江木春，韓亞民，林劍鋒

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢430060)

機載激光雷達測繪技術(shù)將激光、光學技術(shù)、全球定位和慣性導(dǎo)航集成一體，運用光學遙感技術(shù)進行波段探測，獲取地面物體反射能量的大小與波譜的幅度、頻率與相位等，對數(shù)據(jù)進行處理和定位，并對目標物體進行準確判別，具有穿透植被、靈活性強、高精度以及作業(yè)安全等優(yōu)點。在激光雷達的發(fā)展過程中，地面、車載、室內(nèi)和機載都是良好的平臺。隨著近年無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機平臺具有無需專門起降場、作業(yè)靈活、轉(zhuǎn)場方便和成本較低的特點，無人機與激光雷達優(yōu)勢互補，在測繪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無人機機載激光雷達測繪技術(shù)利用安裝在無人機上的機載激光雷達系統(tǒng)探測地面的三維坐標，生產(chǎn)相應(yīng)的激光雷達數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理生成數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)等豐富測繪成果，能快速獲取大區(qū)域、大范圍的地表三維點云數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于應(yīng)急測量、林業(yè)資源調(diào)查、地形測繪、電力巡檢、公路勘測、地災(zāi)測量等多個領(lǐng)域[1]。

1 無人機機載激光雷達測繪原理

無人機機載激光雷達測繪技術(shù)是一種全新的三維測量模式，通過激光雷達傳感器向地面發(fā)射激光脈沖，精準檢測距離和平面高度，進行三維立體構(gòu)圖，不易受大氣環(huán)境和太陽光線的影響，可大幅提高數(shù)據(jù)采集的可靠性以及抗干擾能力，不僅探測精準度高，而且空間分辨力強。通過對地面及其覆蓋物等目標進行三維掃描，利用多次回波技術(shù)在一定程度穿透地面植被，密集的點云透過植被縫隙打到地面上，精確獲取植被下方真實的地形信息，測量被植被覆蓋下的地形，或是因洪水、山體滑坡和崩岸等土壤侵蝕等隱蔽的信息。這些信息留在地貌上的蹤跡盡管被后期茂密的植被所覆蓋，但都能基于DEM和DSM進行識別和提取，通過激光濾波算法生成高精度成果都能完整準確地展現(xiàn)出來。無人機機載激光雷達測量原理見圖1[2]。

2 航道整治工程測繪技術(shù)

2.1 常規(guī)測量技術(shù)

在航道整治工程中，上游航道兩岸多為懸崖峭壁和滑坡等，森林覆蓋廣，甚至是原始森林和無人區(qū)等，航道內(nèi)急流、礁石、淺灘密布，很多區(qū)域船只人員都無法安全抵達；中下游航道洲灘密布，淤泥淺灘和蘆葦?shù)戎脖幻?，毒蛇和毒蟲等有害生物防不勝防。航道整治工程測繪一般采用航空攝影測量與人工測繪(如全站儀、GNSS-RTK)相結(jié)合的方法。航空攝影測量需要密集布設(shè)像控點，但因航道區(qū)域有難以抵達而無法布置有效的地面控制點的區(qū)域，影像對地表、植被、陰影和紋理特征有較高的要求，水域與洲灘接合部分分辨困難，成果接邊困難，航空攝影測量成果精度也相對較低，多用于大面積、小比例尺全范圍地形測繪，難以完全滿足項目需求。通常利用人工對重點區(qū)域、航空攝影測量盲區(qū)或精度偏低的區(qū)域進行補充測繪，人工測繪采集的高程點數(shù)據(jù)過于離散，大比例尺如1:500地形圖點間距一般為5 m左右，很難真實展現(xiàn)地形地貌，特別是重點地區(qū)和危險區(qū)域特征點、線和面的完整和真實信息。

