劉昌軍 ，孫 濤 ，張琦建 ，唐學(xué)哲 ，郭 良

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京;2.河南省水利信息中心，450003，鄭州;3.河南省水下救助搶險(xiǎn)隊(duì)，450003，鄭州)

一、背景及概況

采用無人機(jī)雷達(dá)航測(cè)技術(shù)完成了河南省欒川縣協(xié)心小流域的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和分辨率優(yōu)于0.2 m的航拍影像數(shù)據(jù)獲取，按照航測(cè)技術(shù)要求加工制作了欒川協(xié)心小流域內(nèi)的高精度DEM(數(shù)字高程模型)、DLG(數(shù)字線劃地圖)、DOM(數(shù)字正射影像)數(shù)據(jù)，根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)野外測(cè)量有關(guān)技術(shù)要求和山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)有關(guān)技術(shù)要求，利用開發(fā)的軟件自動(dòng)提取了沿河村落居民戶位置、高程數(shù)據(jù)和河道縱橫斷面數(shù)據(jù)，并利用GNSSRTK對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度對(duì)比分析。

通過對(duì)無人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接提取建筑物邊界和高程坐標(biāo)的計(jì)算方法以及基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)批量獲取河道斷面的數(shù)據(jù)處理方法?；谏鲜鏊惴?，開發(fā)了無人機(jī)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件。此軟件大大提高了激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理效率，直接獲取山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)所需的數(shù)據(jù)，有利于該技術(shù)在全國山洪調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目中的推廣應(yīng)用。

二、無人機(jī)激光雷達(dá)航測(cè)設(shè)備及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.無人機(jī)激光雷達(dá)設(shè)備組成及原理

欒川協(xié)心小流域無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備為奧地利某公司最新推出的無人機(jī)掃描系統(tǒng)。無人機(jī)掃描系統(tǒng)由最大載荷15 kg的AF-25B型無人直升機(jī)搭載RIEGL VUX-SYSTEM激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，該掃描系統(tǒng)由激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)、相機(jī)和POS系統(tǒng)等組成?？紤]到無人機(jī)載重問題，高清航拍數(shù)據(jù)是由固定翼無人機(jī)搭載相機(jī)獲取的。

RIEGL VUX-SYSTEM主要包括加拿大某公司的高性能、高集成度、超輕的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和RIEGL VUX-1雷達(dá)系統(tǒng)等。整個(gè)掃描系統(tǒng)重量約為8 kg，為目前全球最輕、專業(yè)測(cè)量級(jí)的無人機(jī)掃描系統(tǒng)。RIEGLVUX-1雷達(dá)測(cè)量精度為10 mm，掃描速度為200線/s，每秒可獲取55萬點(diǎn)。激光發(fā)射頻率高達(dá)550 kHz，最大測(cè)量高度為900 m，掃描視場(chǎng)角可達(dá)330°，完全的平行線掃描，激光點(diǎn)分布均勻。

2.無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)中具有以下優(yōu)勢(shì):

①現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)速度快、數(shù)據(jù)精度高，適合小范圍高精度數(shù)據(jù)獲取;可通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類處理，快速自動(dòng)獲取山區(qū)小流域 DEM、DLG、DOM等數(shù)據(jù)。

②實(shí)施周期短、成本低，激光雷達(dá)可穿透植被，能夠得到地表和地面的各種高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

③利用數(shù)據(jù)處理軟件，可快速、高效、批處理得到河道地面點(diǎn)云、縱橫斷面圖、河道糙率、河道斷面數(shù)據(jù)和居民戶高程數(shù)據(jù)等，彌補(bǔ)了人工實(shí)測(cè)效率低、不連續(xù)、不直觀的不足。

綜上所述,老年骨科患者行硬膜外麻醉處理較全身麻醉處理具備更高的應(yīng)用價(jià)值,可有效降低老年患者術(shù)后認(rèn)知功能障礙的發(fā)生率,因此,值得臨床使用并推廣。

④結(jié)合專業(yè)水文分析模型，可大大提高山丘區(qū)小流域洪水計(jì)算和預(yù)報(bào)精度，高精度數(shù)據(jù)可用于繪制山丘區(qū)小流域的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。

三、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

本次示范區(qū)范圍為河南省欒川縣協(xié)心小流域。

欒川縣位于河南省西部，總面積2478 km2，東西長 78.4 km，南北寬57.2km。全縣境內(nèi)有伊河、小河、明白河、淯河等四大河流，分屬黃河、長江水系。大小支流604條，河網(wǎng)密度0.59km/km2。其地勢(shì)西南高而東北低，地貌起伏跌宕，形成中山、低山和河谷三種類型。

協(xié)心小流域主干流為陶灣南溝，流域面積54 km2，其流域周長為44 km，沿河有4個(gè)村69個(gè)自然村組。利用無人機(jī)航拍共完成141km2的0.1m分辨率的影像數(shù)據(jù)。利用無人機(jī)雷達(dá)獲取了河道內(nèi)約50km2的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)間距約為0.05 m。

四、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及軟件開發(fā)

采用C++和OPENGL語言自主研發(fā)了三維可視化無人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件是一款操作簡(jiǎn)便、可視化功能強(qiáng)大的三維激光點(diǎn)云處理軟件，具有數(shù)據(jù)管理與分析、激光點(diǎn)云刪除與合并處理、激光點(diǎn)云分類(地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云分類、建筑物和植被的分類、基于多分辨率的點(diǎn)云監(jiān)督分類等)、激光點(diǎn)云變形比較、多尺度的點(diǎn)云比較算法、系統(tǒng)控制和制圖輸出等功能。

