移動背包三維激光掃描系統在陡岸水庫測繪中的應用
——以白鶴灘水電站庫區典型河段為例

葉 飛, 張世明, 孫振勇, 鄭亞慧, 師義成

(1. 武漢天寶耐特科技有限公司,湖北 武漢 430043; 2. 長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局,重慶 400020; 3. 長江水利委員會水文局,湖北 武漢 430010; 4. 中國三峽建工(集團)有限公司,四川 成都 610095)

水文泥沙監測作為水利水電工程一項基礎性工作,主要工作內容有河道固定斷面觀測、水庫庫岸和水下地形觀測、攔門沙等各項水文泥沙因子監測等,可提供長時序、全要素的水庫地理信息和水文水情基礎數據,為水利工程建設、水庫泥沙淤積觀測、水庫排沙、水庫調度、水資源管理、防洪、航道整治與保護等工作發揮著重大作用[1]。水文泥沙監測工作具有觀測時機集中、精度要求高、時效性強等要求[2]。金沙江流域下游梯級水庫群河道屬于山區峽谷地貌,地形陡峭,坡度較大,河道寬約數十米至數千米,河道蜿蜒復雜,植被覆蓋率高,通視條件差,傳統人工走測困難,效率低、成本高、風險源多,水庫庫岸地形信息監測難度較大[3-7]。

為提高水文泥沙監測庫岸地理信息外業測繪效率和數據精度,本文以金沙江下游梯級水電站白鶴灘庫區典型河段為研究對象,開展移動背包式三維激光掃描系統的驗證測試。通過人工背載走測、搭乘測船繞測等方式采集邊坡點云,使用高精度檢驗點進行精度分析,從數據精度、作業效率、安全性等維度,綜合驗證移動背包三維激光掃描系統在水文泥沙監測中的適用性[8-10]。

1 移動背包三維激光掃描系統

移動背包三維激光掃描系統(backpack laser scanning,BPSL)主要由高精度GNSS、慣導IMU、高分辨率相機、控制平板和背負設備構成。通過將SLAM與GNSS結合,可在多種復雜地形、弱信號條件下快速、便捷、低成本地采集目標物體的三維點云數據[11-15]。數據還可在手機等移動端實時顯示,實現邊采集邊查看,掃描完成即可導出采集點云數據和運動軌跡。系統硬件設計輕巧便捷,還可以通過手持、騎行、車載、船載方式輕松進行采集數據。在數據采集過程中即走即測,測量技術人員經過的地方都能獲取數據,適用性強。軟件系統含數據解算軟件和點云數據處理軟件,可快速生產高精度賦色點云數據及影像,點云處理軟件支持數據配準、分割與合并、點云分類、點云抽稀等功能。本文試驗設備主要參數見表1。

表1 移動背包三維激光雷達掃描系統主要參數

2 白鶴灘水電站庫區試驗

為驗證移動背包三維激光掃描系統在水文泥沙監測中的適用性,測試其工作效率和數據精度,本文選取了白鶴灘庫區巧家河段選擇代表性的地形區域進行驗證測試。地形區域位于金沙江下游梯級水電站白鶴灘庫區,壩址上游30～35 km,右岸為云南省巧家縣,左岸為四川省涼山彝族自治州寧南縣境內。測區海拔約700～900 m,既有高山地、山地,也有平緩地段,地貌涵蓋樹林、灌木叢、草地、耕地、道路、人工構筑物等,具有代表性。

2.1 數據采集

(1)對試驗區域內碼頭、道路、樹林地、消落帶分別進行人工走測,共進行6次數據采集,計劃數據采集總時長1 h,掃描面積約0.2 km2。

(2)選擇試驗區垂直河流方向進行人工走測,進行一次數據采集,計劃數據采集總時長20 min,保證河道斷面的點云數據抽取數據完整。

(3)選擇試驗區域內四川省寧南縣境內,金沙江干流與支流黑水河匯合口處蛇島,技術人員背負移動背包三維激光掃描系統,搭乘沖鋒舟或者專用測船,保持激光雷達掃描系統視場角開闊,采集孤島礁石蓄水位以下的消落帶地形,完成兩次繞島數據采集,計劃數據采集時長30 min。

試驗區同時采用RTK、地面激光掃描系統和機載LiDAR獲取比對數據,試驗情況如表2、圖1所示。移動背包三維激光掃描系統試驗外業數據總時長2 h,掃描有效面積為0.3 km2;點云106 783 098個;創建作業全景視頻6份。

