低空機載LiDAR技術在水利工程測繪中的應用

張守好 張以文

水發(fā)規(guī)劃設計有限公司 山東 濟南 250100

引言

傳統(tǒng)水利工程測繪主要基于離散點的平面坐標和高程信息獲取，只能選取必要點位和代表點位進行測量，無法全部描述或者表達水利工程三維坐標信息。而機載LiDAR技術可以獲取水利工程的三維坐標、顏色、反射強度、回波次數、紋理等信息，這些獲取的信息綜合起來就是所謂的點云數據，通過對點云數據的處理可以提取不同數據。下面將對低空機載LiDAR技術在水利工程測繪中的應用展開探討和分析。

1 低空機載LiDAR的原理和特點分析

1.1 低空機載LiDAR的原理

低空機載激光雷達系統(tǒng)主要包括定位系統(tǒng)、慣導系統(tǒng)、數碼相機、激光掃描等組成，該系統(tǒng)集成了主動傳感中的脈沖信號來獲取所測量物體的距離、粗糙度、反射率等信息，而集成的數碼相機部分可以獲取物體的數字影像，通過信息的處理和提取可以準確地獲取高密度點云數據，經過加工后的數字地表模型可以直接用于工程建設、城市管理等[1]。

1.2 低空機載LiDAR的特點

低空機載激光雷達的輻射面積廣，速度快，能夠高效率的獲得所測地區(qū)的高密度點云數據。高精度的定位系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)讓實時測量精度得以保證，另一方面該系統(tǒng)在植被覆蓋及樹木叢生的測區(qū)具有很強的穿透性，可以直接透過植被等獲取更加豐富的三維坐標信息和影像信息。還有通過機載激光雷達獲取的數據經過處理可以獲得數字地面模型、數字高程模型、數字正射影像圖、數字線劃圖、三維模型等多種成果。

2 低空機載LiDAR作業(yè)的技術流程

低空機載激光雷達作業(yè)的技術流程主要包括數據采集、數據預處理、成果輸出和檢核校驗。首先在測區(qū)踏勘，根據作業(yè)目標要求進行航攝參數、航攝計劃設計，而且在航攝之前在測區(qū)進行控制點及檢查點的外業(yè)測量，下一步進行外業(yè)航攝、數據存儲和所獲取數據的復查，在此主要獲取基站靜態(tài)數據、定位和慣導數據、雷達數據及影像數據，然后對獲取的數據聯(lián)合解算、檢校、預處理和質量檢測，最后進行數據的最終處理和所需成果的轉換輸出[2]。

3 低空機載LiDAR在水利工程測繪中的應用

水利工程測繪主要為水利工程的綜合治理提供基礎測繪資料，主要包括地形圖、斷面、三維模型、洪水分析及預警等方面的內容。傳統(tǒng)的水利工程測量方式在作業(yè)效率和精度方面存在制約因素，因此在水利工程測繪中利用低空機載激光雷達將會從效率和精度方面得以提升，接下來將從四個方面展開分析與探討。

3.1 低空機載LiDAR在水利工程地形圖測繪中的應用

通過航攝獲取的點云數據，利用軟件進行內業(yè)解算，并對點云對應的航帶匹配，對平面坐標系和高程系進行整體轉換，檢查外業(yè)航攝的數據有沒有遺漏及點云的精度是否滿足要求，然后進行點云的自動分類，獲得初步的地面高程模型。對獲取的影像進行空三加密，經過勻光處理，拼接生成分幅的數字正射影像圖，檢查影像的地面分辨率、平面和高程精度是否滿足設計要求，滿足要求則進行數字線畫圖的采集，然后采用外業(yè)調繪相結合的方式生成最終可以為水利工程治理直接利用的地形圖。