2.2 無人機機載激光雷達測繪技術(shù)在航道整治測繪中的優(yōu)勢

在航道整治工程中有很多測繪盲區(qū)和危險地區(qū)，利用無人機機載激光雷達測繪技術(shù)可以輕松完成。配合地面基站，能完成大區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，且只需要少量地面控制點，點云高程精度優(yōu)于10 cm，點云密度大于16點/m2。測量三維現(xiàn)實世界，采集數(shù)據(jù)精度高、受天氣條件影響小、效率高、后續(xù)處理相對簡單。不但自動化程度高、層次細節(jié)豐富，而且還能進行夜晚作業(yè)，完成植被提取、DEM提取、精細化結(jié)構(gòu)建模等傳統(tǒng)航空攝影測量完成不了的工作，節(jié)省大量人工作業(yè)時間，有效保障測量人員安全。通過對激光雷達數(shù)據(jù)及同步拍攝的影像數(shù)據(jù)進行處理，獲取高精度點云數(shù)據(jù)，結(jié)合多波束測得的水下高程數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型，可以提取所需多種數(shù)據(jù)，大大提升設(shè)計效率。得到高精度的DEM、DSM、DOM、植被、地表地貌和地物分布等豐富的地表信息，為設(shè)計、施工、檢測和管理人員直觀高效地完成圖上方案設(shè)計及優(yōu)化工作，并指導(dǎo)施工作業(yè)，有效判別施工是否達到預(yù)期的目標，以及項目完成后監(jiān)測和運行情況，極大地提高了工作效率、節(jié)約了勞動成本。

3 實施步驟

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要是獲取點云數(shù)據(jù)的過程，根據(jù)航道測量范圍設(shè)計航飛路線和航高。無人機航飛選擇在水位最低的時候進行，這時洲灘或礁石等暴露面積最大。多波束水深測量選擇在水位最高的條件下進行，盡量縮小多波束測量盲區(qū)范圍，這時多波束測量與無人機機載激光雷達測得的洲灘成果互相重疊區(qū)最大，數(shù)據(jù)全覆蓋，且相互檢核。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將激光點云數(shù)據(jù)與其他各類參數(shù)進行處理和計算，對點云數(shù)據(jù)濾波去除噪聲，獲取每一個激光點的空間坐標和每張影像外方位元素，設(shè)置合理的激光點云采集密度參數(shù)，平衡點密度和高密度點云帶來的數(shù)據(jù)關(guān)系，滿足工程需要。經(jīng)過處理的點云數(shù)據(jù)可以分辨出大量地物，并根據(jù)航道整治工程成果要求轉(zhuǎn)換成工程坐標系。多波束數(shù)據(jù)經(jīng)過提純與篩選，有效去除粗差數(shù)據(jù)，并與處理好的激光點云數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。

3.3 成果制作

成果制作主要包含DEM、DSM和DOM等的制作，將點云數(shù)據(jù)按地面、水工建筑物、淺灘和礁石、植被、水體和大堤漫灘等類別完成分類。對自動識別困難的地物進行人工分類提取；露出水面的淺灘、崩岸、滑坡、礁石和水工建筑物等重點分類，通過自動和人工方法結(jié)合進行精細分類；分類后的數(shù)據(jù)制作的地形地貌，一些植被點和建筑物點容易被分類為地面點，一些小的地形不連續(xù)部分被平滑或去掉，需要人工除去噪聲點。處理好的激光點云數(shù)據(jù)結(jié)合同步相機拍攝的影像，處理影像外方位元素，在影像拼接線兩側(cè)尋找合理的勻光點，保證影像圖面質(zhì)量，生成DEM和DOM。

將處理好的激光點云數(shù)據(jù)與多波束數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD Civil 3D制作曲面模型，對于地形較為復(fù)雜及需要表現(xiàn)局部地區(qū)細節(jié)特征的淺灘和水工建筑物等重點地區(qū)數(shù)據(jù)中的等高線、特征點、特征線等數(shù)據(jù)進行精準描繪，生成反映地形起伏特征和地表形態(tài)的曲面模型[3]。

4 工程實例驗證

黑沙洲水道位于長江下游安徽省境內(nèi)銅陵市和蕪湖市之間，東經(jīng)117°59′～108°07′，北緯31°08′～31°18′，上起板子磯，下至高安圩，航道里程475～489 km。長江中的黑沙洲、天然洲將河道分成南、中、北3個水道，其中南水道為現(xiàn)行主航道，是長江下游安徽省內(nèi)重點礙航淺水道之一。為了解決黑沙洲水道目前航道存在的“通而不穩(wěn)”的問題，鞏固已建航道整治一期工程效果，黑沙洲水道航道整治二期工程航道建設(shè)標準為6.0 m×200 m×1 050 m(水深×寬×轉(zhuǎn)彎半徑)[4]。

