張占勇,付偉鋒

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)是目前測(cè)繪領(lǐng)域的一種新的非主動(dòng)式測(cè)量技術(shù)，激光雷達(dá)可以快速的獲取地理空間物體的三維信息，而且具有速度快、受天氣影響小、密度高、精度高等特點(diǎn)，且對(duì)植被具有很好的穿透力[1-2]。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)還可以搭載在不同的平臺(tái)上如機(jī)載、車載、背包等進(jìn)行全天候作業(yè)，因此，在在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用越來(lái)越多[3]。

河道的堤防多呈帶狀分布，兩邊多有村莊和植被，使用傳統(tǒng)的人工測(cè)量困難大且效率低，多采用機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)河道的堤防進(jìn)行測(cè)量可快速獲取地形表面的三維地理信息數(shù)據(jù)[4]。機(jī)載激光雷達(dá)具有穿透力強(qiáng)、可全天候作業(yè)、數(shù)據(jù)獲取快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際生產(chǎn)中仍會(huì)存在許多地方無(wú)法使用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量，如禁飛區(qū)限制、起降場(chǎng)地限制、空域限制等。河道堤防地形大都沿江河兩岸分布，地形起伏變化較小，故考慮可以使用多平臺(tái)激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量，如車載式、背包式、船載式等。本文探索利用多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)河道堤防進(jìn)行測(cè)量，主要采用車載式和背包式對(duì)禁飛區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)無(wú)法使用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)充，是對(duì)堤防測(cè)量的一種有效補(bǔ)充手段。

2 多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)介紹

2.1 測(cè)量系統(tǒng)介紹

本次試驗(yàn)使用的多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)為AS-900HL，是一款可以使用不同的平臺(tái)如無(wú)人機(jī)、汽車、船及行人背包等裝載高精度激光掃描儀，同時(shí)有效集成了高精度慣性測(cè)量?jī)x，能快速的獲取地形表面三維空間信息的系統(tǒng)(見表1)。

表1 AS-900HL激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)主要參數(shù)

2.2 技術(shù)路線

由于測(cè)區(qū)涉及禁飛區(qū)，無(wú)法使用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用車載式和背包式搭載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)(技術(shù)路線見圖1)。

圖1 總體技術(shù)路線示意

在作業(yè)之前通過實(shí)地踏勘，觀察了現(xiàn)場(chǎng)地形、天氣、風(fēng)力、人口密集情況、干擾、基站架設(shè)位置等。選擇人員和車輛比較少的時(shí)候進(jìn)行作業(yè)，一般選擇晚上進(jìn)行作業(yè)，干擾也較少。

3 測(cè)區(qū)概況和測(cè)量?jī)?nèi)容

韓江流域是廣東省的第二大流域，為了對(duì)韓江流域的堤防進(jìn)行加固除險(xiǎn)、提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，故對(duì)韓江流域的干流進(jìn)行治理，特別是潮州段要達(dá)到百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)。本次試驗(yàn)區(qū)域位于潮州市潮南區(qū)如意大橋附近，長(zhǎng)度約為2 km，測(cè)量范圍為沿中心線左測(cè)至河道岸邊，右邊為100 m(具體試驗(yàn)范圍如圖2所示)。

圖2 試驗(yàn)區(qū)位置示意

本次試驗(yàn)區(qū)要求地形圖測(cè)量比例尺為1∶500精度，該堤防段區(qū)域全部位于潮州國(guó)際機(jī)場(chǎng)的禁飛區(qū)域內(nèi)，無(wú)法使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)區(qū)地形高度無(wú)較大落差，但是岸邊有密集的村鎮(zhèn)分布和大量的植被，外業(yè)采集困難，故采用多平臺(tái)激光雷達(dá)的車載式和背包式相結(jié)合來(lái)獲取測(cè)區(qū)的高程數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)采集

4.1 路線規(guī)劃

根據(jù)測(cè)區(qū)范圍和地形特點(diǎn)布置了3條采集路線(見圖3)，其中黃色和藍(lán)色的線路現(xiàn)場(chǎng)可以行車，路線上空無(wú)遮擋地物，使用車載式激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；紅色線路所在的范圍為密集房屋，無(wú)法行車但有人行道路，故采用背包式激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 總體路線規(guī)劃示意

