機載LiDAR在山區水庫劃界應用中的關鍵技術分析

于 強，文 彬

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003）

1 總體技術路線

針對山區水庫地形條件復雜特點，利用無人機主被動遙感技術，獲取測區高分辨率光學影像及激光點云數據，同時充分利用正射影像的豐富光譜信息和點云數據的高精度三維坐標信息，制作高精度DEM，基于DEM 和DOM 實現水庫的管理范圍與保護范圍精確劃定。總體技術路線如圖1所示。

圖1 機載LiDAR水庫劃界技術流程圖

2 數據處理關鍵技術

2.1 儀器檢校

2.1.1 相機檢校

目前無人機遙感系統使用多數為非量測數碼相機，非量測數碼機的內方位元素和畸變系數未知，且不夠穩定，不能直接進行像位的解析計算，因此在使用前需要對其進行嚴格的檢校。所采用的相機幾何成像模型和畸變校正模型如公式（1）所示：

2.1.2 LiDAR掃描儀檢校

①讀入檢校場激光點云數據，并坐標轉換。②選取各條帶間的同名點，反復計算視準軸偏差值Roll、Pitch 和Heading，生成新LAS 文件并檢查，滿足精度后輸出reg 格式檢校文件。③利用視準軸檢校修正后的參數重新計算激光點云LAS 文件。④利用實測的激光控制點計算Range Offset 值，進行距離檢校。⑤距離檢校完成后，進行Torsion 與Pitch error slope 檢校。⑥整個測區，據實地檢測高程點進行Elevation offset 修正。⑦計算最終激光點數據的絕對高程誤差。

2.2 點云數據處理

①點云航線解算。利用無人機獲取的地面基站GPS 和無人機載GPS數據融合差分解算，從而確定飛行軌跡，為后續航帶的拼接、精度檢查提供數據支持。②點云誤差剔除。激光點云原始數據中存在異常點，即遠大于飛行高度或測距值很小的異常數據，需要剔除。③激光點云的坐標解算。通過對無人機GPS軌跡數據、慣導姿態數據、激光測距數據，以及激光掃描鏡的側擺角度數據進行融合處理，計算出各激光點的X、Y、Z坐標數據。④坐標轉換。POS定位系統所提供的位置為WGS-84坐標系，需要利用七參數轉換至目標坐標系。⑤航帶接邊。利用無人機同步獲取的高分辨率影像可以消除航帶系統誤差，提高航帶相鄰區域數據的精度，滿足相鄰航帶地物間的連貫性。⑥數據濾波。原始點云數據中包含屬于不同對象的點，需要通過濾波處理把地面點與非地面點區分出來。⑦點云內插。點云經濾波處理后，在激光雷達未獲取到數據的位置，如建筑物底部，會出現點云缺失問題。因此，可以將對應位置地面點的高程作為該位置的高程，從而建立完整的數字高程模型。

2.3 正射影像修正

由于航空影像中高架橋等產生的投影差較大，按上述生成的DEM 仍存在較大誤差，導致鑲嵌后的正射影像中存在明顯的幾何結構錯位問題，影響正射影像圖精度。針對上述問題，采用了一種基于OESM（Orthoimage Elevation Synchronous Model）模型的高分辨率航空影像鑲嵌修正方法，對制作出的DOM修正，使其符合成圖精度要求。

OESM是利用數字高程模型、數字表面模型及正射影像對應的外方位元素，根據共線條件方程解算出與當前正射影像同步的可量測高程模型。利用OESM模型，根據測區內主要高大建筑物類型特點，標識出正射影像中高架橋等地物，檢測一條完全避開高大建筑物的路徑，完成正射影像的鑲嵌修正。

2.4 高精度DEM制作

2.4.1 基于光譜特性的點云優化濾波方法

激光雷達點云包含精確的坐標信息，無人機影像包含豐富的紋理信息，將兩者轉換到同一坐標系下，可以實現點云與影像的快速融合。對于點云數據中的一點V，假設其平面坐標為（xV，yV），則點V在影像中對應的點坐標可以根據下式計算得到：

激光雷達點云密度較小，得到點云在影像中對應的平面位置后，可將該位置點的光譜信息賦予點云，使得點云數據既具有高精度的三維坐標信息，又包含地物的光譜特征信息，從而提高點云數據的可讀性，確保后續點云分類準確性。

獲取到包含RGB光譜信息的點云數據后，依據公式（3）計算該點的歸一化植被指數nEGI，從而區分植被點與非植被點。點云經過歸一化處理后，會增強植被點的信息，根據測區實際情況，經反復實驗，設置nEGI 閾值為0.2，大于0.2 的為植被點，小于或等于0.2的則為地面點。

式（3）中：R、G、B分別表示每個點的對應波段光譜值。

2.4.2 高精度DEM構建基于光譜特性信息濾波得到的地面點云數據內插構建三角網，格網間距0.50 m，柵格化獲取高精度數字高程模型。

3 水庫劃界應用

（1）水庫管理范圍與保護范圍線劃定。水庫庫區管理范圍按照遷賠高程劃定，保護范圍按照校核洪水位高程劃定，利用制作的DEM 提取管理范圍高程線和保護范圍高程線，劃定出水庫庫區管理與保護范圍。（2）工程管理區管理與保護范圍線劃定。管理范圍以實際管理邊界為準，實地采集劃定，保護范圍線不再單獨劃定。（3）特殊情況下的管理與保護范圍線劃定。①針對庫區局部闊葉林茂密區域因激光點云數據量少導致精度不滿足劃界要求問題，采用GPS-RTK 配合全站儀進行高程值放樣獲取管理與保護范圍線上各點的位置數據。②需按平面位置劃定管理與保護范圍的區域，按劃界標準和原則確定。③實際管理范圍大于按標準劃定的管理范圍時，按實際管理范圍劃定。對于已經劃定的管理范圍、保護范圍大于上述標準的，不再進行變更；小于上述標準的，按以上標準重新劃定。

4 結語

利用機載LiDAR 進行水庫劃界的方法，充分利用正射影像豐富的光譜信息和點云數據高精度三維坐標信息，制作高精度DEM，實現五個水庫的管理范圍與保護范圍精確劃定，發揮了低空無人機遙感技術高精度、高效率優勢。