淺談機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用

朱萬虎

(廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

1 概述

水利工程測(cè)量貫穿于水利工程勘察、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)全過程。在勘察階段需提供高精度地形圖，建設(shè)施工階段需精密放線及土方測(cè)量，運(yùn)營(yíng)階段需進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。目前傳統(tǒng)水利工程測(cè)量還是用全站儀進(jìn)行放線、監(jiān)測(cè)，RTK進(jìn)行地形測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量中需配置大量的人力物力，作業(yè)效率低，工作時(shí)間較長(zhǎng)，并受地形環(huán)境因素影像較大，為測(cè)量工作帶來許多困難。隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)特別是低空無人機(jī)已經(jīng)慢慢走向各行各業(yè)。低空無人機(jī)操作簡(jiǎn)單、易學(xué)易掌握、對(duì)天氣和起飛降落場(chǎng)地要求低、智能化程度高[1]，在無人機(jī)上搭載激光雷達(dá)不僅能獲取清晰的影像還能獲取高密度地面三維點(diǎn)云，真實(shí)還原地貌特征。

國(guó)內(nèi)諸多測(cè)量工作以項(xiàng)目為載體，圍繞機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行了研究，如付偉鋒[2]以河道堤防測(cè)量為列闡述了固定翼搭載激光雷達(dá)在河道堤防測(cè)量中的應(yīng)用；凌晨陽(yáng)[3]等在施工土方測(cè)量中分析了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在復(fù)雜地形土石方測(cè)量中的應(yīng)用；劉圣偉[4]等以滑坡監(jiān)測(cè)為例研究了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在長(zhǎng)江三峽工程庫(kù)區(qū)滑坡災(zāi)害調(diào)查和監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；王偉鵬[5]等以森林調(diào)查為列闡述了機(jī)載激光雷達(dá)在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用與展望；王珂[6]以電力線測(cè)繪為列闡述了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程測(cè)繪中的應(yīng)用；余鑄[7]等在大區(qū)域機(jī)載激光雷達(dá)森林資源調(diào)查監(jiān)測(cè)中,通過冠層垂直結(jié)構(gòu)分類后建模有助于提高森林參數(shù)估測(cè)精度；呂富強(qiáng)[8]等基于密度噪聲應(yīng)用空間聚類算法的機(jī)載激光雷達(dá)建筑物點(diǎn)云提取與單體化；李紅林[9]分析了機(jī)載激光雷達(dá)在河流調(diào)查中的應(yīng)用。綜上所述，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)已應(yīng)用于各行各業(yè)，其成果是穩(wěn)定可靠。相對(duì)于河道堤防、施工土方測(cè)量、滑坡監(jiān)測(cè)等測(cè)量場(chǎng)景植被覆蓋相對(duì)稀疏，本文研究的海南省南渡江谷石灘水電站增建魚道測(cè)量項(xiàng)目樹林茂密，地貌復(fù)雜，并且采用大疆禪思L1激光雷達(dá)進(jìn)行機(jī)載掃描測(cè)量，解決現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量更多的問題，所積累的經(jīng)驗(yàn)更具有參考與借鑒價(jià)值。

2 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)概述

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)集成了GNSS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備。其中GNSS提供實(shí)時(shí)定位服務(wù)，IMU提供高精度慣導(dǎo)，激光掃描儀利用返回的脈沖可獲取探測(cè)目標(biāo)高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，數(shù)碼相機(jī)能獲取高清晰的影像資料，最后經(jīng)過軟件系統(tǒng)處理而得到沿一定條帶的地面區(qū)域三維點(diǎn)云與成像結(jié)果[10]。

機(jī)載激光雷達(dá)是主動(dòng)發(fā)射激光，探測(cè)地物回波特征而確定地表的信息數(shù)據(jù)，不受天氣及太陽(yáng)光照影響，理論上可以進(jìn)行24 h不間斷數(shù)據(jù)采集，對(duì)于應(yīng)急和氣象條件差的地區(qū)的作業(yè)比較有利，并且激光能夠穿透薄的云霧，獲取目標(biāo)信息,其激光腳點(diǎn)直徑相對(duì)較小，具有多次回波特性，能夠穿透枝葉間的細(xì)小空隙，得到樹干、樹枝、地面及地面低矮植被等多種高程數(shù)據(jù)，有效克服植被影響，精確探測(cè)真實(shí)地形地面的信息。

3 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在水利工程測(cè)量的實(shí)踐應(yīng)用

