張 奇，袁小勇，甄 龍，易 祎，歐陽(yáng)亞

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430071)

1 引言

近年來(lái)，全國(guó)各地逐步開(kāi)展了多項(xiàng)礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程。如何快速準(zhǔn)確獲取礦山地形信息，為礦山修復(fù)工作開(kāi)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，已經(jīng)成為當(dāng)前需要迫切解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。常規(guī)的人工測(cè)量手段，工作量大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，并且存在一定安全隱患,傳統(tǒng)的搭載可見(jiàn)光相機(jī)的無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)，無(wú)法克服高密度植被影響，提供的數(shù)字高程模型精度較低。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量(LightDetection And Ranging，LiDAR)是一種新興的主動(dòng)遙感測(cè)量技術(shù)[1，2]，可以直接高效地獲取高精度的地面高程信息，且不受天氣影響，被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、林業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域[3～5],其對(duì)植被具有很強(qiáng)的穿透能力，可以迅速、精準(zhǔn)地探測(cè)到各類區(qū)域的地理數(shù)據(jù)信息[6～8]，能夠快速、直接、大范圍地獲取高精度的地表模型，在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程中具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。

2 LiDAR理論基礎(chǔ)

激光雷達(dá)LiDAR是一種集激光、全球定位系統(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字化三維模型。它是一種主動(dòng)航空遙感裝置，是實(shí)現(xiàn)地面三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實(shí)現(xiàn)地物三維實(shí)時(shí)、變化、真實(shí)形態(tài)特性再現(xiàn)的一種國(guó)際領(lǐng)先的測(cè)繪高新技術(shù)[10，11]。

由回波測(cè)距測(cè)量距離、POS系統(tǒng)測(cè)量飛機(jī)姿態(tài)和激光束掃描角度，即可以獲得激光束在地面撞擊點(diǎn)的三維坐標(biāo)，同時(shí)結(jié)合掃描裝置，即可獲得反射物體的表面信息，現(xiàn)場(chǎng)采用的旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡，相對(duì)于其它掃描儀來(lái)說(shuō)具有掃描點(diǎn)均勻分布的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用多次回波探測(cè)技術(shù)，可穿透喬木、灌木、草叢等植被直達(dá)地表，獲取地面高程，特別適用于夏季高密度厚植被區(qū)域作業(yè)[12]。

3 LiDAR內(nèi)外業(yè)一體數(shù)據(jù)處理流程

3.1 激光雷達(dá)及無(wú)人機(jī)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)采用的高精度多平臺(tái)激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、車載、背包等作為運(yùn)載測(cè)量平臺(tái)。該系統(tǒng)搭載了長(zhǎng)測(cè)距、高精度激光掃描儀，Riegl激光頭，最大測(cè)程920 m，激光發(fā)射頻率55萬(wàn)點(diǎn)/s，測(cè)量精度10 mm，具備多次回波探測(cè)技術(shù)；同時(shí)有效集成了高精度IMU、同步控制單元和高清相機(jī)，實(shí)現(xiàn)空中與陸地?cái)?shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接，能實(shí)時(shí)、快速地獲取地形表面的三維空間信息和影像，具有集成度高、質(zhì)量輕、數(shù)據(jù)精度高、多平臺(tái)、快速拆裝、方便攜帶等特點(diǎn)，能夠大大提高外業(yè)作業(yè)效率[13]。

無(wú)人機(jī)設(shè)備采用大黃蜂四旋翼無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有科學(xué)美觀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高度集成化的生產(chǎn)工藝以及全自動(dòng)化的飛控系統(tǒng)，能保證高效且安全可靠的完成各種航飛任務(wù)。

3.2 飛行平臺(tái)初始化與激光雷達(dá)檢校

由于多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)采用的是GNSS定位，在飛行數(shù)據(jù)采集前和數(shù)據(jù)采集后都需在設(shè)定的起飛點(diǎn)進(jìn)行GNSS搜星和初始化定位。正常情況下為保證高精度數(shù)據(jù)采集要求，衛(wèi)星數(shù)至少保證在14顆以上。

