船載三維激光掃描系統(tǒng)在三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸地形測(cè)量中的應(yīng)用

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443003)

三峽庫(kù)區(qū)屬高山峽谷河段，岸線復(fù)雜、支汊繁多、庫(kù)岸坡陡崎嶇，地面坡度一般在30°以上，部分地區(qū)甚至超過90°。受大壩蓄水影響，庫(kù)區(qū)存在30～40 m落差的消落帶，因河水常年沖刷，庫(kù)岸地形崎嶇不平。使用傳統(tǒng)全站儀測(cè)量手段遷站頻繁且效率低，特別對(duì)于消落帶及陡峭區(qū)，全站儀方法架站困難；免棱鏡方法則受限于儀器最大測(cè)程，且植被密集區(qū)無法獲取真實(shí)地形； GNSS RTK測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)受山體遮擋嚴(yán)重，易出現(xiàn)信號(hào)失鎖現(xiàn)象；航測(cè)技術(shù)空域申請(qǐng)困難，近壩區(qū)屬禁飛區(qū)，且三峽庫(kù)區(qū)屬狹長(zhǎng)帶狀地形，費(fèi)效比低。因此，亟需一種高效率、高精度、低安全風(fēng)險(xiǎn)的測(cè)量手段。船載三維激光掃描系統(tǒng)[1-2]屬非接觸式測(cè)量，具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量速度快、運(yùn)行成本低、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，能有效克服傳統(tǒng)測(cè)量方式在三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)岸地形測(cè)量中的諸多缺點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)組成

船載激光掃描系統(tǒng)[3]是指基于GNSS定位儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)以及三維激光掃描儀等多種傳感器與技術(shù)集成的測(cè)量和信息采集的移動(dòng)平臺(tái)。其主要組成包括：GNSS衛(wèi)星定位模塊、360°高清全景相機(jī)、三維激光掃描系統(tǒng)、總成控制模塊、慣性導(dǎo)航模塊(INS)、一體化剛性平臺(tái)等。

2 測(cè)量原理

船載三維激光掃描系統(tǒng)將三維激光掃描技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、GNSS后處理差分技術(shù)通過時(shí)間配準(zhǔn)和空間配準(zhǔn)的手段結(jié)合起來，最終得到掃描點(diǎn)云的空間位置信息。

2.1 主要關(guān)鍵技術(shù)[3-4]

(1)三維激光掃描儀通過激光脈沖裝置獲得目標(biāo)點(diǎn)在激光掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；

(2)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)通過慣性元件獲得運(yùn)動(dòng)體在IMU坐標(biāo)系中姿態(tài)導(dǎo)航參數(shù)；

(3)GNSS后處理差分(PPK)利用基準(zhǔn)站和流動(dòng)站事后載波相位差分，獲得流動(dòng)站厘米級(jí)的大地測(cè)量坐標(biāo)；

(4)時(shí)間配準(zhǔn)[5]：船載移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)各個(gè)傳感器都有各自獨(dú)立的時(shí)間系統(tǒng)，為使其同步工作需通過GNSS時(shí)間戳進(jìn)行精確時(shí)間同步；

(5)空間配準(zhǔn)[6]：系統(tǒng)中各傳感器采用不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，采集的三維空間信息各不相同。為了對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，需要在多傳感器局部坐標(biāo)系和全局參考坐標(biāo)系間進(jìn)行多坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

2.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

(1)激光掃描儀極坐標(biāo)系到激光掃描坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。根據(jù)激光掃描儀的數(shù)據(jù)解析格式，將激光掃描儀獲取的原始數(shù)據(jù)解析到激光掃描儀極坐標(biāo)系，得到每個(gè)激光點(diǎn)的極坐標(biāo)值(ρ,θ)，然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。設(shè)激光點(diǎn)P的坐標(biāo)為 (xL,yL,zL)，則坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

(1)

(2)激光掃描坐標(biāo)系到IMU坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。主要包括旋轉(zhuǎn)(R)和平移(L)。獲取激光掃描坐標(biāo)系下的激光點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，通過旋轉(zhuǎn)和平移將其轉(zhuǎn)換到IMU坐標(biāo)系下(如圖1所示)。

圖1 激光掃描坐標(biāo)系到IMU坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換示意

平移矩陣L是激光掃描坐標(biāo)系與IMU坐標(biāo)系之間的3個(gè)平移分量ΔRS即(ΔxIL,ΔyIL,ΔzIL)T，可以看成激光發(fā)射原點(diǎn)在IMU坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[7]；旋轉(zhuǎn)矩陣RM是關(guān)于偏轉(zhuǎn)角(α,β,γ)的函數(shù)，激光掃描坐標(biāo)系下的激光點(diǎn)在IMU坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(xI，yI，zI)T可由以下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式得到：

(2)

