范廣亮

(齊齊哈爾市水利勘測設計研究院有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引 言

近些年來我國的經濟在飛速發(fā)展，水利堤防及配套灌區(qū)也在大規(guī)模的建設，面對如此大的工程量，如何進行高效的管理，怎樣保證河流堤防、灌區(qū)各溝渠的安全使用顯得尤為重要。堤防及灌區(qū)溝渠主要是跨區(qū)域分布，所處的地理環(huán)境往往結構復雜，傳統(tǒng)的巡線檢查不僅需要大量的人力，而且所要完成巡線消耗的周期長。研究機載LIDAR在水利工程巡線的應用，使許多工作能夠快速的完成，也可以降低勞動強度；應急反應快且能夠及時發(fā)現(xiàn)缺陷，及時提供信息，可以挽回堤防和溝渠道破壞造成的損失[1]。

1 機載LIDAR系統(tǒng)

1.1 機載LIDAR系統(tǒng)硬件組成

機載LIDAR系統(tǒng)硬件由測量姿態(tài)裝置、GPS裝置、激光掃描測距系統(tǒng)、數(shù)碼相機、系統(tǒng)控制器組成。

1.2 機載LIDAR系統(tǒng)的原理

機載LIDAR系統(tǒng)的定位原理如圖1所示。

激光掃描儀搭載的系統(tǒng)平臺可以分為固定式和移動式兩種。求得掃描中心到目標物體的距離是激光掃描儀定位的關鍵，其中測量精度決了掃描精度。目前現(xiàn)有的激光測距儀器其原理有三角測量式、脈沖式、相位式和脈沖—相位式4種[2]。

圖1 機載LIDAR的定位原理

1.3 機載LIDAR系統(tǒng)的掃描方式

機載LIDAR系統(tǒng)的掃描方式分為脈沖式、振蕩式、旋轉棱鏡式、章動式掃描、光纖式掃描，目前大部分機載激光掃描儀都是采用的脈沖式。

1.4 機載LIDAR內外業(yè)處理流程

1.4.1 作業(yè)流程

機載LIDAR的作業(yè)流程主要是計劃的制定、外業(yè)數(shù)據的采集和內業(yè)數(shù)據處理。

1.4.2 機載LIDAR外業(yè)數(shù)據的獲取

在正式外業(yè)數(shù)據獲取之前必須制定以下完整的周密計劃方案：

1)建立GPS基準站——測區(qū)內建立兩個以上架設有高精度GPS接收機的基準站，并與機載的POS設備同時記錄。

2)飛行區(qū)的數(shù)據準備——整理攝影區(qū)域地圖資料。

3)航線設計——降低飛行成本，保證飛行質量。

1.4.3 機載LIDAR內業(yè)數(shù)據的處理

通過測量得到的數(shù)據主要是地面基站GPS數(shù)據、加載GPS數(shù)據和IMU數(shù)據、激光數(shù)據以及影像數(shù)據。數(shù)據處理流程是：①數(shù)據分離③GPS后處理差分③GPS和IMU的集成④點云數(shù)據的生成⑤數(shù)據的查看與顯示[3]。

1.5 機載LIDAR數(shù)據

機載LIDAR獲得的數(shù)據類型主要是點云數(shù)據和影像數(shù)據。

1.5.1 點云數(shù)據

激光掃描器對地面掃描得到不同格式的點與數(shù)據，所以對處理數(shù)據的軟件平臺也不同。目前，主要的LIDAR點云數(shù)據格式有LDEFS(Lidar Data Exchange Format Standard)格式、柵格格式和自定義格式。具體為*.las、*.xyz、*.E57、*.lasd、*.asc等。

1.5.2 影像數(shù)據

LIDAR能夠得到遙感技術所測不到的三維坐標，其中包含了高程數(shù)據，目前LIDAR系統(tǒng)上都安裝有數(shù)碼相機來輔助LIDAR獲取光譜和紋理信息，輔助進行地物分類。通過獲取的影像數(shù)據、POS數(shù)據、數(shù)碼相機與POS之間的相對位置、相機的內方位元素和相機畸變差、LIDAR獲取的DSM來獲得真數(shù)字正攝影像。