4.2 車載和背包數(shù)據(jù)采集

車載數(shù)據(jù)采集在掃描車輛進(jìn)入測(cè)區(qū)前，首先需完成 POS 系統(tǒng)的初始化及IMU與GNSS的校準(zhǔn)。在正式采集前，應(yīng)選開闊地帶作為起始點(diǎn)，先靜置5 min，再啟動(dòng)車輛前進(jìn)先左方向轉(zhuǎn)1圈再右方向轉(zhuǎn)1圈減少IMU的誤差累計(jì)。數(shù)據(jù)采集時(shí)，裝載儀器車輛盡量勻速行駛，不超過60 km/h，避免長(zhǎng)時(shí)間停車，車輛應(yīng)盡量在道路中心行駛，遠(yuǎn)離作業(yè)區(qū)域兩旁高大樹木及建筑物；避免與大型車輛并行，如遇并行車輛，盡量超車或者避讓，防止激光掃描儀器被遮擋; 行駛過程中，嚴(yán)禁倒車。數(shù)據(jù)采集完畢，需前往開闊地帶，停車進(jìn)行5 min GNSS靜態(tài)測(cè)量以保證POS數(shù)據(jù)的精度[5]。

針對(duì)不方便車輛駛?cè)氲男÷返葏^(qū)域采用背包模式對(duì)該區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以此來(lái)補(bǔ)充無(wú)法進(jìn)行車載采集的區(qū)域，兩者結(jié)合保證了數(shù)據(jù)采集的完整性。

在使用車載和背包式激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，基站點(diǎn)布設(shè)在測(cè)區(qū)的中間位置(如圖3中所示)，基站距離測(cè)區(qū)兩段最遠(yuǎn)距離不超過2 km，在作業(yè)過程中無(wú)需更換基站位置，可滿足基站的覆蓋要求，激光雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)同步記錄移動(dòng)站數(shù)據(jù)。

5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

AS-900HL多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)可以根據(jù)掃描頻率獲得不同距離和密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了獲得高質(zhì)量的滿足數(shù)據(jù)處理要求和精度指標(biāo)的數(shù)字高程模型(Digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)，需要將外業(yè)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢查、POS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、GPS/IMU聯(lián)合解算、點(diǎn)云分類、精度檢驗(yàn)等工作，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線示意如圖4所示。

圖4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線示意

5.1 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋范圍的完整性、航帶間數(shù)據(jù)匹配性、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度等關(guān)鍵因素[6]。本次數(shù)據(jù)采集共耗時(shí)1.5 h，共采集數(shù)據(jù)2.8個(gè)G，平均點(diǎn)云密度210個(gè)/m2，符合規(guī)范要求[7]。經(jīng)檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)范圍可以覆蓋測(cè)區(qū)，航帶間無(wú)明顯分層現(xiàn)象。

5.2 數(shù)據(jù)處理

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)采集后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查無(wú)問題后需先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理操作，之后再對(duì)車載和背包式數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云融合，最終進(jìn)行后處理得到地面點(diǎn)。

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)預(yù)處理主要將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)激光掃描數(shù)據(jù)、精確位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到目標(biāo)物的空間三維坐標(biāo)。激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)后處理主要是噪點(diǎn)去除、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類和濾波，即采用某種方法對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而區(qū)分地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)處理之前，需要提前準(zhǔn)備好基站GNSS數(shù)據(jù)、移動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)等，利用Inertial Explorer(簡(jiǎn)稱IE)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行POS解算，獲取高精度的組合導(dǎo)航信息，包括位置、速度和姿態(tài)等信息。然后利用IE使用緊耦合方法對(duì)車載式和背包式GPS/IMU進(jìn)行組合解算，經(jīng)檢查所有處理結(jié)果均符合精度要求[8]。

在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，應(yīng)對(duì)車載式和背包式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。首先將3次采集的數(shù)據(jù)加載到一個(gè)數(shù)據(jù)文件中，根據(jù)時(shí)間顯示不同的條帶，拉取剖面觀察不同條帶之間是否存在分層。如果存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層，則對(duì)所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取，然后將標(biāo)準(zhǔn)差大于5 cm的特征點(diǎn)進(jìn)行刪除，重新優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如圖5所示，融合前車載數(shù)據(jù)和背包分層高度為7 cm，剔除標(biāo)準(zhǔn)差大的特征點(diǎn)后車載和背包數(shù)據(jù)厚度為3 cm。

a 融合前

最后利用Terrasolid軟件將地面點(diǎn)分離出來(lái)[9]，軟件中的地面點(diǎn)分類算法通過不斷建立三角網(wǎng)模型的方式分離出地面點(diǎn)。該算法應(yīng)用選中的低點(diǎn)建立初始模型，初始模型的三角形大多數(shù)低于地面，只有最高點(diǎn)接觸到地表。然后，算法通過反復(fù)加入新的激光點(diǎn)開始向上擴(kuò)建模型，每個(gè)加入的點(diǎn)使模型更加貼近地表[10]。