3.2 低空機載LiDAR在水利工程斷面測繪中的應用

對于精度要求不是特別高的水利工程選址等可以采用低空機載雷達的技術實現(xiàn)斷面測量。首先根據水利工程治理的區(qū)域地形，按照設計提供的中泓線以及所需要的斷面線，通過已經獲得的點云數據和數字高程模型內插求解斷面線上的高程，將內插的高程數據單獨設置圖層，檢查并剔除粗差，然后利用百圖水利軟件根據已經設置好的樁號和樁點來提取每條斷面的數據，最后按照設計要求設置斷面圖的橫、縱比例尺，檢查校核無誤后可以批量輸出水利工程所需的斷面數據和斷面圖[3]。

3.3 低空機載LiDAR在水利工程三維模型制作中的應用

三維模型在水利工程中的水閘、泵站、涵洞等水工建筑物的設計以及運營后期維護等有著廣泛的應用，清晰的紋理表面讓建筑物更加直觀。通過獲得的點云數據分類后將建筑物層單置，將正射影像圖及數字線劃圖疊置后自動生成水工建筑物的頂部模型，利用相關的軟件對建筑物的信息修改完善，根據已有的數據提取建筑物紋理，對于有些部位紋理圖不夠多的地方需要補充拍攝，保證建模所需的紋理數量，之后將建筑物的關鍵點進行匹配和裁剪，最后將紋理圖貼到已有的模型，生成水工建筑物的三維模型成果圖。

3.4 低空機載LiDAR在洪水分析及預警中的應用

隨著近年來自然環(huán)境的變化，突發(fā)性的臺風等惡劣天氣增多，這對流域防洪造成很大的壓力，如何提前模擬洪水過境的發(fā)展趨勢并及時做出預警顯得非常重要。通過機載激光雷達的技術獲取洪水淹沒區(qū)范圍的數字高程模型，根據雨水的降雨時間、降雨量和匯水面積計算得到所形成下游壩體所承受的水量，一旦超過承受量后將會潰壩流向下游，利用相關軟件通過水動力模型分析，將洪水經過下游村莊等的最大高程范圍模擬展繪在數字高程模型圖上，據此來確定惡劣天氣下需要搬遷的范圍、最佳逃生路線和安置點。因此，低空機載雷達測繪技術在洪水災害分析預警中有著較大的應用前景。

4 基于大疆禪思L1的工程應用及精度分析

4.1 大疆禪思L1作為機載低空LiDAR的介紹

大疆禪思L1是由深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司研發(fā)的一款集成Livox激光雷達模塊、高精度慣導、測繪相機、三軸云臺等模塊的雷達機器，它可以搭載經緯M300 RTK實現(xiàn)機載低空LiDAR的外業(yè)數據采集功能，可以快速高效的生成高精度、高密度的點云數據，然后利用大疆智圖軟件進行內業(yè)點云數據的采集和處理，形成高智能的一體化內外業(yè)方案，可以實現(xiàn)24小時、高效率的工程現(xiàn)場三維模型重建。禪思L1主要包括云臺接口、平移軸電機、激光雷達、測繪相機、俯仰軸電機和橫滾軸電機等部分構成。大疆禪思L1的點云密度高，在有效飛行高度內，獲取的點云密度最低也能優(yōu)于100點/平方米；點云數據量大且反射強度特征信息量大，不同地物的反射強度差異大；激光穿透能力強，對茂密的植被具有較強的穿透性。外業(yè)操控可以通過DJI Pilot App來控制，不僅可以實現(xiàn)對云臺相機的拍照、錄像及回放等功能，還可以通過航線飛行來實現(xiàn)點云數據的采集，如果切換到相機界面，可以實時瀏覽禪思L1航攝的影像，也可以對航攝像機進行參數修正。操作界面中可以操控實時畫面、相機參數、對焦模式、自動曝光鎖定、相機設置菜單、拍照、錄像、點云錄制、拍攝參數設置、標定飛行按鍵等[4]。