工程局部重點區(qū)域包括心灘梳齒壩工程、天然洲左緣上段護岸工程、天然洲右緣護岸加固工程、右岸新港一帶護岸加固工程和左槽內(nèi)潛壩加固工程等(圖2)。黑沙洲上及長江大堤漫灘地植被茂盛，多為常綠闊葉林、低矮灌木、稻田及蘆葦?shù)取；跓o人機機載激光雷達測繪技術(shù)監(jiān)測航道洲灘地形并結(jié)合水下地形多波束測量，對航道岸坡、洲灘、水工建筑物和水下地形進行動態(tài)監(jiān)測分析，直觀了解重點區(qū)域地形演變、泥沙淤積沖刷和水工建筑物的施工等三維情況，對于航道前期整治效果及后期整治方案、施工和維護提供詳實的基礎(chǔ)成果。航道整治前、整治中和整治后地形演變呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，基于周期性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析匯總出航道整治工程區(qū)內(nèi)及附近地形的演變特征。以精化洲灘地形曲面數(shù)據(jù)，生成真實反映洲灘的曲面模型，對整治效果的沖刷和淤積情況進行分析。通過建立各個時期地形曲面，對各時期地形曲面模型進行對比計算并對其進行高程分析、渲染等，更加直觀地顯示航道整治過程中各時期地形演變情況，多角度達到對航道地形空間監(jiān)測的目的[5]。

圖2 黑沙洲水道航道整治二期工程

航道整治過程中，洲灘沖刷或淤積情況因時間較短而變化不大，采用航空攝影測量和人工測量方法(精度偏低或高程點位密度小)無法真實反映沖刷或淤積情況。采用無人機機載激光雷達測繪技術(shù)不但高程點精度高，而且點位密度大，可以有效監(jiān)測洲灘細微的變化(圖3)。施工中水陸交界處的水工建筑物以及淤積或沖刷形成的泥灘等重點區(qū)域上人工測繪存在較大的安全風險。特別是洪水季節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)洲灘隱藏在植被下的崩岸滑坡現(xiàn)象，當處理后的成果發(fā)現(xiàn)異常時，及時進行現(xiàn)場人工調(diào)查，可避免事故的發(fā)生，做到安全度汛。

圖3 無人機機載激光雷達及多波束測量位置

2016年3月—2020年9月的航道整治過程中，在整治前、整治中和整治后，及汛前、汛后多次對黑沙洲水道航道整治二期工程局部重點區(qū)域進行無人機機載激光雷達測繪和多波束測量，并對多次測量成果進行對比分析，結(jié)果表明測區(qū)陸域地形變化不大，但經(jīng)過洪水期后，黑沙洲水道部分岸邊淺灘及水下地形發(fā)生變化，北水道進口右側(cè)局部沖刷，左側(cè)則出現(xiàn)淤積情況，北水道中段整體變化不大。南水道進口右側(cè)局部出現(xiàn)淤積；中段局部發(fā)生少量的淤積或沖刷，其中心灘梳齒壩工程上游端局部沖刷出現(xiàn)減緩跡象，下游端局部則出現(xiàn)淤積平穩(wěn)情況；左槽內(nèi)潛壩加固工程局部出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象；南水道下游航道的局部也出現(xiàn)淤積情況。航道整治達到了預(yù)期目的，局部須重點關(guān)注[6]。

5 結(jié)語

1)無人機機載激光雷達測繪技術(shù)作業(yè)效率高、非常適合大范圍的航道整治工程測繪，不但無需專門起降場、作業(yè)靈活、轉(zhuǎn)場方便、成本較低，而且作業(yè)效率高、成果精度高、成果類型豐富，作業(yè)不受光線影響，點云密度高，能完整表達出植被、建筑物、地表點等全要素地物特征，大大減少外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，保障安全生產(chǎn)。

2)無人機機載激光雷達主動測量能透過植被縫隙獲取地面真實的地形信息，完全替代人工測量，對于植被茂密地區(qū)、露出水面的洲灘和水工建筑物比人工測量方式更能準確快速地獲取地形信息。經(jīng)過與實測高程檢點比較，激光點云高程精度達10 cm，且點云更加密集，對地形細節(jié)的表達更加精確，結(jié)合多波束水深測量，用于航道整治工程方案的設(shè)計與優(yōu)化、施工監(jiān)測及整治后效果評價。