精修地面點(diǎn)生成DEM，選擇生成可編輯模型，可根據(jù)需要，設(shè)置不同顏色層數(shù)。通過 DEM 截取截面來(lái)修補(bǔ)地面點(diǎn)，設(shè)置好截取斷面窗口后在DEM 視圖選擇相應(yīng)修改位置，拉取剖面線，選擇剖面寬度，完成選擇后會(huì)在設(shè)置好的剖面視圖中彈出剖面。利用模型中的工具結(jié)合 DEM 模型，對(duì)分類錯(cuò)誤的地面點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)。

6 精度檢測(cè)及評(píng)價(jià)

使用多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)河道堤防進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和處理是影響精度的關(guān)鍵因素，因此,必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行分析，尤其是點(diǎn)云的高程精度，需要通過外業(yè)采集檢驗(yàn)點(diǎn)與處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。

由于激光點(diǎn)云是對(duì)目標(biāo)表面離散不規(guī)則分布點(diǎn)的位置描述，密度與光斑大小、激光器發(fā)射頻率、飛行速度等因素有關(guān)，故很難準(zhǔn)確地找到控制點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的激光腳點(diǎn)。因此，本文采用內(nèi)插特征點(diǎn)對(duì)比分析法對(duì)數(shù)字高程模型的精度進(jìn)行分析。

內(nèi)插特征點(diǎn)對(duì)比分析其實(shí)質(zhì)是根據(jù)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)利用多項(xiàng)式對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的表面空間形態(tài)的擬合，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算，按照一定要求計(jì)算分布格網(wǎng)點(diǎn)的高程值。通過在格網(wǎng)點(diǎn)中找出明顯地物特征點(diǎn)的坐標(biāo)，如線狀地物的交點(diǎn)、房屋角點(diǎn)等，并用 GPS 或全站儀測(cè)量出這些特征點(diǎn)的坐標(biāo)[11-13]。將內(nèi)插坐標(biāo)值與測(cè)量坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析與統(tǒng)計(jì)，得到點(diǎn)位精度。

根據(jù)《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1∶500 1∶1 000 1∶2 000 數(shù)字高程模型》(CHT 9008.2—2010)規(guī)定中的高程中誤差確定數(shù)字高程模型的精度，高程中誤差的計(jì)算公式如下：

(1)

式中:

δ——DEM的中誤差；

n——檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)；

Zk——檢查點(diǎn)的高程；

Rk——內(nèi)插出的DEM高程。

本次試驗(yàn)從外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)均勻采集了53個(gè)點(diǎn)作為檢驗(yàn)點(diǎn)，高程誤差分析結(jié)果和點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見表2和表3。

從表2中可以看出，大多數(shù)的高程較差在±0.02 m以內(nèi)，最大為0.069 m, 說明此次采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程精度可靠。從表3中可知，檢查點(diǎn)的高程中誤差為0.02，高程精度完全滿足1∶500地形圖要求[14]，可用于河道堤防地形圖的制作。

表2 高程精度檢驗(yàn) m

表3 點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過采用多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)河道堤防進(jìn)行測(cè)量，解決了測(cè)量區(qū)域由于無(wú)法使用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量，而采用車載式和背包式針對(duì)河道堤防的特點(diǎn)相結(jié)合的方式獲得測(cè)區(qū)的地面點(diǎn)云。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和外業(yè)精度檢驗(yàn)，高程精度完全符合相關(guān)規(guī)范要求，可用于滿足高精度地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。對(duì)后續(xù)利用多平臺(tái)激光雷達(dá)系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用提供了重要的參考。

本次試驗(yàn)也存在一些不足，采集過程中岸邊植被和其他建筑物會(huì)對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生干擾，在車載和背包無(wú)法采集到的地方仍需人工補(bǔ)測(cè)及車載和背包數(shù)據(jù)會(huì)存在分層現(xiàn)象，在后續(xù)數(shù)據(jù)采集與處理過程中有待優(yōu)化。