機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在山區(qū)河道水電工程測繪中的應(yīng)用

林方建

（江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門 529000）

1 山區(qū)河道水電工程測繪方法設(shè)計(jì)

1.1 基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集

在通過激光掃描技術(shù)獲取山區(qū)河道水電工程的激光三維掃描數(shù)據(jù)時，文中采取自動化獲取數(shù)據(jù)方式。在具體的執(zhí)行過程中，使用的儀器設(shè)備包括Station Scan 2激光三維掃描儀、相機(jī)，以及無人機(jī)。其中，Station Scan 2激光三維掃描儀的主要作用是獲取山區(qū)河道水電工程模型繪制所需的數(shù)據(jù)信息；相機(jī)的主要作用是獲取山區(qū)河道水電工程表面的紋理信息，增強(qiáng)測繪效果與真實(shí)感；無人機(jī)的主要作用是為Station Scan 2激光三維掃描儀提供不同數(shù)據(jù)采集角度，確保采集數(shù)據(jù)信息的完整性。在具體的執(zhí)行過程中，山區(qū)河道水電工程激光三維掃描數(shù)據(jù)信息的獲取主要包括三個步驟，分別為控制點(diǎn)布設(shè)、測量控制點(diǎn)坐標(biāo)，以及工程數(shù)據(jù)信息掃描。首先，對于控制點(diǎn)的布設(shè)，文章以保障無人機(jī)在各個掃描位置的獲取數(shù)據(jù)能夠構(gòu)成完整的被掃描工程實(shí)體為目標(biāo)。考慮到原始掃描結(jié)果的數(shù)據(jù)誤差會增加對后續(xù)工程概況繪制拼接階段的誤差，因此，文中在具體的作業(yè)中減少了掃描位置的選擇數(shù)量。在測量控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，對控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)時，采用的工程坐標(biāo)系中，以零方向?yàn)楸狈较颍脽o人機(jī)的飛行狀態(tài)以及所處位置，實(shí)現(xiàn)對控制點(diǎn)實(shí)際平面坐標(biāo)信息的測量，對應(yīng)的高程測量利用了三角高程原理，具體的計(jì)算方式可以表示為：

式中：h表示目標(biāo)工程高程測量結(jié)果，H表示無人機(jī)的飛行高度信息，v表示無人機(jī)的飛行速度，t表示無人機(jī)的飛行時間，α表示無人機(jī)飛行軌跡與水平面之間的夾角。

按照上述所示的方式，實(shí)現(xiàn)對控制點(diǎn)實(shí)際三維坐標(biāo)信息的分析階段，最大限度保障對應(yīng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果的精度能夠滿足實(shí)際的工程測繪要求。

最后就是對工程數(shù)據(jù)信息的掃描，文中以控制點(diǎn)的布設(shè)處為基點(diǎn)，在其周圍架設(shè)黑白標(biāo)靶，將標(biāo)靶作后視點(diǎn)，通過CMO接口連接筆記本和無人機(jī)上的掃描儀。在Cyclone操作框中確定標(biāo)靶與掃描區(qū)域，將其作為機(jī)載激光雷達(dá)的掃描范圍。設(shè)置激光雷達(dá)的光束散發(fā)角度為0.03°（水平）×0.28°（豎直），對應(yīng)的測距精度控制在3 cm以內(nèi)（100 m）。在掃描結(jié)果中，以標(biāo)靶的實(shí)際位置信息為基準(zhǔn)，對所有掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行同比例校準(zhǔn)。其可以表示為：

式中：x（i）、y（i）和z（i）表示機(jī)載激光雷達(dá)采集到的i 目標(biāo)位置信息，x（o）、y（o）和z（o）表示機(jī)載激光雷達(dá)采集到的標(biāo)靶位置信息，x0（o）、y0（o）和z0（o）表示標(biāo)靶的位置信息，x'（i）、y'（i）和z'（i）表示校準(zhǔn)后的i目標(biāo)機(jī)載激光雷達(dá)位置信息。

按照上述所示的方式，實(shí)現(xiàn)對山區(qū)河道水電工程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取。

1.2 山區(qū)河道水電工程模型繪制

結(jié)合上述獲取的山區(qū)河道水電工程數(shù)據(jù)測量結(jié)果，為了保障工程模型繪制結(jié)果的精準(zhǔn)性，文章首先需要對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，針對此，文中采用點(diǎn)云濾波的方式去除原始數(shù)據(jù)的噪聲，之后再利用點(diǎn)云拼接的方式實(shí)現(xiàn)對工程模型的構(gòu)建。需要注意的是，在去除噪聲之前，首先需要對噪聲作出準(zhǔn)確判定。文中高斯濾波法對噪聲的過濾方式如圖1所示。

圖1 高斯濾波法示意圖

按照圖1 所示的方式，結(jié)合采集數(shù)據(jù)信息的高斯分布特征，實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)信息中噪聲數(shù)據(jù)的過濾處理。

