白 顥 王澤瑋 莫書(shū)鵬 韋其全 吳小曼 陳朝陽(yáng)

金景（海南）科技發(fā)展有限公司 海南 ?？?571158

1 概述

灘涂資源是重要的后備土地資源,具有面積大,分布集中,區(qū)位條件好,農(nóng)牧漁業(yè)綜合開(kāi)發(fā)潛力大的特點(diǎn),隨著海洋建設(shè)的發(fā)展,通過(guò)圍墾、引淡洗鹽,可較快形成農(nóng)牧漁業(yè)畜產(chǎn)用地,向海方向發(fā)展,可進(jìn)一步成為開(kāi)發(fā)海洋的前沿陣地。因此準(zhǔn)確掌握灘涂資源和海岸帶狀資源的現(xiàn)狀和變遷十分迫切和重要。

灘涂地形地貌測(cè)繪一直是測(cè)繪領(lǐng)域的難點(diǎn),受潮汐影響,測(cè)量作業(yè)非常時(shí)間有限,蘆葦植被茂密、淤泥較多,傳統(tǒng)的測(cè)量方式是由人工徒步在灘涂上測(cè)量,但是由于灘涂泥層較厚,承載能力差,潮溝遍布,泥沙松軟等存在一定的危險(xiǎn)性、無(wú)法高效便捷的完成測(cè)量任務(wù)。無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)無(wú)需提前布設(shè)標(biāo)靶、能夠很好的穿透蘆葦?shù)戎脖?獲取高精度的地形地貌數(shù)據(jù)。因此,采用機(jī)載雷達(dá)灘涂測(cè)繪的方法需具備精度高,周期短等特點(diǎn)。

在灘涂、島礁等區(qū)域采用移動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行三維空間地形數(shù)據(jù)獲取,從2010年之后,已經(jīng)被越來(lái)越多的學(xué)者提出并付諸嘗試[1]。目前通常情況下,針對(duì)大面積區(qū)域主要以機(jī)載大型激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集分析為主[2],同時(shí)也針對(duì)性的提出了基于機(jī)載移動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)濾波與數(shù)字高程模型（DEM）的數(shù)據(jù)處理方法[3,4],該方法也在部分區(qū)域得到了實(shí)踐與嘗試[5]。隨著技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的無(wú)人化平臺(tái)得到了廣泛的推廣及應(yīng)用,同時(shí)也拓展到了沿岸灘涂測(cè)量領(lǐng)域[6]。

2 移動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)簡(jiǎn)介

激光雷達(dá)系統(tǒng)（Light Detection and Ranging,簡(jiǎn)稱 Lidar）主要由激光測(cè)距儀（Laser Scanner）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System,簡(jiǎn)稱GPS）以及慣性測(cè)量單元（Inertial measurement unit,簡(jiǎn)稱IMU）三個(gè)基本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)有多種載體方式,車(chē)載,船載,機(jī)載等,根據(jù)不同的用途及相關(guān)的作業(yè)要求選取相應(yīng)的載體作業(yè)方式。LiDAR作為一種新興的測(cè)量技術(shù),其高靈活性、高準(zhǔn)確性、高安全性以及高效性等特點(diǎn)得到廣泛認(rèn)可,在測(cè)繪、資源調(diào)查、環(huán)境檢測(cè)、三維城市建模、災(zāi)害應(yīng)急處理、重大工程建設(shè)、國(guó)土監(jiān)察等領(lǐng)域擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。尤其是在地理信息領(lǐng)域方面,LiDAR技術(shù)的特點(diǎn)更能得到充分的發(fā)揮。

激光雷達(dá)系統(tǒng)各組成部分的主要功能如下:激光測(cè)距儀發(fā)射激光,記錄激光發(fā)射到物體并返回所用的時(shí)間、強(qiáng)度以及掃描角度等信息;GNSS系統(tǒng),記錄激光雷達(dá)系統(tǒng)的坐標(biāo)信息;IMU（慣性測(cè)量傳感器）,記錄激光雷達(dá)系統(tǒng)的加速信息,角度信息。各傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)融合解算得到具有絕對(duì)地理位置信息的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