式中，RM由以下3個(gè)矩陣合并而來：

RM=RγgRβgRα

其中：

旋轉(zhuǎn)之后根據(jù)兩坐標(biāo)系之間的桿臂值L進(jìn)行平移，實(shí)現(xiàn)激光掃描坐標(biāo)系和IMU坐標(biāo)系原點(diǎn)的重合，即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

(3)IMU坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換。GPS天線相位中心與IMU坐標(biāo)系的中心也存在偏心量(ΔxIG，ΔyIG，ΔzIG)，可看成GPS中心在IMU坐標(biāo)系下的坐標(biāo)[8]。

IMU可以測(cè)出傳感器穩(wěn)定平臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，包括橫滾(roll)、俯仰(pitch)和航向(heading)，這3個(gè)姿態(tài)角即為當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系和慣導(dǎo)坐標(biāo)系間的歐拉角[9]。通過實(shí)時(shí)獲取的姿態(tài)角數(shù)據(jù)即可將IMU坐標(biāo)系下的激光點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意見圖2。

圖2 IMU坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換示意

若激光點(diǎn)在當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下的坐標(biāo)為(xLH，yLH，zLH)T，則坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(3)

式中，RN為IMU測(cè)得的姿態(tài)角構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)矩陣，是橫滾角Φ、俯仰角Θ和航偏角Ψ的函數(shù)。計(jì)算公式如下：

RN=RhRpRr

其中：

(4)當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系到WGS84大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平移可轉(zhuǎn)換到WGS84系中。

3 庫(kù)岸地形掃測(cè)

3.1 可行性研究

2014年與2016年，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局在三峽庫(kù)區(qū)壩前河段、兩壩間河段，開展了船載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)在山區(qū)河段應(yīng)用的適用性、可靠性、安全性和高效性試驗(yàn)。試驗(yàn)位置見表1。

表1 試驗(yàn)河段位置

掃測(cè)精度驗(yàn)證共選取73點(diǎn)，包括了建筑物、堤岸特征點(diǎn)和不同密度植被覆蓋區(qū)的地形點(diǎn)。與GNSS RTK方式共點(diǎn)測(cè)量結(jié)果比對(duì)，其點(diǎn)位中誤差、高程中誤差均滿足1 ∶500以下比例尺測(cè)圖要求。使用三維激光掃描系統(tǒng)掃測(cè)植被覆蓋密集區(qū)，存在有效穿透植被性差和提取地面地形點(diǎn)困難等缺點(diǎn)。該系統(tǒng)適用于三峽庫(kù)區(qū)消落帶和河道植被覆蓋稀疏區(qū)掃測(cè)。

在兩壩間河段，還探索了測(cè)深系統(tǒng)與船載三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)集合組成一體化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量河道地形，實(shí)現(xiàn)了庫(kù)岸與水下同步全覆蓋測(cè)量，具有基準(zhǔn)統(tǒng)一、高時(shí)效、低成本、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。為水道地形全覆蓋測(cè)量模式推廣提供了重要的基礎(chǔ)參考。

3.2 庫(kù)岸掃測(cè)及數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集采用中海達(dá)iScan-M船載移動(dòng)三維激光測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量基準(zhǔn)為1954北京坐標(biāo)系、1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，以7參數(shù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集歷時(shí)17 d，掃測(cè)庫(kù)岸地形781 km，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù) 103.1 GB、影像數(shù)據(jù) 302.1 GB。具體內(nèi)外業(yè)實(shí)施流程見圖3，外業(yè)測(cè)量工作見圖4。

圖3 內(nèi)外業(yè)實(shí)施流程

圖4 外業(yè)測(cè)量工作

3.2.1 庫(kù)岸掃測(cè)

(1)基站架設(shè)。選擇三峽庫(kù)區(qū)新增設(shè)控制點(diǎn)架設(shè)GNSS進(jìn)行靜態(tài)采集，采用純靜態(tài)模式為STM設(shè)備提供后差分處理的靜態(tài)數(shù)據(jù)，采集時(shí)間間隔為1 s，截止高度角為10°，并將每天的采集情況進(jìn)行記錄。

(2)IMU對(duì)齊。開機(jī)后首先讓船體進(jìn)行高動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)并對(duì)慣性測(cè)量單元(IMU)進(jìn)行對(duì)齊；慣導(dǎo)對(duì)齊時(shí)船行駛的軌跡、速度、方向以及GNSS信號(hào)狀態(tài)都對(duì)慣導(dǎo)的收斂有所影響。慣導(dǎo)動(dòng)態(tài)對(duì)齊時(shí)按照直線、8字形以及圓形的軌跡進(jìn)行收斂最為快速。