在此基礎(chǔ)上，就可以利用過濾后的數(shù)據(jù)，采用點(diǎn)云拼接的方式實(shí)現(xiàn)對山區(qū)河道水電工程模型繪制，需要注意的是，由于原始的數(shù)據(jù)結(jié)果是以分組的形式存在的（具體的分組標(biāo)準(zhǔn)為無人機(jī)在不同位置的采集結(jié)果），因此，不同組數(shù)據(jù)之間可能存在不同程度的重疊。針對該問題，文章對山區(qū)河道水電工程模型拼接的具體實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 山區(qū)河道水電工程模型拼接方式示意圖

在圖2中，SW1表示拼接結(jié)果，按照圖2所示的方式，實(shí)現(xiàn)對同名點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的匹配，文中設(shè)置了三個公共點(diǎn)作為拼接誤差的檢測基點(diǎn)。當(dāng)精度達(dá)到對應(yīng)工程的測繪要求時，則保持當(dāng)前繪制結(jié)果；當(dāng)精度達(dá)不到對應(yīng)工程的測繪要求時，則重新實(shí)施拼接，直到達(dá)到要求。

按照上述所示的方式，實(shí)現(xiàn)對山區(qū)河道水電工程模型的繪制。

2 測試與分析

2.1 測試工程概況

在對山區(qū)河道水電工程繪制方法應(yīng)用效果進(jìn)行分析時，以實(shí)際的工程案例為基礎(chǔ)開展了對比測試，其中，對照組分別采用以無人機(jī)傾斜攝影為基礎(chǔ)的工程繪制方法，以及以無人機(jī)LiDAR為基礎(chǔ)的工程繪制方法。在此基礎(chǔ)上，對測試工程的基本情況進(jìn)行分析，其為山區(qū)河道的電力工程，在施工期間，需要按照實(shí)際的環(huán)境情況搭設(shè)電力塔桿結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的總數(shù)量為166桿，高度為40 m。在此基礎(chǔ)上，分別采用文中設(shè)計(jì)方法以及另外兩種對比方法對其中6個塔桿的施工效果進(jìn)行分析，并采用人工校驗(yàn)的方式對測繪結(jié)果進(jìn)行評價。

2.2 測試結(jié)果與分析

在上述測試環(huán)境的基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)了不同方法對于電力塔桿的測繪結(jié)果，文章以塔桿定端的位置信息為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)得到的數(shù)據(jù)信息如表1、表2和表3所示。

表1 塔桿x坐標(biāo)測試結(jié)果對比表 單位：m

表2 塔桿y坐標(biāo)測試結(jié)果對比表 單位：m

表3 塔桿z坐標(biāo)測試結(jié)果對比表 單位：m

結(jié)合表1、表2和表3所示的測試結(jié)果可以看出，在三種不同測繪方法下，對于測試電力塔桿具體位置信息的測試結(jié)果與人工校驗(yàn)值之間的關(guān)系表現(xiàn)出了較為明顯的差異。其中，在無人機(jī)傾斜攝影測繪方法的測試結(jié)果中，整體并未出現(xiàn)大幅度的誤差，但是整體誤差水平相對較高；在無人機(jī)LiDAR測繪方法的測試結(jié)果中，整體誤差水平表現(xiàn)出了較為明顯的不穩(wěn)定性，最大誤差達(dá)到了2.50 m以上（如5 號測試塔桿的y坐標(biāo)），最小誤差僅為0.02 m（如2 號測試塔桿的z 坐標(biāo)）。相比之下，在設(shè)計(jì)測繪方法的測試結(jié)果中，不僅整體并未出現(xiàn)大幅度的誤差，且整體誤差水平相對較低，始終穩(wěn)定在1 m范圍內(nèi)。

綜合上述，測試結(jié)果可以得出結(jié)論，設(shè)計(jì)的以機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)的山區(qū)河道水電工程測繪方法可以實(shí)現(xiàn)對工程具體情況的精準(zhǔn)測繪。

3 結(jié)語

借助機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在數(shù)據(jù)的采集與處理方面的優(yōu)勢，可以最大限度提高山區(qū)河道水電工程施工環(huán)境質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)測繪結(jié)果的可靠性，以此為基礎(chǔ)的測繪方法也將為相關(guān)工程的綜合設(shè)計(jì)和施工提供良好的指導(dǎo)價值。為此，文章提出機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在山區(qū)河道水電工程測繪中的應(yīng)用研究，在提高山區(qū)河道水電工程測繪工作執(zhí)行效率的同時，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了對山區(qū)河道水電工程測繪工作質(zhì)量的全面提升，對于山區(qū)河道水電工程相關(guān)定位工作的開展，以及地質(zhì)條件勘測工作的有效進(jìn)行提供了幫助。