周 媛

(海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200)

1 激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)主要包括外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)處理兩大流程，其中外業(yè)采集又細(xì)分成數(shù)據(jù)預(yù)處理、質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)采集、航飛準(zhǔn)備和地面測(cè)量等環(huán)節(jié)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要有成果精度質(zhì)量檢查、測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理等，其關(guān)鍵技術(shù)路線如圖1。

圖1 激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)路線

(1)前期準(zhǔn)備。主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘(確定起降場(chǎng)地)、航線設(shè)計(jì)規(guī)劃、航飛范圍確定、已有測(cè)量成果與氣象資料收集、空域申請(qǐng)等，一般會(huì)考慮目標(biāo)要求合理規(guī)劃航飛攝影路線、范圍，為了能夠完全覆蓋測(cè)區(qū)還要適當(dāng)?shù)赝鈹U(kuò)。根據(jù)設(shè)備性能和測(cè)區(qū)特點(diǎn)等因素合理規(guī)劃航飛路線，科學(xué)設(shè)置飛行高度、航飛重疊度和起降點(diǎn)。

(2)地面測(cè)量。主要包括參考面與地面基站的測(cè)量。前者是對(duì)獲取的激光點(diǎn)平面高程數(shù)據(jù)利用特征點(diǎn)糾正，而特征點(diǎn)是提前布設(shè)的像控點(diǎn)或具有明顯特征的點(diǎn)，在不同高程梯度區(qū)域內(nèi)需要對(duì)高程特征點(diǎn)均勻分布；地面基站測(cè)量是在地面的高等級(jí)控制點(diǎn)上考慮航飛區(qū)間合理架設(shè)基站，以差分信號(hào)供飛機(jī)GPS使用，一般要在開始航攝前30 min打開地面基站，完成航攝任務(wù)后30 min內(nèi)關(guān)閉基站，航攝期間要保持信號(hào)暢通且處于通電狀態(tài)。實(shí)際測(cè)量過程中，通過激光點(diǎn)校正、參數(shù)調(diào)整等操作保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。

(3)航飛數(shù)據(jù)采集。無人機(jī)嚴(yán)格按規(guī)劃航線飛行，飛行過程中要實(shí)時(shí)關(guān)注續(xù)航能力、天氣情況和外部因素等。靜態(tài)觀測(cè)起飛前、降落后機(jī)載激光雷達(dá)狀況，從而保證GNSS和IMU記錄的完整性。

(4)數(shù)據(jù)預(yù)處理與檢查。航攝完成后，要及時(shí)統(tǒng)計(jì)與檢查點(diǎn)云采集密度、航攝區(qū)間與航線匹配度、數(shù)據(jù)采集范圍等，以防點(diǎn)密度、航攝精度不符合相關(guān)規(guī)范或存在漏洞等情況的出現(xiàn)。

(5)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。主要涉及點(diǎn)云分類、點(diǎn)云濾波和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。點(diǎn)云濾波是對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用Terra Solid軟件和三角網(wǎng)原理進(jìn)行濾波，考慮項(xiàng)目測(cè)區(qū)的植被覆蓋及地形變化情況選擇合適的閾值，通過閾值將地物和地面點(diǎn)云過濾分離。

(6)測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪可生成DSM模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行濾波可以生成DEM。然后將DOM與分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合提取出地物要素，以外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)和地物地貌為基礎(chǔ)可以生成數(shù)字線畫圖成果DLG。

(7)成果質(zhì)量檢查。以激光雷達(dá)相關(guān)技術(shù)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)檢查DEM精度、地形圖精度和點(diǎn)云精度。

2 激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 水利工程測(cè)繪面臨的問題

2.1.1 作業(yè)環(huán)境

考慮到水利工程的特殊性，通常其測(cè)繪作業(yè)區(qū)處于植被覆蓋茂密、高山峽谷地區(qū)，通信訊號(hào)差、通視條件弱、交通不便、天氣變幻無常，以上因素都不利于測(cè)量工作的開展。

2.1.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

一般水利工程所處的環(huán)境條件復(fù)雜且地理位置特殊，水利工程測(cè)繪工作受高程變化較大、水域覆蓋面積廣、植被覆蓋度高等不利因素的限制，傳統(tǒng)的航測(cè)技術(shù)不僅面臨著控制點(diǎn)刺點(diǎn)模糊、內(nèi)業(yè)影像匹配困難等問題，而且不利于野外控制作業(yè)，對(duì)成果質(zhì)量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率造成嚴(yán)重影響[1-3]。

2.1.3 成果精度

水利工程對(duì)測(cè)繪精度要求較高，大多數(shù)要求不小于1∶2000，部分壩址區(qū)甚至要求達(dá)到1∶500或1∶1000的精度要求，而傳統(tǒng)的測(cè)量手段很難達(dá)到該比例尺精度要求。

2.2 技術(shù)比較分析

2.2.1 作業(yè)與成像

傳統(tǒng)的航空攝影屬于被動(dòng)式測(cè)量技術(shù)，其攝影成像就是應(yīng)用透視幾何原理達(dá)到目的，而激光雷達(dá)是利用極坐標(biāo)幾何定位原理實(shí)現(xiàn)成像，采用主動(dòng)式掃描測(cè)量的方式獲取地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。

2.2.2 作業(yè)范圍與時(shí)間

激光雷達(dá)可全天時(shí)作業(yè)、可穿透植被獲取地面信息且不受天氣等因素的影響，但與傳統(tǒng)航測(cè)相比其飛行高度較低。傳統(tǒng)的航測(cè)技術(shù)受天氣、光照、環(huán)境條件等因素影響較大。