(3)數(shù)據(jù)采集。水上移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)需要設(shè)置的參數(shù)分為主要的激光器參數(shù)和輔助的河景參數(shù)。為了保證點(diǎn)云的精度符合航道測(cè)量的需求，選擇測(cè)距為950 m、垂直分辨率為0.05°、限制船速為7節(jié)(約13 km/h)，可以保證垂直和水平方向的點(diǎn)間距在15 cm。河景的參數(shù)只有按照時(shí)間進(jìn)行拍照，6 s/張，拍照間距約為21 m。

(4)驗(yàn)證點(diǎn)采集。在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻地選取地形特征點(diǎn)，采用傳統(tǒng)RTK手段獲取特征點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，作為船載三維激光精度比對(duì)參照。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

(1)POS解算。利用Inertial Explorer數(shù)據(jù)解算軟件，聯(lián)合基準(zhǔn)站GNSS靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)POS數(shù)據(jù)，通過緊耦合解算模式，解算出高精度的船載軌跡POS數(shù)據(jù)。

(2)參數(shù)求解。根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)的國(guó)家2000坐標(biāo)和1954北京坐標(biāo)求解7參數(shù)并用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合。利用HD DataCombine 3.0軟件，根據(jù)IE解算所得的船載軌跡POS數(shù)據(jù)和求解的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將所測(cè)點(diǎn)云融合成1954北京坐標(biāo)系坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(4)點(diǎn)云編輯過濾。利用HDscene軟件選出和刪除噪點(diǎn)。

(5)影像處理與點(diǎn)云配準(zhǔn)。利用hdPanoFactory軟件將iScan采集的影像數(shù)據(jù)拼接成全景影像數(shù)據(jù)，利用HD_2LS_SCENE軟件對(duì)全景影像數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，方便后期處理成圖時(shí)作為圖像參考。

(6)數(shù)字成圖?；谇迦A山維EPS2012(三維測(cè)圖)數(shù)字測(cè)圖軟件，將三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，勾繪地形圖。

點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)融合見圖5。

圖5 點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)融合

4 精度分析

4.1 誤差分析

船載激光掃描系統(tǒng)是由多個(gè)傳感器高度集成的測(cè)量系統(tǒng)，為了快速獲取高空間分辨率、高精度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)處理方面做了相應(yīng)工作限制誤差累積。

(1)系統(tǒng)集成誤差。采用一體化剛性平臺(tái)，將各個(gè)傳感器集成到穩(wěn)定的機(jī)械裝置內(nèi)，各傳感器間的相對(duì)位置關(guān)系穩(wěn)固可精確測(cè)定；

(2)系統(tǒng)標(biāo)定誤差。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)利用工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行多傳感器系統(tǒng)整體標(biāo)定；

(3)GNSS測(cè)量誤差。采用GNSS后處理差分技術(shù)，利用Inertial Explorer軟件解算出高精度的船載軌跡POS數(shù)據(jù),有效消弱了GNSS動(dòng)態(tài)差分引起的信號(hào)傳播誤差和比例誤差；

(4)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差。采用多源數(shù)據(jù)融合軟件及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)直接融合出1954北京坐標(biāo)系坐標(biāo)，消除點(diǎn)云數(shù)據(jù)二次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換引起的誤差。

4.2 實(shí)測(cè)精度分析

在測(cè)區(qū)內(nèi)按一定間隔、不同反射介質(zhì)提取船載三維激光的特征點(diǎn)共570點(diǎn)，采用GNSS RTK方式同點(diǎn)檢測(cè)。檢測(cè)所用基準(zhǔn)站與激光掃測(cè)所用基準(zhǔn)站不同。檢測(cè)點(diǎn)位中誤差±0.11 m，高程中誤差±0.05 m，滿足規(guī)范規(guī)定允許限差要求，見表2。

表2 測(cè)點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

在精度、效率、作用等方面，船載移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)較傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①滿足大比例尺測(cè)圖要求；②外業(yè)掃測(cè)效率高，高精度的激光點(diǎn)云可直接獲得測(cè)區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)；③拍攝的全景影像數(shù)據(jù)可直接作為地形圖勾繪的參考依據(jù)，可快速生成數(shù)字線劃圖(DLG)。同時(shí)，該技術(shù)也存在以下一些問題：①植被茂密區(qū)域穿透能力不佳；②全景影像數(shù)據(jù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配性有待提高；③植被區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及噪點(diǎn)的快速濾波手段不佳；④掃測(cè)時(shí)遇建筑物、船舶等，其背向側(cè)會(huì)留下空白區(qū)，必須采用其他測(cè)量手段補(bǔ)測(cè)。

總之，船載移動(dòng)三維激光掃描作為一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)在河道測(cè)繪中具有突出的優(yōu)勢(shì)，特別是在山區(qū)河道測(cè)繪中其優(yōu)勢(shì)更為明顯。隨著掃測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、手段逐步完善，其應(yīng)用范圍將更加廣泛。