激光雷達(dá)系統(tǒng)具有獲取數(shù)據(jù)精度高、速度快、范圍大、采樣密度高、直接獲取三維坐標(biāo)、有一定的穿透性、多重回波及回波強(qiáng)度信息等特點(diǎn)。解決了山區(qū)、灘涂、戈壁、森林、海島礁等特殊地區(qū)建立高精度數(shù)字高程模型（DEM）的難題。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟,廣泛應(yīng)用于森林調(diào)查,資源勘探,城市規(guī)劃,農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā),環(huán)境監(jiān)測(cè),防震減災(zāi),測(cè)繪和軍事等方面?？梢哉f(shuō)其是測(cè)繪技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

3 移動(dòng)激光雷達(dá)設(shè)備選型與數(shù)據(jù)采集處理方法

3.1 研究中所用激光雷達(dá)系統(tǒng)特點(diǎn)

移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)是由多種傳感器組成的復(fù)雜集成系統(tǒng),涉及衛(wèi)星定位導(dǎo)航與授時(shí)數(shù)據(jù)、慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)等。最終形成的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)是在上述多種數(shù)據(jù)同步融合后聯(lián)合解算獲得的。隨著各部分傳感器的發(fā)展,移動(dòng)激光雷達(dá)也向超小型、超便攜、高度集成的方向發(fā)展,從而實(shí)現(xiàn)了在多種有人與無(wú)人平臺(tái)上的搭載,尤其是滿足了小型無(wú)人機(jī)與無(wú)人船的搭載條件,大大提高了移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

金景科技研發(fā)的超輕便攜式Scan Look LiDAR系統(tǒng),具有體積小,重量輕,便于攜帶等特點(diǎn),可以在不同移動(dòng)平臺(tái)間輕松切換,無(wú)論無(wú)人機(jī)、汽車(chē)、船、電動(dòng)車(chē)還是肩背均可輕松作業(yè),使用LiDAR系統(tǒng)室外快速空間信息獲取可以全方位覆蓋。不論是測(cè)量、GIS、工程建設(shè)、導(dǎo)航規(guī)劃、數(shù)字存檔、三維建模,Scan Look都將節(jié)省大量的人力和時(shí)間。Scan Look在獲取空間地理信息時(shí)無(wú)需精確標(biāo)瞄,外業(yè)團(tuán)隊(duì)可大大縮減,可以全天作業(yè),可在城市峽谷、隧道、林蔭道等GNSS信號(hào)較差或沒(méi)有的地方獲取高精準(zhǔn)的空間地理信息,輕松解決傳統(tǒng)方法無(wú)法測(cè)量的險(xiǎn)灘泥沼、交通流量極大的道路等區(qū)域,可全方位獲取城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、農(nóng)田、森林、湖泊、庫(kù)區(qū)、景區(qū)、公路、鐵路、電力等行業(yè)所需三維空間地理信息,高效便捷精準(zhǔn),極大的拓展了行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域!

3.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與處理方法

移動(dòng)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集與處理涉及到多個(gè)類(lèi)型數(shù)據(jù)的獲取和解算融合,圖1列出了LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的基本框架流程。在數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中主要包含下列幾個(gè)步驟:1）基準(zhǔn)位置基站架設(shè);2）移動(dòng)系統(tǒng)GNSS連續(xù)位置點(diǎn)與實(shí)時(shí)姿態(tài)（IMU）數(shù)據(jù)獲取;3）激光傳感器掃描數(shù)據(jù)獲取;4）時(shí)間同步數(shù)據(jù)獲取等。

圖1 移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與處理流程圖

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取完成后,進(jìn)入數(shù)據(jù)預(yù)處理解算流程,經(jīng)過(guò)GPS差分、IMU數(shù)據(jù)緊耦合、移動(dòng)軌跡點(diǎn)生成、激光三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合解算等,最終獲得具有絕對(duì)地理信息坐標(biāo)的三維點(diǎn)云空間信息數(shù)據(jù)。在此預(yù)處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步針對(duì)岸邊灘涂區(qū)域數(shù)據(jù)獲取的要求進(jìn)行濾波、植被去除以及DEM數(shù)字高程模型生成等處理。

