黃湘

摘要：文章從水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)的需求和工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合小型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在廣西水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，分析了小型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可能性，其成果可有效地應(yīng)用于傳統(tǒng)水運(yùn)工程設(shè)計(jì)及BIM正向設(shè)計(jì)工作，提高了水運(yùn)工程建設(shè)的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù);水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U612文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

激光雷達(dá)技術(shù)是當(dāng)今測(cè)繪業(yè)先進(jìn)的遙感測(cè)量手段，是利用激光技術(shù)探測(cè)地質(zhì)環(huán)境信息的傳感器的統(tǒng)稱(chēng)。與傳統(tǒng)類(lèi)雷達(dá)不同，激光雷達(dá)是以激光作為載波，能夠快速、高精度地獲取空間三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)采集，主要應(yīng)用在智能汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、測(cè)繪、機(jī)器人等領(lǐng)域。該技術(shù)在采集地表數(shù)據(jù)方面具有傳統(tǒng)測(cè)繪和航空攝影測(cè)量無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：

（1）精度高。激光雷達(dá)波長(zhǎng)頻率比普通雷達(dá)微波至少高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠在分子量級(jí)上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，有很高的分辨率。

（2）抗干擾能力強(qiáng)。激光不受布線(xiàn)電波干擾，而且激光束非常小，多路徑效應(yīng)小，能夠探測(cè)低空目標(biāo)。

（3）體積小、質(zhì)量輕。傳統(tǒng)微波雷達(dá)體積大、重量重，不易運(yùn)輸和維修，而激光雷達(dá)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且體積小、重量輕，便于維修和攜帶。

目前激光雷達(dá)常用的測(cè)距技術(shù)有三種，分別是激光飛行時(shí)間法、調(diào)頻連續(xù)波法和三角法。其中激光飛行時(shí)間法是通過(guò)光脈沖在雷達(dá)與目標(biāo)間的飛行時(shí)間算出距離，適用于長(zhǎng)距離探測(cè);調(diào)頻連續(xù)波法是通過(guò)光的波動(dòng)變化和發(fā)射、接收光譜的頻率差異得出距離;三角法是通過(guò)幾何三角定理計(jì)算光斑位移，適合于短距離測(cè)量。

1 小型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在廣西水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)的港口碼頭、樞紐項(xiàng)目多為點(diǎn)狀的工程區(qū)域，且廣西大部分地區(qū)都是多山地貌，地形起伏較大，植被茂盛，由于GPS信號(hào)被遮擋、人員無(wú)法到達(dá)或全站儀無(wú)法通視等原因難以采集到所有地形特征點(diǎn)，傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量又無(wú)法穿透植被采集到地面點(diǎn)的數(shù)據(jù)，外業(yè)數(shù)據(jù)采集難度較大。小型機(jī)載激光設(shè)備機(jī)動(dòng)靈活，可以穿過(guò)植被間隙獲取樹(shù)冠、樹(shù)枝、地面精確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.1 地理空間數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)

小型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕的特點(diǎn)，不僅能夠獲得精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，便于攜帶，符合復(fù)雜地形測(cè)繪的需要。

1.2 BIM正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

三維地形數(shù)據(jù)是BIM正向設(shè)計(jì)中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)能有效克服植被影響，獲取工程所需的DLG（數(shù)字線(xiàn)畫(huà)圖）、DEM（數(shù)字高程模型）及三維激光點(diǎn)云等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足傳統(tǒng)水運(yùn)工程設(shè)計(jì)及BIM正向設(shè)計(jì)需要。

2 系統(tǒng)原理及技術(shù)路線(xiàn)

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是利用激光飛行時(shí)間法進(jìn)行水運(yùn)勘察的雷達(dá)技術(shù)，通過(guò)測(cè)得激光在目標(biāo)與傳感器之間的飛行時(shí)間，再結(jié)合飛行器的運(yùn)行線(xiàn)路及速度信息，就能夠精準(zhǔn)地算出目標(biāo)與傳感器之間的間距，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)換，得到直觀的三維數(shù)據(jù)。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由GPS系統(tǒng)（包括機(jī)載GPS和地面基站GPS）、INS系統(tǒng)（慣性測(cè)量系統(tǒng)）、激光掃描測(cè)距系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和飛行系統(tǒng)構(gòu)成。其具體技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

3 工程應(yīng)用

本研究以左江山秀船閘擴(kuò)能工程為依托項(xiàng)目。山秀電站工程區(qū)域地形復(fù)雜，山高路險(xiǎn)，植被茂盛，河道兩岸的石頭山十分陡峭，山峰山谷最大落差達(dá)300 m，而要獲取滿(mǎn)足初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)需求的1：500、1：1 000測(cè)圖比例地形數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量或爬上去利用GPS-RTK采集幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，不僅效率低，而且測(cè)量人員安全也得不到保障。為了克服困難，項(xiàng)目組采用小型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察后，根據(jù)山區(qū)地形特點(diǎn)制定詳細(xì)的航飛方案，利用大疆M600搭載SZT-R250三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行地面數(shù)據(jù)采集。

3.1 航飛設(shè)計(jì)