2.2.3 數(shù)據(jù)的采集與展示

傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)利用面狀測(cè)量成果可以采集覆蓋整個(gè)攝區(qū)的紋理、光譜等二維影像信息，而激光雷達(dá)技術(shù)則是逐點(diǎn)采樣獲取覆蓋全區(qū)所有測(cè)點(diǎn)的反射強(qiáng)度信息、幾何坐標(biāo)等海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2.4 生產(chǎn)成本與效率

傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)往往需要人工處理航片，數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度低、周期長(zhǎng)、成本高。在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)激光雷達(dá)技術(shù)基本可以自動(dòng)完成，較傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)能夠大大降低生產(chǎn)成本，有效縮短生產(chǎn)周期，所以該技術(shù)具有廣泛的使用前景。

2.2.5 測(cè)量精度

傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)的平面精度高而高程精度較低，故需要大量的地面控制點(diǎn)。理論上，激光雷達(dá)技術(shù)的平面精度相對(duì)較低。

2.3 水利工程測(cè)繪中激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

水利工程測(cè)繪任務(wù)難度較大，作業(yè)條件特殊，測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，常規(guī)的測(cè)繪技術(shù)難以達(dá)到測(cè)繪精度和精度目標(biāo)。所以，激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用可以有效提升測(cè)繪成果精度和作業(yè)效率，從而為按時(shí)完成作業(yè)任務(wù)以及工程設(shè)計(jì)提供保障和數(shù)據(jù)支撐。水利工程中激光雷達(dá)的測(cè)繪優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

2.3.1 不受作業(yè)條件限制

激光脈沖的穿透力很強(qiáng)，高強(qiáng)度激光約束能夠穿透狹小的縫隙打到樹干、樹冠、地面和灌木叢等，并進(jìn)一步產(chǎn)生多個(gè)反射回波。對(duì)于采石場(chǎng)、灘涂沼澤、懸崖峭壁、高山峽谷等地形特殊的作業(yè)地區(qū)，可以不受地形地貌的限制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；激光沒沖能夠穿透植被并非特別茂密的植被，通過點(diǎn)源數(shù)據(jù)獲取、分類、濾波處理等分開地面和非地面點(diǎn)，并將房屋、橋梁、道路等依據(jù)點(diǎn)云強(qiáng)度信息實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分類；對(duì)于植被茂密的地區(qū)激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)量會(huì)減少，但通過發(fā)射功率、航線充電率和掃描角度的調(diào)整，所獲取的點(diǎn)云也能符合實(shí)際工程要求，對(duì)于密林山區(qū)的測(cè)繪具有顯著優(yōu)勢(shì)，這也是能夠獲取山區(qū)密林地面高程的重要技術(shù)[4-5]。

2.3.2 成果數(shù)據(jù)精度高

激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)源數(shù)據(jù)能夠達(dá)到0.1～0.5 m 的精度，特別是高程具有更高精度，可以達(dá)到1∶1000 的精度要求。經(jīng)過濾分類，利用點(diǎn)源數(shù)據(jù)可以生成精度更高的DEM模型，DEM模型較傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)可以更加精準(zhǔn)地反映微地形變化。

2.3.3 實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)

激光雷達(dá)可以進(jìn)行24 h作業(yè)，不受天氣和太陽(yáng)角等條件的限制，在很大程度上縮短了作業(yè)周期，降低了成果精度和工程進(jìn)度受不利天氣的影響，大大提高了測(cè)繪作業(yè)效率，在水利應(yīng)急測(cè)繪等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.3.4 作業(yè)周期短、效率高

作業(yè)過程中激光雷達(dá)僅需少量的地面基站，對(duì)旁向與航向的航線重疊率要求較低，使得數(shù)據(jù)采集效率大幅度得以提升。相對(duì)于傳統(tǒng)的航測(cè)技術(shù)，可有效羧酸后期成果輸出、外業(yè)調(diào)繪、數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品生成時(shí)間，從根本上解決了測(cè)繪成果精度要求高、前期工期緊的問題。

2.3.5 成果豐富、可操控性好

激光雷達(dá)通過回波信號(hào)接受、激光波速發(fā)射等一系列主動(dòng)式操作處理來提取地面信息，航測(cè)過程中操作人員一般只需做好前期準(zhǔn)備工作，后期數(shù)據(jù)獲取與處理基本能夠自動(dòng)完成，操作便捷且對(duì)操作員要求較低?；邳c(diǎn)測(cè)量的傳統(tǒng)測(cè)繪手段只能生成常規(guī)DLG成果，獲取的地面信息有限。激光雷達(dá)可以快速獲取大量高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，若將數(shù)碼相機(jī)搭載到激光雷達(dá)平臺(tái)上，還可在獲取地面數(shù)字影像的同時(shí)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成數(shù)字線劃圖、正射影響、地面模型和地表模型等，綜合應(yīng)用DOM和DEM模型能夠用于水庫(kù)淹沒范圍線和庫(kù)容的計(jì)算、斷面提取等，其測(cè)繪成果比較豐富，能夠?yàn)樗こ烫峁?shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 論

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)具有成果精度高、作業(yè)效率高、成果豐富、全天候作業(yè)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，逐漸被應(yīng)用于水利工程測(cè)繪領(lǐng)域。未來隨著科技的發(fā)展和硬軟件設(shè)備的研究應(yīng)用，激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展?jié)摿薮螅绕涫窃诜篮榭购?、搶險(xiǎn)救災(zāi)、河道監(jiān)管等水利行業(yè)多個(gè)領(lǐng)域，以及多樣數(shù)據(jù)生產(chǎn)、多源數(shù)據(jù)獲取與處理等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。本文詳細(xì)分析了激光雷達(dá)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、技術(shù)特點(diǎn)和測(cè)繪原理，可為水利行業(yè)或其他領(lǐng)域中該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定支持。