船載三維激光掃描系統(tǒng)在西部重要高原湖泊測量中的應用研究

黃 童，全小龍，李 騰，簡 弈

（長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌 443003）

1 研究背景

三維激光掃描技術分為地面固定式激光掃描技術和移動激光掃描技術。由于實際測量需求不同，搭載移動激光掃描系統(tǒng)的載體也不同，常見的載體有飛機、車輛、船艦和人等［1-2］。近年來，隨著三維激光掃描、計算機技術以及高精度慣性導航系統(tǒng)的快速發(fā)展，船載三維激光掃描系統(tǒng)在河道測量、灘涂崩岸測量和海島礁測量等工程中的應用也越來越廣泛。彭彤［2］闡述了基于船載移動激光掃描的灘涂崩岸測量系統(tǒng)關鍵技術，并利用該系統(tǒng)在長江澄通河段南岸附近進行了掃測，獲取了精確的掃描數(shù)據(jù)。陳尚登等［3］使用基于Rigel VZ1000的船載三維激光掃描系統(tǒng)對某內河航道的沿岸地形進行了測量，驗證了船載激光掃描系統(tǒng)在大比例尺測圖中應用的有效性。李騰等［4］使用基于Rigel VZ1000的船載三維激光掃描系統(tǒng)對三峽庫區(qū)庫岸地形進行了掃測，并對其精度進行了評定，證實了測量成果可滿足多種比例尺測圖需要。汪連賀［5］介紹了中海達iScan三維激光移動測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)成功完成了海島礁岸線地形測量，精度滿足測量要求。由此可見，船載三維激光掃描系統(tǒng)在內陸和近海水域的沿岸地形測量中具有可行性、可靠性和精確性。目前，國內西部重要高原湖泊測量的研究較少，因此該系統(tǒng)能否在西部重要高原湖泊陸域地形測量中成功應用尚未可知。

我國西部地區(qū)湖泊眾多，特別是高原湖泊，是西部生態(tài)安全屏障的重要組成部分。由于大多數(shù)湖泊地處偏遠，自然環(huán)境惡劣，交通不便，人跡罕至，且受到原有測量技術、手段等眾多因素的限制，多數(shù)重要湖泊未開展過系統(tǒng)科學的測量工作；加之現(xiàn)有基礎資料較少，甚至許多湖泊為歷史資料空白區(qū)，無法滿足當前湖泊治理、生態(tài)環(huán)境保護、水資源管理和科學研究等工作需要，因此，在水利部的推動下西部重要高原湖泊測量工作在陸續(xù)展開［6］。西部重要高原湖泊具有海拔高（海拔一般超過4 500 m）、風浪大、環(huán)境惡劣、氣候復雜多變等特點，采用傳統(tǒng)的測量手段（如實時差分定位（RTK）和全站儀等）和無人機航空攝影測量的方式進行湖泊陸域地形測量均存在一定的局限性，難以滿足測量要求。為有效解決該測量難題，首次提出了將船載三維激光掃描系統(tǒng)應用于西部重要高原湖泊陸域的地形測量。本文以西部重要高原湖泊格仁錯為例，介紹了船載三維激光掃描系統(tǒng)的組成、工作原理及技術優(yōu)勢，闡述了船載激光掃描系統(tǒng)的坐標轉換過程和外業(yè)掃測的關鍵步驟，并結合RTX采集的驗證點進行精度評定，證實了其測量精度完全滿足測圖要求，同時總結了寶貴的測量經(jīng)驗，對類似測量項目具有較好的借鑒意義。

2 現(xiàn)有測量方法

（1）無人機航空攝影測量。無人機航空攝影測量為非接觸式測量，但由于無人機體積相對較小，抗大風能力較弱；加之高原空氣密度低，無人機功耗也會相對更大，其飛行動力和續(xù)航時間與理想水平相差較大，難以應對惡劣的測量環(huán)境。

（2）RTK 測量。受流動站和基準站間距的限制，采用該方法測量時需要不斷移動基準站，且全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）的衛(wèi)星信號易受山體遮擋，出現(xiàn)信號失鎖現(xiàn)象。