4 工程測(cè)試區(qū)域及結(jié)果分析

4.1 測(cè)試區(qū)域概況

此次工程測(cè)量區(qū)域主要位于長(zhǎng)江入?？跒┩繀^(qū)域,受潮汐影響較大,作業(yè)前需提前查閱潮汐表資料制定相應(yīng)的作業(yè)計(jì)劃。部分區(qū)域蘆葦分布密集,覆蓋范圍較大,傳統(tǒng)測(cè)量方式與航拍影像測(cè)量均無(wú)法得到可靠的高程數(shù)據(jù)。結(jié)合激光雷達(dá)系統(tǒng)非接觸式及數(shù)據(jù)穿透特點(diǎn),可以極大的降低灘涂區(qū)域三維高程數(shù)據(jù)獲取的難度,顯著提高數(shù)據(jù)普查效率。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)成果分析

本研究中針對(duì)沿岸灘涂區(qū)域的三維地形測(cè)量,采用了無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)為主,船載激光雷達(dá)為輔的綜合數(shù)據(jù)獲取方式。數(shù)據(jù)獲取中采用規(guī)劃航線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)自主采集,在預(yù)處理三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)點(diǎn)云去燥、算法自動(dòng)識(shí)別分離地面點(diǎn)與植被、提取地表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）自動(dòng)生成,最后自動(dòng)完成高程地形圖的數(shù)據(jù)構(gòu)建。

4.3 成果精度驗(yàn)證分析

沿岸灘涂三維空間數(shù)據(jù)獲取中,最為關(guān)鍵的指標(biāo)為最終數(shù)字高程模型（DEM）中所獲取的高程精度的可靠性,這也是沿岸灘涂區(qū)域定期調(diào)查與災(zāi)害防控中最為重要的核心數(shù)據(jù)指標(biāo)。在本次研究中,共選取28個(gè)高程驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)核,圖2為復(fù)核點(diǎn)分布示意。表1為全部驗(yàn)證點(diǎn)數(shù)據(jù)高差驗(yàn)證結(jié)果。綜合上述復(fù)核點(diǎn)數(shù)據(jù),去除2個(gè)高程數(shù)據(jù)異常點(diǎn),最終獲得驗(yàn)證精度關(guān)鍵指標(biāo)如下:高差綜合平均數(shù)為-0.08m,統(tǒng)計(jì)平方根差0.081m,統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差為0.082m。依據(jù)沿岸灘涂高程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn),要求高程測(cè)量復(fù)核精度滿足三分一等高距（灘涂測(cè)量中等高距要求為1m）,即0.33m左右。本次研究中采用的移動(dòng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析方法獲取的高程總體精度均在8cm左右,大大優(yōu)于灘涂區(qū)域的測(cè)量要求,完全符合工程實(shí)際應(yīng)用的要求。

圖2 灘涂測(cè)量區(qū)域高程復(fù)核點(diǎn)分布示意

表1 高程復(fù)核點(diǎn)編號(hào)及測(cè)量高差列表

5 結(jié)論

沿岸灘涂區(qū)域通常地形復(fù)雜,氣候條件復(fù)雜,江心洲區(qū)域難以抵達(dá),同時(shí)區(qū)域內(nèi)受潮汐陣風(fēng)影響顯著。然而,沿岸灘涂區(qū)域的三維地形調(diào)查,特別是高程調(diào)查又對(duì)岸邊災(zāi)害防控,環(huán)境演變分析等國(guó)家民生重要領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。本研究中創(chuàng)新性得采取移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng),利用無(wú)人平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取,有效避免了數(shù)據(jù)獲取困難的問(wèn)題,同時(shí)利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的植被有效穿透能力,采用激光點(diǎn)云自動(dòng)濾波與分離算法,高校獲取灘涂區(qū)域點(diǎn)表面數(shù)據(jù),進(jìn)而獲取精準(zhǔn)的沿岸灘涂區(qū)域數(shù)字高程（DEM）模型。經(jīng)過(guò)區(qū)域內(nèi)若干點(diǎn)位的高程測(cè)量復(fù)核,最終驗(yàn)證移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng),特別是基于無(wú)人平臺(tái)的LiDAR系統(tǒng)是沿岸灘涂區(qū)域進(jìn)行三維地形測(cè)量的高效手段,可以完全替代傳統(tǒng)的人工測(cè)量方式,極大提高了測(cè)量的效率和精度,同時(shí)避免了傳統(tǒng)測(cè)量方式中可能出現(xiàn)的測(cè)量人員安全風(fēng)險(xiǎn),具有極大的社會(huì)推廣價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。