1.激光點(diǎn)云地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)分類

利用基于網(wǎng)格分塊的植被過濾技術(shù)對(duì)協(xié)心小流域激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，可分為地面點(diǎn)數(shù)據(jù)和非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)兩類。具體分類算法步驟如下:

①對(duì)原始LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)所在區(qū)域建立格網(wǎng)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照格網(wǎng)劃分，建立格網(wǎng)和點(diǎn)云索引。

②選取格網(wǎng)內(nèi)最低點(diǎn)，建立初始稀疏TIN模型。

③逐格網(wǎng)計(jì)算各點(diǎn)距TIN網(wǎng)內(nèi)的距離，并將當(dāng)前格網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)按高程順序排列。將大于2/3距離高度的點(diǎn)歸為植被點(diǎn)，其他歸為地面點(diǎn)類，并遍歷所有格網(wǎng)。

④逐步建立漸進(jìn)TIN，重復(fù)“步驟③”，直到每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)地面點(diǎn)高度小于給定閾值。

2.建筑物自動(dòng)提取算法

利用上述算法將激光點(diǎn)云分為地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云兩類，從非地面點(diǎn)云中利用拓?fù)渚垲惖姆椒▽?duì)每個(gè)建筑物進(jìn)行識(shí)別，并自動(dòng)提取建筑物的輪廓和中心點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算建筑物中心點(diǎn)處的地面點(diǎn)高程。具體計(jì)算流程見圖1。

3.斷面批量生成技術(shù)

利用作者等提出的基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的河道斷面批量處理方法，對(duì)地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行縱橫斷面提取。具體提取算法見本文參考文獻(xiàn)《三維激光掃描技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用》。

五、數(shù)據(jù)精度對(duì)比分析及主要成果

圖1 建筑物自動(dòng)提取流程圖

利用無人機(jī)可以獲取高精度地形和影像數(shù)據(jù)，以協(xié)心小流域?yàn)闃永?，采用GNSS RTK測(cè)量技術(shù)獲取了部分居民戶和河道斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)精度較高。選取倉房組、下河西組、楊莊組、河柳樹溝組中344個(gè)GPS測(cè)量點(diǎn)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作出分布圖(略)，經(jīng)軟件自動(dòng)對(duì)比分析，所有測(cè)試點(diǎn)中誤差為0.22m，其中高程誤差在0.2 m以內(nèi)的有289個(gè)點(diǎn)，占GPS測(cè)量總點(diǎn)數(shù)的84%;高程誤差在0.5 m以內(nèi)的有317個(gè)點(diǎn)，占GPS測(cè)量總點(diǎn)數(shù)的92.3%(測(cè)量規(guī)范中的山丘區(qū)高程誤差為0.5 m)。

個(gè)別測(cè)試誤差較大點(diǎn)位置基本位于建筑物區(qū)域，主要原因是由于房屋遮擋或GPS測(cè)量點(diǎn)和無人機(jī)的測(cè)量點(diǎn)不在同一位置。造成誤差較大的點(diǎn)的具體原因包括:①由于lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平面誤差，GPS測(cè)到變坡點(diǎn)最低點(diǎn)平面位置并不是激光點(diǎn)測(cè)到的最低點(diǎn)，進(jìn)而由于位置偏差而產(chǎn)生高程誤差。②由于植被過濾不干凈或局部有小土堆，造成激光點(diǎn)云與GPS測(cè)點(diǎn)的高程誤差較大。③因?yàn)榻ㄖ镎趽?，激光點(diǎn)云沒有測(cè)到最低地面點(diǎn)，造成激光點(diǎn)云與GPS測(cè)點(diǎn)的高程誤差較大。

本項(xiàng)目共完成141 km2的無人機(jī)激光雷達(dá)航測(cè)數(shù)據(jù)獲取，并按照《山洪災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求》對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，獲取了項(xiàng)目范圍區(qū)的1∶2000比例尺精度要求的 DEM、DLG、DOM數(shù)據(jù)成果，及河道斷面數(shù)據(jù)、居民戶(建筑物)位置坐標(biāo)和高程。圖2～圖6為協(xié)心小流域航測(cè)數(shù)據(jù)局部成果的展示。

圖2 協(xié)心小流域的部分激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 協(xié)心小流域高精度DEM數(shù)據(jù)

圖4 協(xié)心小流域局部地區(qū)地形圖

圖5 激光點(diǎn)云生成的河道橫斷面圖

六、結(jié) 論

(1)首次應(yīng)用無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行山丘區(qū)復(fù)雜三維地形環(huán)境下的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高。該技術(shù)可以在全國山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

(2)開發(fā)了滿足全國山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)有關(guān)技術(shù)要求的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，可以快速獲取項(xiàng)目要求的成果，極大地方便了項(xiàng)目應(yīng)用。

圖6 居民戶位置和宅基高程圖

(3)項(xiàng)目獲取的數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)信息量大，且較為豐富。數(shù)據(jù)成果可為山洪災(zāi)害的暴雨洪水計(jì)算、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)提供支撐，可在防災(zāi)減災(zāi)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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