4.2 大疆禪思L1的外業(yè)數據采集

首先將禪思L1正確搭載到飛行器上，然后啟動飛行器和遙控器完成對頻。打開DJI Pilot App軟件，選擇RTK服務類型，保證RTK處于固定解的狀態(tài)，假如飛行區(qū)域的網絡通信信號及遙控器圖傳信號非常差的時候，可以通過PPP-RTK的模式進行后處理。啟動禪思L1后不要立即采集數據，要等到預熱5分鐘左右后提示負載慣導預熱完成后再進行外業(yè)數據采集。選擇App界面中的相機設置參數，根據當天的光線條件設置好保證相片的曝光正常。然后進入航線飛行界面并創(chuàng)建航線，設置點云密度、GSD、標定飛行及高度模式等。編輯點云測繪或者攝影測量參數，選擇禪思L1相機，點擊LiDAR Mapping完成頁面各項參數的設置，一般情況下將激光的旁向重疊設置為50%以上，開啟重復掃描模式，飛行高度設置為50-100m，飛行速度設置為5-10m/s，同時開啟標定飛行，關閉畸變校正，保存建圖航拍任務并將航線上傳。待飛行任務結束后關閉飛行器，取出內存卡，將所航攝的點云文件和照片及其他采集的數據傳輸到計算機。

4.3 內業(yè)數據處理

大疆創(chuàng)新科技有限公司研發(fā)的DJI Terra可以對采集到的點云數據進行快速高效的處理。打開DJI Terra并新建任務，選擇激光雷達點云處理，完成新建任務并保存。設置點云的處理密度和輸出的坐標系，通常情況下選擇2000國家大地坐標系。點擊開始處理，等待全部點云數據處理完成，然后打開當前任務的文件夾，檢查校核點云文件處理的精度等。

4.4 工程應用實踐及精度分析

選取的測區(qū)為河道治理工程段，該地區(qū)的植被覆蓋率在85%以上，且樹木的基本高度在10米左右。按照前述步驟設置完成外業(yè)數據采集，其中雷達的回波模式為雙回波，采樣頻率設置為240KHZ，航攝掃描模式為非重復掃描。利用DJI Terra進行內業(yè)處理，將得到的成果進行回波分析，其中藍色為第一次回波，紅色部分為第二次回波，其中第二次回波將植被茂盛的區(qū)域全部反射回來，如果采用禪思L1的三次回波功能，將會得到更好的處理效果。同時將LAS文件導入點云智慧進行后處理，可以一鍵處理獲取測區(qū)的精細地形。

在測區(qū)范圍內分別采用海星達iRTK掛接千尋位置服務和點云智慧進行精度分析。第一種檢測方法首先將點云智繪生成DEM后導入GlobalMapper，提取30個檢測點，其中檢測點均勻分布在測區(qū)內，然后將點云智繪獲取的檢測點的平面坐標和高程導入海星達iRTK手簿內，進行放樣實測的方式獲得高程中誤差為12cm；另一種檢測方法在測區(qū)內均勻的選取30個檢測點實測獲取平面坐標和高程，將其導入GlobalMapper里和點云數據比對，然后使用LiDAR QC工具對比精度，其高程中誤差為10cm。由此可見，利用大疆禪思L1搭載飛行器進行地形圖測繪可以滿足一定比例尺的精度要求。

5 結束語

低空機載LiDAR技術被廣泛用于水利工程測繪中，它提供了一種全新的、高效率和高精度數據獲取方式，而且可以根據不同的需求輸出不同數據成果，極大地提高了外業(yè)生產效率。尤其大疆禪思L1的引入將會引起水利工程測繪的大變革，與傳統(tǒng)的攝影測量具有獨特的優(yōu)勢和效率，而且能夠保證高程獲取的精度，因此該項技術在水利工程的可行性研究、規(guī)劃、勘察、設計、施工和運營管理等階段都可以提供不同的數據支撐，這將為以后的水利數字化建設奠定基礎。