2 機載LIDAR在水利巡線中的應用

2.1 機載LIDAR得到物體的數(shù)據處理

2.1.1 濾波處理點云數(shù)據

利用濾波的原理，可以準確區(qū)分堤防或者灌區(qū)內溝渠上較高的植被、電塔等地物，地物高程變化并不是地形的變化引起的，而是相鄰的激光腳點的高程突然變化。大多數(shù)的機載LIDAR都是根據激光腳點的突然變化進行濾波處理，一般有TIN濾波、曲面擬合濾波、高程紋理分析法和坡度濾波幾種。用機載LIDAR得到水利巡線的數(shù)據非常復雜，根據TIN濾波的算法，我們把灌區(qū)或者堤防劃分成不同的地塊，把高程較低的點作為初始點，之后把高程較低的點比作地面上的點，最后建立三角網模型。假如α、β、γ、d的值比設定的閾值小，那么就可以認為這一點為地面點，然后重新建立三角網[4]。之后每一個點都是按照這樣的方法進行判斷，直到得到接近地面的三角網模型。TIN濾波如圖2所示。

圖2 TIN濾波

2.1.2 點云數(shù)據的分類

要提取這些地物不僅要進行濾波處理，因為濾波處理僅僅是分離的地面腳點(DTM)和地物腳點，所以還要進一步對地物腳點進行分類。利用高程紋理和形態(tài)學方法對濾波后的數(shù)據進行分類。LIDAR數(shù)據分類的原則：

1)原始高程數(shù)據——主要考慮分割一邊是高的物體。

2)高程差——像素周圍高程值的最大值與最小值之間的差值。

3)高程變化——描繪一定范圍的高程變化規(guī)律，它與高程差形成的高程紋理相似。

4)坡度——主要區(qū)分建筑物(橋、涵、閘)、道路和樹木。

圖3是經過濾波處理后得到的建筑物。

2.1.3 建筑物的提取

建筑物的點分布不同，線是像素寬，建筑物是點的聚集。腐蝕運算可以消除物體邊界，所以可以利用腐蝕運算消除線，之后運用膨脹運算計算出來連通區(qū)域，最后利用K值得到點群，建筑物可以利用面積進行區(qū)分。圖4是提取到的堤防附近的電塔。

圖3 濾波處理后的物體平面圖(左)和立體圖(右)

圖4 提取到的堤防附近的電塔

2.1.4 利用最小二乘法進行點的擬合

濾波和數(shù)學形態(tài)的數(shù)據處理得到的只是二維空間的線，線的提取還可以通過利用最小二乘法擬合得到三維的影像。

三維點云數(shù)據滿足線性回歸模型：

Z=aX+bY+c

(1)

式中：X、Y為點云數(shù)據的橫坐標和縱坐標；a、b、c為未知參數(shù)；Z為高程。根據得到的n對實驗數(shù)據得：

(2)

得到a、b、c的一次方程組：

(3)

由式(2.3)可以計算出a、b、c的最小二乘值，最后建立回歸模型。

根據上述原理，建立線的回歸模型，給不同的高度進行著色，得到線的結果，見圖5。根據不同的高度位置關系把高程相近的分為一組，然后編號，得到綠、藍、紅、黃線進行區(qū)分。

圖5 提取到線

2.2 水利巡線工程實例

某大型灌區(qū)，區(qū)域植被茂盛，樹木覆蓋率達56%。部分區(qū)域遠離城鎮(zhèn)和交通干線，地理環(huán)境復雜，無法通車。通過無人機激光雷達系統(tǒng)Li-Air和數(shù)據處理系統(tǒng)為測繪及巡線人員提供數(shù)據基礎，發(fā)現(xiàn)灌區(qū)內堤防、溝渠道、分水閘隱患。利用機載激光雷達測量系統(tǒng)獲取的高精度點云可以檢測河流當前水位。

通過巡線采集的激光點云數(shù)據，處理成標準的DEM，結合分類后的點云可以實現(xiàn)三維數(shù)字化，恢復規(guī)劃堤防、購渠道布線位置的地表形態(tài)、地表附著物(建筑、樹木等)三維位置和模型等，并將線路的屬性參數(shù)錄入，成為實現(xiàn)線路資產管理的重要依據。

在項目實施之前，首先基于GoogleMap對無人機飛行航線進行設計，航線設計成平行的航線如圖6所示。

將激光點云數(shù)據進行分類，分類點云數(shù)據后的影像如圖7所示。

圖6 巡線航線

圖7 分類后的點云數(shù)據

利用軟件對點云數(shù)據進行可視化這樣就可以把植被、建筑、堤防、溝渠道等關注地物標識出來，最后經過影像分析，進而找到破壞區(qū)域。

3 結 語

機載LIDAR系統(tǒng)運用于水利巡線中的優(yōu)點有：點云數(shù)據量大、數(shù)據的精度高、掃描速度快并且還包含有反射率信息以及RGB信息等。機載LIDAR的應用，應急迅速，能及時發(fā)現(xiàn)破壞點，及時提供信息，避免了農作物及人員財產遭到破壞的損失。