LiDAR經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途運(yùn)輸或較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)作業(yè)后，需要對(duì)其進(jìn)行檢核校正。一般需要在城鎮(zhèn)區(qū)域道路房屋密集位置，進(jìn)行校核測(cè)量工作，測(cè)量改正數(shù)通過(guò)軟件修正，同時(shí)利用變化航線對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，校驗(yàn)測(cè)量相對(duì)精度。

飛行平臺(tái)初始化與激光雷達(dá)檢校完成之后，需要架設(shè)好地面基準(zhǔn)站，采用靜態(tài)作業(yè)模式，采樣間隔設(shè)置為1 Hz，覆蓋范圍不超過(guò)3 km。

3.3 LiDAR航線設(shè)計(jì)

飛行數(shù)據(jù)采集前需提前了解測(cè)區(qū)的詳細(xì)情況(包括周邊建筑物高度、高壓電力線分布及高度、大型通訊基站高度及位置等信息)，航線設(shè)計(jì)起飛點(diǎn)應(yīng)盡量選擇測(cè)區(qū)中間，保證無(wú)人機(jī)在航飛數(shù)據(jù)采集過(guò)程中與遙控器通訊鏈路正常連接。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，LiDAR航測(cè)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置要求如下。

(1)航高：80～450 m，根據(jù)項(xiàng)目精度要求，合理設(shè)置航高。在保證安全前提下，精度要求越高，適當(dāng)降低航高；精度要求越低，可適當(dāng)提升航高。

(2)航速：6～14 m/s，不同比例尺的地形測(cè)量，對(duì)點(diǎn)云點(diǎn)密度要求不同，根據(jù)航高和激光點(diǎn)密度合適設(shè)置航速。

(3)航間距：80～300 m，根據(jù)項(xiàng)目精度要求和成果需求來(lái)設(shè)定，若只要求采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可適當(dāng)增大航間距，保證點(diǎn)云重疊率50%即可；若要求同時(shí)采集點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，則以影像旁向重疊率(一般以60%為準(zhǔn))來(lái)確定航間距，此種情況適當(dāng)降低航間距。

初始化完成后，飛手按照設(shè)定好的飛行航線進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中需時(shí)刻注意無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)與高度，確保無(wú)人機(jī)飛行安全。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

3.4.1 POS數(shù)據(jù)融合解算

步驟如下：新建工程→原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→添加基準(zhǔn)站、移動(dòng)站原始數(shù)據(jù)→GNSS/INS解算→Combine→平滑處理→輸出結(jié)果。

3.4.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成

將高精度POS文件及激光點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入解算軟件，設(shè)定項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)及解算參數(shù)，解算出通用的LAS格式高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類處理

因?yàn)榧す饫走_(dá)系統(tǒng)接收的反射激光點(diǎn)包含多種信息(地面點(diǎn)、建筑物點(diǎn)、植被點(diǎn)、錯(cuò)誤點(diǎn)等)，因此需要對(duì)不同類型的點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，從中提取出有用信息。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類：首先進(jìn)行整體去噪、濾波處理、分離低點(diǎn)；然后再進(jìn)行地面點(diǎn)分類，分離出如房屋、樹(shù)木、電桿、輸電線路等地物；最后得到地面點(diǎn)云。因原始點(diǎn)云數(shù)量過(guò)多，不利于DEM的繪制，需根據(jù)需求對(duì)地面點(diǎn)云進(jìn)行抽稀提取，得到合適密度的高程點(diǎn)，最后建立DEM模型，生成等高線(圖1)。

圖1 生成的等高線

4 工程實(shí)例應(yīng)用探討與分析

4.1 工程概況

本次應(yīng)用探討以國(guó)內(nèi)某礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)測(cè)量為依托，該項(xiàng)目共計(jì)253座礦山，零散分布在46 km2的范圍內(nèi)，礦區(qū)以開(kāi)采錳礦為主，小部分開(kāi)采重晶石礦。礦山斷續(xù)開(kāi)采已有近百年歷史，開(kāi)采方式主要采用露天開(kāi)采。礦區(qū)內(nèi)地形主要為陡崖，陡坎，斜坡等，有少量地物如房屋，500 kV、220 kV等高等級(jí)輸電線路，10 kV、380 V等低等級(jí)輸電線路、通訊線、道路、機(jī)械設(shè)備、墳、廠房、水塘、礦坑及碎石堆等。測(cè)繪植被覆蓋率高達(dá)75%，種植有松樹(shù)、桉樹(shù)、雜樹(shù)、經(jīng)濟(jì)林等，部分區(qū)域有水田和旱地，種植有經(jīng)濟(jì)作物水稻、玉米等；測(cè)區(qū)碎石林立、地形支離破碎極不完整，測(cè)區(qū)高差110 m，傳統(tǒng)測(cè)量手段難以滿足工期需求和測(cè)量精度需求(圖2)。