（3）全站儀測量。受儀器最大測程限制，遷站頻繁，測量效率低下。

RTK 測量和全站儀測量均屬于接觸式測量，完全依靠人工采點，測點離散，作業(yè)勞動強度大，尤其是在高原缺氧、紫外線照射強烈的惡劣環(huán)境下，測量人員的身體健康和人身安全難以保證。而且，兩種測量方式均不適用于陡崖、灘地、沼澤地等測船和人員無法到達的危險區(qū)域。

3 船載三維激光掃描系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

船載三維激光掃描系統(tǒng)主要由定位定姿系統(tǒng)（GNSS/INS組合）、三維激光掃描儀、高清全景相機、載體平臺、計算機以及數(shù)據(jù)采集與存儲軟件等組成［7］，如圖1所示。

圖1 船載三維激光掃描儀系統(tǒng)組成示意

3.2 工作原理

三維激光掃描儀和定位定姿系統(tǒng)牢固安裝在穩(wěn)定平臺上，實現(xiàn)剛體固連以保證傳感器與平臺運動完全同步。使用船載激光掃描系統(tǒng)前，需先進行系統(tǒng)檢校，確定激光掃描中心與定位定姿系統(tǒng)之間的精確空間位置關系。通過對GNSS數(shù)據(jù)和慣性測量單元（IMU）數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，獲取高精度的位置和姿態(tài)信息，再將位置、姿態(tài)信息與三維激光掃描儀獲取的激光腳點坐標進行時間和空間配準，得到掃描地物目標的大地三維坐標信息［1］。

3.2.1 時間配準

時間配準是將船載激光掃描系統(tǒng)中各個傳感器觀測同一目標的不同步數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一為相同的時間基準。通過對各傳感器采用的時間系統(tǒng)進行轉換，使系統(tǒng)各傳感器在同一時刻提供同一目標的觀測數(shù)據(jù)［8-9］。由于GNSS與IMU使用的時間系統(tǒng)是世界標準時間（UTC），三維激光掃描儀使用的是GNSS時間系統(tǒng)，且三維激光掃描儀和IMU的數(shù)據(jù)采樣頻率遠大于GNSS采樣頻率，因此，船載激光掃描系統(tǒng)進行作業(yè)時，各個傳感器的數(shù)據(jù)獲取時刻并不一致。為保證每個時間節(jié)點上的數(shù)據(jù)必須同時包含定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，一般采用準確度、穩(wěn)定度高的GNSS 授時時鐘作為時間基準，通過內插方法對多傳感器數(shù)據(jù)進行融合，即將高頻率的傳感器數(shù)據(jù)融合到低頻率的傳感器數(shù)據(jù)時間節(jié)點上。

3.2.2 空間配準

船載三維激光掃描系統(tǒng)由多傳感器組成，各傳感器采用的坐標系統(tǒng)不同，主要包括三維激光掃描極坐標系、三維激光掃描直角坐標系、IMU 直角坐標系、平臺參考坐標系和WGS84大地坐標系。

（1）三維激光掃描極坐標系。以三維激光掃描儀的激光發(fā)射點為坐標原點，激光掃描儀的中軸線方向為極軸，極角為掃描方向與極軸的夾角。

（2）三維激光掃描直角坐標系。坐標原點與激光掃描儀極坐標系的原點重合，Z軸與極軸平行，方向垂直向上；X 軸與Z 軸構成激光掃描面（X-O-Z面），X-O-Z面與極平面重合；Y 軸垂直于X-O-Z面指向載體行進方向，構成右手直角坐標系。

（3）IMU 直角坐標系。以IMU 姿態(tài)傳感器幾何中心為原點，以載體行進方向為Y軸；X軸為行進的交叉方向，右側為正；Z 軸垂直于X 與Y 軸構成的平面，豎直向上，構成右手直角坐標系。

（4）平臺參考坐標系。該坐標系實質上是一種站心直角坐標系，以GNSS 天線相位中心為坐標原點，X、Y、Z軸分別指向東、北和沿橢球法線方向。

（5）WGS84大地坐標系。坐標原點位于地球質心，Z軸指向國際時間服務機構（BIH）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向；X軸指向BIH的零子午面和CTP 赤道的交點；Y 軸與Z 軸、X 軸垂直構成右手坐標系。

