葉 飛, 張世明, 孫振勇, 鄭亞慧, 師義成

(1. 武漢天寶耐特科技有限公司,湖北 武漢 430043; 2. 長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局,重慶 400020; 3. 長江水利委員會水文局,湖北 武漢 430010; 4. 中國三峽建工(集團)有限公司,四川 成都 610095)

水文泥沙監(jiān)測作為水利水電工程一項基礎(chǔ)性工作,主要工作內(nèi)容有河道固定斷面觀測、水庫庫岸和水下地形觀測、攔門沙等各項水文泥沙因子監(jiān)測等,可提供長時序、全要素的水庫地理信息和水文水情基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為水利工程建設(shè)、水庫泥沙淤積觀測、水庫排沙、水庫調(diào)度、水資源管理、防洪、航道整治與保護等工作發(fā)揮著重大作用[1]。水文泥沙監(jiān)測工作具有觀測時機集中、精度要求高、時效性強等要求[2]。金沙江流域下游梯級水庫群河道屬于山區(qū)峽谷地貌,地形陡峭,坡度較大,河道寬約數(shù)十米至數(shù)千米,河道蜿蜒復(fù)雜,植被覆蓋率高,通視條件差,傳統(tǒng)人工走測困難,效率低、成本高、風(fēng)險源多,水庫庫岸地形信息監(jiān)測難度較大[3-7]。

為提高水文泥沙監(jiān)測庫岸地理信息外業(yè)測繪效率和數(shù)據(jù)精度,本文以金沙江下游梯級水電站白鶴灘庫區(qū)典型河段為研究對象,開展移動背包式三維激光掃描系統(tǒng)的驗證測試。通過人工背載走測、搭乘測船繞測等方式采集邊坡點云,使用高精度檢驗點進行精度分析,從數(shù)據(jù)精度、作業(yè)效率、安全性等維度,綜合驗證移動背包三維激光掃描系統(tǒng)在水文泥沙監(jiān)測中的適用性[8-10]。

1 移動背包三維激光掃描系統(tǒng)

移動背包三維激光掃描系統(tǒng)(backpack laser scanning,BPSL)主要由高精度GNSS、慣導(dǎo)IMU、高分辨率相機、控制平板和背負設(shè)備構(gòu)成。通過將SLAM與GNSS結(jié)合,可在多種復(fù)雜地形、弱信號條件下快速、便捷、低成本地采集目標(biāo)物體的三維點云數(shù)據(jù)[11-15]。數(shù)據(jù)還可在手機等移動端實時顯示,實現(xiàn)邊采集邊查看,掃描完成即可導(dǎo)出采集點云數(shù)據(jù)和運動軌跡。系統(tǒng)硬件設(shè)計輕巧便捷,還可以通過手持、騎行、車載、船載方式輕松進行采集數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中即走即測,測量技術(shù)人員經(jīng)過的地方都能獲取數(shù)據(jù),適用性強。軟件系統(tǒng)含數(shù)據(jù)解算軟件和點云數(shù)據(jù)處理軟件,可快速生產(chǎn)高精度賦色點云數(shù)據(jù)及影像,點云處理軟件支持數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、分割與合并、點云分類、點云抽稀等功能。本文試驗設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 移動背包三維激光雷達掃描系統(tǒng)主要參數(shù)

2 白鶴灘水電站庫區(qū)試驗

為驗證移動背包三維激光掃描系統(tǒng)在水文泥沙監(jiān)測中的適用性,測試其工作效率和數(shù)據(jù)精度,本文選取了白鶴灘庫區(qū)巧家河段選擇代表性的地形區(qū)域進行驗證測試。地形區(qū)域位于金沙江下游梯級水電站白鶴灘庫區(qū),壩址上游30～35 km,右岸為云南省巧家縣,左岸為四川省涼山彝族自治州寧南縣境內(nèi)。測區(qū)海拔約700～900 m,既有高山地、山地,也有平緩地段,地貌涵蓋樹林、灌木叢、草地、耕地、道路、人工構(gòu)筑物等,具有代表性。

2.1 數(shù)據(jù)采集

(1)對試驗區(qū)域內(nèi)碼頭、道路、樹林地、消落帶分別進行人工走測,共進行6次數(shù)據(jù)采集,計劃數(shù)據(jù)采集總時長1 h,掃描面積約0.2 km2。

(2)選擇試驗區(qū)垂直河流方向進行人工走測,進行一次數(shù)據(jù)采集,計劃數(shù)據(jù)采集總時長20 min,保證河道斷面的點云數(shù)據(jù)抽取數(shù)據(jù)完整。

(3)選擇試驗區(qū)域內(nèi)四川省寧南縣境內(nèi),金沙江干流與支流黑水河匯合口處蛇島,技術(shù)人員背負移動背包三維激光掃描系統(tǒng),搭乘沖鋒舟或者專用測船,保持激光雷達掃描系統(tǒng)視場角開闊,采集孤島礁石蓄水位以下的消落帶地形,完成兩次繞島數(shù)據(jù)采集,計劃數(shù)據(jù)采集時長30 min。