圖2 測(cè)區(qū)概略及LiDAR航線布設(shè)

4.2 LiDAR外業(yè)飛行及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

本工程LiDAR外業(yè)飛行航高設(shè)置為110 m，飛行速度為10 m/s，共計(jì)作業(yè)4 d，累計(jì)飛行面積20 km2，飛行30個(gè)架次。經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，包括基站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、POS數(shù)據(jù)融合解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、濾波、分類等，得到礦區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，疊加礦區(qū)的數(shù)字正射影像(DOM)后，生成成品數(shù)字線劃圖(DLG)文件(圖3～7)。

圖3 植被穿透性(回波渲染)

4.3 LiDAR測(cè)量精度分析

為檢測(cè)LiDAR的測(cè)量精度，現(xiàn)場(chǎng)在各個(gè)礦區(qū)隨機(jī)選擇抽檢1300個(gè)GNSSRTK測(cè)量點(diǎn)，得到實(shí)測(cè)高程和點(diǎn)云高程的差值，高差平均值-0.037 m，差值最大值1.352 m，差值最小值-1.055 m，差值中誤差±0.248。高差離散點(diǎn)分布情況如圖8所示。

圖4 植被覆蓋區(qū)域穿透效果

圖5 測(cè)區(qū)內(nèi)A區(qū)域正射影像

圖6 A區(qū)域?qū)?yīng)的未進(jìn)行分類的原始點(diǎn)云

從圖8～10可以看出，GNSSRTK實(shí)測(cè)高程和點(diǎn)云高程的差值大多集中在-0.5～0.5 m區(qū)間范圍之間，所占百分比為97%，其中-0.3～0.3 m分布區(qū)間占比達(dá)到90%，-0.1～0.1 m分布區(qū)間所占比超過(guò)50%，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差為0.25 m，遠(yuǎn)滿足相關(guān)規(guī)范要求，說(shuō)明此次LiDAR高程測(cè)量精度良好；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選擇了一塊區(qū)域進(jìn)行GNSS RTK實(shí)測(cè)，分別用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算挖填方土石方平衡，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的土石方量為35223 m3，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的土方石量為35018 m3，相差205 m3的土方量，誤差為5.8‰，基本可以忽略不記，說(shuō)明LiDAR高程測(cè)量精度完全可以滿足礦區(qū)測(cè)量需要。

圖7 A區(qū)域?qū)?yīng)的分類之后的地面點(diǎn)云

圖9 高差分布區(qū)間所占百分比

圖10 高差正態(tài)分布

5 結(jié)論與展望

LiDAR相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，具有極高的分辨率、獲取的信息量豐富、可全天時(shí)工作、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成果的整體精度與精細(xì)程度更高，生產(chǎn)效率更高、工期相對(duì)較短，成果質(zhì)量更有保障，應(yīng)用價(jià)值更加深遠(yuǎn)[14]。

礦山修復(fù)工程測(cè)量因地形支離破碎、坑坑坎坎、碎石零亂,植被覆蓋率高, 傳統(tǒng)測(cè)量手段無(wú)能為力, 由于激光具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠獲取到更高精度的DEM地形表面數(shù)據(jù), LiDAR高程測(cè)量精度相比其他航測(cè)手段的測(cè)量精度要高,且采集的原始點(diǎn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)航測(cè)，即使分類后平均1 m2至少一個(gè)、甚至幾十個(gè)地面點(diǎn)，這是傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)采集或人工采集手段所無(wú)法比擬的,從而保障了礦山修復(fù)測(cè)量工作的質(zhì)量.對(duì)礦山修復(fù)工程后期的消方整形、底盤(pán)平整、混凝土客土噴播、覆土綠化、土地復(fù)墾等生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作可以提供更為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)[15]。因此，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工程測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景；同時(shí)，也可以廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。