為了對采集數(shù)據(jù)進行融合處理，需要將外業(yè)采集數(shù)據(jù)在時間配準的基礎上進行空間配準，即多傳感器局部坐標系和全局參考坐標系間的轉換，最終將三維激光掃描極坐標轉換為WGS84大地坐標系，具體轉換流程見圖2。

圖2 坐標系轉換流程

3.3 技術優(yōu)勢

針對西部重要高原湖泊海拔較高、環(huán)境惡劣、氣候復雜多變、四周交通不便、陸上植被稀疏等特點，船載三維激光掃描系統(tǒng)相較于現(xiàn)有測量方法具有明顯優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）該系統(tǒng)為非接觸測量，自動化程度高。所有測點數(shù)據(jù)由儀器自動采集，無需人工跑點，可極大減輕野外作業(yè)勞動強度并降低測量人員安全風險。

（2）測量數(shù)據(jù)為三維點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高、密度高；掃描速度快，測量效率高。

（3）能夠對陡崖、灘地、沼澤地等測船和人員無法到達的危險區(qū)域進行測量。

（4）系統(tǒng)具有相對較強的環(huán)境適應能力。近水邊作業(yè)時，在燃油準備充足和船只大小合適的情況下，該方法可保證系統(tǒng)具有續(xù)航能力和抗風浪能力。

4 湖泊陸域地形掃測及精度評定

格仁錯位于西藏申扎、尼瑪兩縣，地處岡底斯山北坡斷陷盆地內，地理坐標為北緯30°57′～31°19′，東經(jīng)88°03′～88°34′。湖面海拔約4 650 m，面積約485 km2。湖泊呈西北-東南走向的長條狀，長約60 km，最大寬約14 km，平均寬約8 km。湖區(qū)屬羌塘高寒草原半干旱氣候，年均氣溫約0 ℃，年降水量200～300 mm。該位置交通極其不便，針對湖區(qū)周邊植被稀疏、地物較少的特點，采用船載三維激光掃描系統(tǒng)對格仁錯陸域地形進行了掃測，快速有效地獲取了三維激光點云和全景影像，掃測使用的主要儀器設備見表1。

表1 主要儀器設備

4.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）設備安裝。首先將集成傳感器的支架固定在測量船上，然后將Rigle VZ2000三維激光掃描儀、Trimble R10 GNSS、OCTANS運動傳感器分別安裝在支架上。安裝時既要保證安裝平臺強度，又要保證各硬件的相對穩(wěn)固性，如圖3所示。連接UPS、設備與電腦等之間的電纜線及數(shù)據(jù)線，并配置電腦的網(wǎng)絡設置連接各傳感器。

圖3 儀器設備安裝

（2）GNSS定位。采用Trimble R10 GNSS系統(tǒng)以及Trimble RTX（Real-Time extended，實時差分擴展）技術進行實時精密單點定位。該技術通過衛(wèi)星或網(wǎng)絡方式播發(fā)改正數(shù)，可實時提供厘米級全球精密定位服務，無需連接物理基站或CORS網(wǎng)絡，真正實現(xiàn)了全星座GNSS定位服務。

（3）IMU 對齊。系統(tǒng)開機后首先將船體進行高

黃 童等 船載三維激光掃描系統(tǒng)在西部重要高原湖泊測量中的應用研究動態(tài)運動使IMU 設備對齊，IMU對齊按照直線、“8”字形以及圓形的軌跡布置收斂速度最快［10］。

（4）三維點云數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場湖區(qū)地形情況，先對船載三維激光掃描系統(tǒng)的測量參數(shù)（激光掃測距離、角度分辨率、相機曝光參數(shù)等）進行設置，測船在近水邊按照不超過7節(jié)的船速行駛，同時使用Qinsy軟件進行導航定位和數(shù)據(jù)采集。