水利工程測(cè)量中測(cè)區(qū)一般地形起伏大、植被茂密，特別是水庫(kù)、電站工程一般都修建在人煙稀少地區(qū)，傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)量難度比較大，危險(xiǎn)源比較多，如何保證質(zhì)量與安全的情況下完成工程測(cè)量任務(wù)，需要采用新技術(shù)新手段，機(jī)載激光雷達(dá)是最好選擇。以海南省南渡江谷石灘水電站增建魚道測(cè)量項(xiàng)目為例，闡述機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在水利工程測(cè)量的應(yīng)用。

本項(xiàng)目主要測(cè)量?jī)?nèi)容為1/1 000谷石灘水電站及周邊地形測(cè)量,測(cè)區(qū)面積為1.5 km2，植被覆蓋茂密大部分為15 m高橡膠林，測(cè)區(qū)最大高差為100 m，地形最大坡度為70°，項(xiàng)目上采用大疆M300無人機(jī)搭載大疆激光雷達(dá)禪思L1鏡頭進(jìn)行機(jī)載掃描測(cè)量(如圖1所示)。

圖1 大疆M300無人機(jī)搭載激光雷達(dá)禪思L1鏡頭示意

3.1 航飛準(zhǔn)備

無人機(jī)激光雷達(dá)航測(cè)在作業(yè)前要對(duì)測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行巡視，檢查高壓線，地形起伏等情況，然后進(jìn)行航線規(guī)劃、相控布設(shè)及測(cè)量。本測(cè)區(qū)地形起伏較大，為保證數(shù)據(jù)精度均勻采集數(shù)據(jù)時(shí)需要仿地飛行，應(yīng)提前用攝影鏡頭先飛一個(gè)粗略的DSM影像，為后續(xù)仿地飛行中規(guī)劃航線做準(zhǔn)備，本項(xiàng)目用大疆P1鏡頭，航線高度200 m先進(jìn)行地面攝影測(cè)量，再用大疆智圖快速處理生成帶粗略高程數(shù)據(jù)的DSM影像為無人機(jī)仿地飛行做準(zhǔn)備。大疆M300在平面上可進(jìn)行免相控作業(yè)，但高程上暫還不能保證精度，還需地面做少量地面相控點(diǎn)控制精度，本項(xiàng)目相控均勻分布測(cè)區(qū)，大概間距為500 m，地面噴繪“L”形，測(cè)量采集外角。

3.2 航飛數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)航飛時(shí)選好合適的起飛點(diǎn)主要保證遙控器和飛機(jī)的通訊信號(hào)，由于激光雷達(dá)原理是激光回波，與普通航測(cè)不一樣不局限于關(guān)照強(qiáng)度，陰天和晚上都可以起飛。在選好起飛點(diǎn)后首先遙控器上規(guī)劃航線，本項(xiàng)目航線參數(shù)設(shè)置為仿地航高90 m(L1鏡頭根據(jù)其性能航高一般設(shè)置為80～120 m)，航速為8 m/s(一般不超過10 m/s)，重疊率50%(平原地區(qū)重疊率可降低)，遙控器中雷達(dá)參數(shù)回波模式設(shè)置為三回波(多回波穿透效果更好)，采樣頻率設(shè)置為160 kHz，掃描模式為重復(fù)掃描，模型上色功能打開。遙控器規(guī)劃航線時(shí)可同時(shí)打開飛機(jī)電源鍵，飛機(jī)上的RTK模塊盡早得到固定解，飛機(jī)掛載的雷達(dá)禪思L1鏡頭需靜置5 min進(jìn)行預(yù)熱。由于本次執(zhí)行的是仿地任務(wù)，航線高度可能比起飛點(diǎn)高度還低，為確保安全需先手動(dòng)操作無人機(jī)飛行至安全高度再上傳任務(wù)，飛機(jī)按照規(guī)劃航線自動(dòng)完成航線任務(wù)并在航線起始點(diǎn)進(jìn)行慣導(dǎo)校準(zhǔn)(見圖2)，飛行時(shí)注意遙控器與飛機(jī)的通訊，并時(shí)刻觀察雷達(dá)L1鏡頭實(shí)時(shí)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否正常。