圖1 不同場景的數據采集現場

表2 比對試驗情況

2.2 數據處理

視頻原始數據由軟件自動解算拼接完成,得到全景視頻文件。解算點云數據主要包括點云賦色、GNSS數據平差(如果有)、坐標系配置、高精度點云解算、點云數據分類和點云數據濾波。一般的,軟件電源解算流程默認為GNSS+SLAM,可解算生成具有真實地理坐標的高精度點云數據。點云分類可使用“一鍵”提取點云類別功能,直接將點云數據分類成地植被、水體、建筑物等類別,利用該功能即可剔除不需要的點云數據(如植被、橋梁等)。

金沙江庫區主要為裸露巖石地形地貌,消落帶庫岸地形的點云分類和點云處理相較于其他測量顯得極為便捷。點云濾波主要對稀疏植被、橋梁、懸空地物(碼頭構筑物)進行處理,其中,稀疏植被可結合賦色影像由軟件自動處理,其他人工建筑物需要人工干預處理,且賦色點云對于勾繪地物更為直觀。本文試驗區域的內業效率與傳統作業效率因地形不同各有優劣,林地稍劣,碼頭相當,消落帶和蛇島區域則明顯優于傳統作業手段,不再詳述。碼頭區域點云數據處理前后效果如圖2所示。

圖2 點云數據賦色與點云數據濾波效果(碼頭)

2.3 工效對比分析

試驗區域同時采用了其他常規測量方法進行觀測,對比見表3。

表3 外業工作時長統計對比 min

由表3可得,移動背包三維激光掃描系統在作業效率上優勢明顯,人工走測相較于全站儀或RTK測記法最大提高了3.75倍,乘坐測船繞測則提高了5.25倍。金沙江庫區氣象時空變化劇烈,白鶴灘水庫一年內有200余天為大風天氣,基本涵蓋了汛前、汛后所有觀測時機。峽谷地形加劇了強風切變帶來的影響,考慮安全和成本,無人機機載激光雷達測繪并不適用。直升機等大型機載雷達測繪效率高,可用于全庫長河段地形監測,但對于碼頭、攔門沙監測、近壩區監測等局部地形而言,前期空域報備時間長、飛行成本太大。移動背包三維激光掃描系統的機動性正好彌補了上述不足。

3 數據分析

精度評定采用移動背包三維激光掃描系統與常規方法獲取數據進行比較,并計算中誤差。精度比測內容包括地物特征點的平面和高程誤差,隨機高程點的高程中誤差、截取斷面擬合程度與面積較差。

3.1 平面精度分析

將點云數據與常規方法獲取的地形圖進行融合,選取測區內的花壇、路燈、砼坡、道路邊線等特征物分別提取點云數據和碎部點進行比較,統計差值并計算中誤差。特征物平面共選取213點,經統計計算最大差值為0.063 m,最小值0.009 m,平均值為0.029 m,中誤差為0.024 m,如圖3所示。

圖3 點云平面精度統計(碼頭)

3.2 高程精度分析

隨機均勻選擇測試區域內高程碎部點數據,在融合圖上隨機選取點,拾取半徑小于0.1 m。統計兩者的高程差值并計算中誤差。樹林地點云高程較差精度統計如圖4所示,經統計計算最大差值為0.013 m,最小值0.005 m,高程中誤差為0.044 m。

圖4 點云高程精度統計(林地)

3.3 斷面精度分析

在點云數據文件上按離差0.1 m范圍提取點云數據生成斷面,與傳統方法測得斷面進行比較,面積相對較差分布如圖5所示。共統計斷面392個,各斷面面積較差均小于2%,相對面積較差為0.24%,小于規范技術要求[16]。

圖5 斷面面積相對差分布

4 結 語

試驗結果表明,采用移動背包三維激光掃描系統平面中誤差為0.024 m,高程中誤差為0.044 m,相對面積較差為0.24%,滿足水文泥沙監測的測量精度要求,但在高程精度上仍然存在一定的誤差。可在以下兩個方面提高測量精度:一是盡量縮短測量距離,限制在背包式激光雷達掃描系統的標定量程50%以內為宜;二是針對地物地貌單一的消落帶區域,可增設靶球、覘牌等特征物,提高點云配準精度。

采用移動背包三維激光掃描系統進行庫岸地理信息監測,外業效率是常規觀測方法的2～5倍。背包式激光雷達掃描系統尤其適合橋梁、狹窄道路、喬木林側作業,是對地面三維激光掃描測量的一種較為有效的補充手段。

此外,考慮水庫蓄水后江面加寬,大風大浪天氣常態化,背包式激光雷達掃描系統可以有效彌補傳統對岸觀測作業和機載激光雷達測繪作業的不足。作為一種非接觸式測量技術,具有更高的安全性,可有效高陡邊坡走測困難的問題。