（5）驗證點采集。在船載三維激光掃描系統(tǒng)測量過程中，同時采用高精度RTX 人工測量的方法，對陸上房角點、圍墻轉折點等特征點進行采集，對船載三維激光掃測的精度進行分析評價。

4.2 內業(yè)數(shù)據(jù)處理

格仁錯測量總指揮部下設的測量隊經(jīng)過3 d 的野外作業(yè)，共完成了格仁錯湖區(qū)約130 km的陸上數(shù)據(jù)采集。內業(yè)數(shù)據(jù)處理采用Qinsy 軟件、RiSCAN PRO 軟件和清華山維EPS 軟件，具體處理流程見圖4。

圖4 內業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

（1）數(shù)據(jù)檢查。檢查測量范圍內是否有空白區(qū)，檢查點云數(shù)據(jù)和相機照片質量是否合格。

（2）POS 解算。利用Qinsy 軌跡解算軟件，聯(lián)合GNSS 數(shù)據(jù)和IMU 數(shù)據(jù)，通過緊耦合解算模式，解算出高精度的軌跡數(shù)據(jù)。

（3）點云融合。根據(jù)解算出高精度的POS 軌跡數(shù)據(jù)和求取的測區(qū)轉換七參數(shù)，利用Qinsy 軟件進行點云融合，得到2000國家大地坐標系點云數(shù)據(jù)。

（4）點云濾波。采用三維激光掃描軟件RiSCAN PRO 進行點云濾波處理，刪除噪聲數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)。

（5）點云分割。根據(jù)湖泊測量范圍要求，采用三維激光掃描軟件RiSCAN PRO將點云數(shù)據(jù)按照高程進行分割。

（6）數(shù)據(jù)輸出和成圖。先將所需數(shù)據(jù)輸出為.las 點云數(shù)據(jù)，然后導入清華山維EPS 工作空間轉換為.PCD點云格式，再將.PCD數(shù)據(jù)導入EPS三維測圖模塊，即可實現(xiàn)兩個平鋪窗口二維和三維聯(lián)動的測點數(shù)據(jù)提取和地形圖勾繪。

4.3 精度評定

利用高精度RTX 方式共檢測和比較了77 個地形和地物特征點，通過同點三維坐標的差值計算點位中誤差和高程中誤差，統(tǒng)計結果見表2。

表2 船載三維激光測點精度統(tǒng)計

根據(jù)SL257-2017《水道觀測規(guī)范》中關于地形圖測量精度允許誤差的規(guī)定，船載三維激光掃描系統(tǒng)測量的點云數(shù)據(jù)精度遠高于格仁錯1∶10 000 比例尺測圖精度要求，甚至可滿足1∶500 大比例尺測圖精度要求。

5 結 語

三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，應用前景廣闊。在測量環(huán)境極其惡劣的西部高原湖泊測量中采用船載三維激光掃描技術，能極大減輕作業(yè)人員勞動強度和作業(yè)成本，可有效提高野外作業(yè)效率，降低測量人員的作業(yè)安全風險。該技術的應用可為今后的西部高原湖泊測量工作提供參考，契合測繪工作動態(tài)化、數(shù)字化、自動化和智能化的發(fā)展趨勢。鑒于高原湖泊的特殊性，在高原湖泊測量中應用船載三維激光掃描系統(tǒng)時要注意以下幾個問題：

（1）高原天氣復雜多變，水上測量作業(yè)具有較大的風險。測量人員要提前了解測區(qū)的氣象信息，以便選擇合適的掃測時機，確保測量數(shù)據(jù)質量和人員安全。

（2）高原環(huán)境惡劣、條件艱苦，測量前應根據(jù)湖區(qū)地形提前規(guī)劃好掃測航線，盡量提高測量效率和縮短野外作業(yè)時間。

（3）高原湖泊風浪較大，要盡量選擇穩(wěn)定性和適航性較好的測船；儀器安裝時既要保證安裝平臺強度，又要保證各硬件的相對穩(wěn)固性。

（4）高原湖泊水域寬廣，作業(yè)范圍大，測量時建議優(yōu)先考慮采用可以實時提供厘米級全球精密定位服務的Trimble RTX技術進行定位導航。