圖2 無人機(jī)航線規(guī)劃示意

3.3 數(shù)據(jù)處理

飛行任務(wù)完成，將鏡頭里的SD卡取出，在電腦中讀取DCIM的文件，打開大疆智圖軟件，在新建任務(wù)里選擇激光雷達(dá)點(diǎn)云處理，添加飛機(jī)導(dǎo)出的文件，選擇工程項(xiàng)目的坐標(biāo)系，在參數(shù)設(shè)置中要打開點(diǎn)云精度優(yōu)化，重建結(jié)果選擇las及PCD格式，然后點(diǎn)擊開始處理，等待點(diǎn)云成果生成(見圖3)，藍(lán)色部分為第1次回波，綠色部分為第2回波，紅色部分為第3次回波，可以看到3次回波將樹木茂盛的地區(qū)地面絕大部分都反射了出來。

將大疆智圖生產(chǎn)的las文件導(dǎo)入到數(shù)字綠土LiDAR360軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪，并利用前期做的相控進(jìn)行坐標(biāo)、高程的轉(zhuǎn)換，獲取每一個(gè)激光點(diǎn)正確的空間坐標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形實(shí)際情況設(shè)置合理的地面點(diǎn)提取參數(shù)，根據(jù)規(guī)范的成圖規(guī)定自動(dòng)生成所需高程點(diǎn)及等高線，將大疆智圖生產(chǎn)的PCD點(diǎn)云文件導(dǎo)入山維科技EPS三維測(cè)圖軟件進(jìn)行建筑物及地物的繪制，導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)統(tǒng)一在CAD軟件編輯處理即可完成1幅完整的數(shù)字化地形圖(見圖4)。

圖3 機(jī)載雷達(dá)掃描的3次濾波數(shù)據(jù)示意

圖4 谷石灘水電站局部地形示意

3.4 平面精度分析

根據(jù)《水電水利工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)范，應(yīng)用全站儀進(jìn)行實(shí)地采集建筑物輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)與機(jī)載激光雷達(dá)生成的地形圖上建筑物輪廓位置進(jìn)行對(duì)比分析(見表1～表2),由表1和表2可見，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)平面精度滿足規(guī)范要求[11]。

表1 水電水利工程測(cè)量規(guī)范地形圖上地物點(diǎn)

表2 激光點(diǎn)平面位置精度統(tǒng)計(jì) cm

3.5 高程精度分析

根據(jù)《水電水利工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)范，用全站儀進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集硬質(zhì)裸露地形點(diǎn)及山地樹林下高程點(diǎn)與機(jī)載激光雷達(dá)生成的地形圖上高程點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析(見表3～表4)，由表3和表4可見，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)高程精度滿足規(guī)范要求[11]。

表3 水電水利工程測(cè)量規(guī)范高程注記點(diǎn)精度 m

表4 激光點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì) m

3.6 項(xiàng)目總結(jié)

本次完成1/1 000谷石灘水電站及周邊地形測(cè)量約面積為1.5 km2，投入人力為2人，時(shí)間為2 d，工程車1輛。若采用傳統(tǒng)RTK結(jié)合全站儀進(jìn)行地形測(cè)量，投入2人，完成時(shí)間約需10 d。從工作效率上比較，機(jī)載激光雷達(dá)的效率比傳統(tǒng)測(cè)繪至少高了5倍；從測(cè)繪人員安全比較，本項(xiàng)目測(cè)區(qū)樹林中毒蜂、毒蛇、山螞蝗較多，環(huán)境惡劣，采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)大大降低了測(cè)繪外業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

水利工程測(cè)量中，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)只需少量地面控制即可完成定位，節(jié)省了大量外業(yè)工作量且減少了外業(yè)安全隱患，對(duì)于無人區(qū)等困難區(qū)域的數(shù)據(jù)采集非常有利并且處理數(shù)據(jù)的軟件自動(dòng)化程度都很高，只需要極少時(shí)間和少量人工編輯就能完成。從目前技術(shù)能力和生產(chǎn)實(shí)踐來看，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠滿足生產(chǎn)1∶1 000 比例尺及一些平原地區(qū)更大比列尺的產(chǎn)品精度要求，但山區(qū)及一些隱蔽點(diǎn)要求10 cm以下乃至毫米級(jí)的精度，對(duì)于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)而言實(shí)現(xiàn)還比較困難，山區(qū)植被對(duì)激光的穿透性有一定的影響，相對(duì)航高一樣的情況，植被越密集的地方，地面上的激光點(diǎn)越少，反之就越多，地面激光點(diǎn)越多成圖精度也就越高[12]，項(xiàng)目生產(chǎn)中一定要根據(jù)雷達(dá)鏡頭的參數(shù)及樹林的茂密程度選擇合適的航高進(jìn)行掃描測(cè)量。