3.1.1 地面基站

為了保證水運(yùn)勘察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要在飛行區(qū)域內(nèi)安置一定數(shù)量的GPS基站，同時(shí)安置機(jī)載GPS，根據(jù)差分GPS技術(shù)要求，GPS基站與機(jī)載GPS距離應(yīng)≤30 km。本項(xiàng)目工程測(cè)圖測(cè)區(qū)為山秀水電站上游2.4 km至下游1.9 km，總面積約6.0 km2，在樞紐壩上布設(shè)1個(gè)基站即可滿(mǎn)足要求。站點(diǎn)原則：架設(shè)在GPS D級(jí)控制點(diǎn)上;基站設(shè)備：中海達(dá)iRTK 5 X雙頻GPS設(shè)備，續(xù)航能力8 h以上;觀測(cè)要求：GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)采樣間隔0.5 s，最小衛(wèi)星數(shù)4顆，衛(wèi)星截止高度角5°，量取GPS天線(xiàn)高，填寫(xiě)觀測(cè)手簿等相關(guān)資料。

3.1.2 航線(xiàn)規(guī)劃

按照作業(yè)要求，規(guī)劃?rùn)z校航線(xiàn)、數(shù)據(jù)采集航線(xiàn)，包括航帶間重疊度、飛行高度、飛行速度、掃描儀掃描頻率、掃描儀覆蓋范圍等的規(guī)劃。具體的航線(xiàn)可以根據(jù)工程區(qū)域KML、DEM高程進(jìn)行初步規(guī)劃，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察后，由地表情況進(jìn)行飛行高度、飛行速度等的進(jìn)一步調(diào)整，以保證數(shù)據(jù)采集作業(yè)的安全性與有效性。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和正射影像制作。預(yù)處理包括解算原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和原始影像兩部分，將算好的軌跡數(shù)據(jù)（.POS）和掃描儀數(shù)據(jù)（.RXP）導(dǎo)入PointProcess進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合，得到平行器精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理可以采用不規(guī)則三角網(wǎng)法，輸入外業(yè)航飛記錄參數(shù)，根據(jù)激光點(diǎn)反射率及距離進(jìn)行粗濾波來(lái)過(guò)濾噪點(diǎn)，得到高精度位置信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（.LAS），對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)分類(lèi)，快速自動(dòng)分離出精細(xì)的地面點(diǎn)。正射影像制作可以得到精準(zhǔn)的影像，利用攝影測(cè)量系統(tǒng)參考點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行正射糾正和影像的無(wú)縫鑲嵌。

3.3 精度分析

為評(píng)定無(wú)人機(jī)機(jī)載激光測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)量項(xiàng)目組采用常規(guī)的GPS-RTK、全站儀在工程區(qū)域采集了5 844個(gè)地形點(diǎn)，這些地形點(diǎn)涵蓋平坦的耕地、山秀大壩、建筑物、山上裸露石頭及懸崖峭壁地形特征點(diǎn)等。

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理后，除去非地面點(diǎn)后，獲取了約104萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與常規(guī)GPS-RTK、全站儀采集地形點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)果顯示絕大部分地形點(diǎn)的精度符合1：500測(cè)圖精度，高程中誤差為12.6 cm。其中，有330個(gè)地形點(diǎn)的高程誤差超過(guò)40 cm，主要集中在懸崖峭壁、房屋角頂以及陡坎處，還有一部分應(yīng)該是植被完全覆蓋區(qū)域，機(jī)載激光雷達(dá)無(wú)法通過(guò)縫隙穿透植被，或者被植被下方的水吸收后沒(méi)有采集到數(shù)據(jù)，在擬合過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。

3.4 在水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

利用小型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)快速高效獲取的三維地理信息數(shù)據(jù)，可用于研究工程區(qū)域的宏觀地理環(huán)境，供各種空間查詢(xún)及空間分析。通過(guò)精細(xì)化的三維實(shí)景模型及地形模型、高精度的DLG、高分辨率的DOM等多源數(shù)據(jù)相結(jié)合，可為水運(yùn)工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)各階段提供可視化展示、管理、決策支持等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有效降低工程項(xiàng)目各階段的數(shù)據(jù)生產(chǎn)、溝通成本，提高數(shù)據(jù)精度和工作效率，為BIM技術(shù)在工程全生命周期應(yīng)用的各階段提供良好的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語(yǔ)

小型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用前景廣闊，不僅精準(zhǔn)度高，而且抗干擾能力強(qiáng)，體積小，重量輕，便于攜帶和維修，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)工作中的缺陷，有關(guān)單位應(yīng)不斷擴(kuò)展、深化機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在水運(yùn)勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，構(gòu)建全要素三維場(chǎng)景模型，為BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)提供精細(xì)化的基礎(chǔ)地理信息，實(shí)現(xiàn)兩種新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成GIS+BIM的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐祖艦，王滋政，陽(yáng) 峰.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及工程應(yīng)用實(shí)踐[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

[2]梁 興，李 虹，竇延娟.小型機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在植被覆蓋區(qū)域輸電線(xiàn)路工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（3）：12-14.

[3]任曉春.鐵路勘察設(shè)計(jì)中BIM與GIS結(jié)合方法討論[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014 （5）：80-82.

[4]聞 平，王 沖，吳小東，等.水利水電工程設(shè)計(jì)中BIM與三維GIS集成技術(shù)研究[C].第二屆全國(guó)巖土工程BIM技術(shù)研討會(huì)論文集，2017.