先手動操作無人機飛行至安全高度再上傳任務，飛機按照規劃航線自動完成航線任務并在航線起始點進行慣導校準(見圖2)，飛行時注意遙控器與飛機的通訊，并時刻觀察雷達L1鏡頭實時采集的點云數據是否正常。

圖2 無人機航線規劃示意

3.3 數據處理

飛行任務完成，將鏡頭里的SD卡取出，在電腦中讀取DCIM的文件，打開大疆智圖軟件，在新建任務里選擇激光雷達點云處理，添加飛機導出的文件，選擇工程項目的坐標系，在參數設置中要打開點云精度優化，重建結果選擇las及PCD格式，然后點擊開始處理，等待點云成果生成(見圖3)，藍色部分為第1次回波，綠色部分為第2回波，紅色部分為第3次回波，可以看到3次回波將樹木茂盛的地區地面絕大部分都反射了出來。

將大疆智圖生產的las文件導入到數字綠土LiDAR360軟件中對數據進行濾波、去噪，并利用前期做的相控進行坐標、高程的轉換，獲取每一個激光點正確的空間坐標，根據現場地形實際情況設置合理的地面點提取參數，根據規范的成圖規定自動生成所需高程點及等高線，將大疆智圖生產的PCD點云文件導入山維科技EPS三維測圖軟件進行建筑物及地物的繪制，導出來的數據統一在CAD軟件編輯處理即可完成1幅完整的數字化地形圖(見圖4)。

圖3 機載雷達掃描的3次濾波數據示意

圖4 谷石灘水電站局部地形示意

3.4 平面精度分析

根據《水電水利工程測量規范》規范，應用全站儀進行實地采集建筑物輪廓點數據與機載激光雷達生成的地形圖上建筑物輪廓位置進行對比分析(見表1～表2),由表1和表2可見，激光雷達數據平面精度滿足規范要求[11]。

表1 水電水利工程測量規范地形圖上地物點

表2 激光點平面位置精度統計 cm

3.5 高程精度分析

根據《水電水利工程測量規范》規范，用全站儀進行實地數據采集硬質裸露地形點及山地樹林下高程點與機載激光雷達生成的地形圖上高程點進行對比分析(見表3～表4)，由表3和表4可見，激光雷達數據高程精度滿足規范要求[11]。

表3 水電水利工程測量規范高程注記點精度 m

表4 激光點高程精度統計 m

3.6 項目總結

本次完成1/1 000谷石灘水電站及周邊地形測量約面積為1.5 km2，投入人力為2人，時間為2 d，工程車1輛。若采用傳統RTK結合全站儀進行地形測量，投入2人，完成時間約需10 d。從工作效率上比較，機載激光雷達的效率比傳統測繪至少高了5倍；從測繪人員安全比較，本項目測區樹林中毒蜂、毒蛇、山螞蝗較多，環境惡劣，采用機載激光雷達技術大大降低了測繪外業危險系數。

4 結語

水利工程測量中，機載激光雷達技術只需少量地面控制即可完成定位，節省了大量外業工作量且減少了外業安全隱患，對于無人區等困難區域的數據采集非常有利并且處理數據的軟件自動化程度都很高，只需要極少時間和少量人工編輯就能完成。從目前技術能力和生產實踐來看，機載激光雷達技術能夠滿足生產1∶1 000 比例尺及一些平原地區更大比列尺的產品精度要求，但山區及一些隱蔽點要求10 cm以下乃至毫米級的精度，對于機載激光雷達技術而言實現還比較困難，山區植被對激光的穿透性有一定的影響，相對航高一樣的情況，植被越密集的地方，地面上的激光點越少，反之就越多，地面激光點越多成圖精度也就越高[12]，項目生產中一定要根據雷達鏡頭的參數及樹林的茂密程度選擇合適的航高進行掃描測量。