試驗區(qū)同時采用RTK、地面激光掃描系統(tǒng)和機載LiDAR獲取比對數(shù)據(jù),試驗情況如表2、圖1所示。移動背包三維激光掃描系統(tǒng)試驗外業(yè)數(shù)據(jù)總時長2 h,掃描有效面積為0.3 km2;點云106 783 098個;創(chuàng)建作業(yè)全景視頻6份。

圖1 不同場景的數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場

表2 比對試驗情況

2.2 數(shù)據(jù)處理

視頻原始數(shù)據(jù)由軟件自動解算拼接完成,得到全景視頻文件。解算點云數(shù)據(jù)主要包括點云賦色、GNSS數(shù)據(jù)平差(如果有)、坐標(biāo)系配置、高精度點云解算、點云數(shù)據(jù)分類和點云數(shù)據(jù)濾波。一般的,軟件電源解算流程默認為GNSS+SLAM,可解算生成具有真實地理坐標(biāo)的高精度點云數(shù)據(jù)。點云分類可使用“一鍵”提取點云類別功能,直接將點云數(shù)據(jù)分類成地植被、水體、建筑物等類別,利用該功能即可剔除不需要的點云數(shù)據(jù)(如植被、橋梁等)。

金沙江庫區(qū)主要為裸露巖石地形地貌,消落帶庫岸地形的點云分類和點云處理相較于其他測量顯得極為便捷。點云濾波主要對稀疏植被、橋梁、懸空地物(碼頭構(gòu)筑物)進行處理,其中,稀疏植被可結(jié)合賦色影像由軟件自動處理,其他人工建筑物需要人工干預(yù)處理,且賦色點云對于勾繪地物更為直觀。本文試驗區(qū)域的內(nèi)業(yè)效率與傳統(tǒng)作業(yè)效率因地形不同各有優(yōu)劣,林地稍劣,碼頭相當(dāng),消落帶和蛇島區(qū)域則明顯優(yōu)于傳統(tǒng)作業(yè)手段,不再詳述。碼頭區(qū)域點云數(shù)據(jù)處理前后效果如圖2所示。

圖2 點云數(shù)據(jù)賦色與點云數(shù)據(jù)濾波效果(碼頭)

2.3 工效對比分析

試驗區(qū)域同時采用了其他常規(guī)測量方法進行觀測,對比見表3。

表3 外業(yè)工作時長統(tǒng)計對比 min

由表3可得,移動背包三維激光掃描系統(tǒng)在作業(yè)效率上優(yōu)勢明顯,人工走測相較于全站儀或RTK測記法最大提高了3.75倍,乘坐測船繞測則提高了5.25倍。金沙江庫區(qū)氣象時空變化劇烈,白鶴灘水庫一年內(nèi)有200余天為大風(fēng)天氣,基本涵蓋了汛前、汛后所有觀測時機。峽谷地形加劇了強風(fēng)切變帶來的影響,考慮安全和成本,無人機機載激光雷達測繪并不適用。直升機等大型機載雷達測繪效率高,可用于全庫長河段地形監(jiān)測,但對于碼頭、攔門沙監(jiān)測、近壩區(qū)監(jiān)測等局部地形而言,前期空域報備時間長、飛行成本太大。移動背包三維激光掃描系統(tǒng)的機動性正好彌補了上述不足。

3 數(shù)據(jù)分析

精度評定采用移動背包三維激光掃描系統(tǒng)與常規(guī)方法獲取數(shù)據(jù)進行比較,并計算中誤差。精度比測內(nèi)容包括地物特征點的平面和高程誤差,隨機高程點的高程中誤差、截取斷面擬合程度與面積較差。

3.1 平面精度分析

將點云數(shù)據(jù)與常規(guī)方法獲取的地形圖進行融合,選取測區(qū)內(nèi)的花壇、路燈、砼坡、道路邊線等特征物分別提取點云數(shù)據(jù)和碎部點進行比較,統(tǒng)計差值并計算中誤差。特征物平面共選取213點,經(jīng)統(tǒng)計計算最大差值為0.063 m,最小值0.009 m,平均值為0.029 m,中誤差為0.024 m,如圖3所示。

圖3 點云平面精度統(tǒng)計(碼頭)

3.2 高程精度分析

隨機均勻選擇測試區(qū)域內(nèi)高程碎部點數(shù)據(jù),在融合圖上隨機選取點,拾取半徑小于0.1 m。統(tǒng)計兩者的高程差值并計算中誤差。樹林地點云高程較差精度統(tǒng)計如圖4所示,經(jīng)統(tǒng)計計算最大差值為0.013 m,最小值0.005 m,高程中誤差為0.044 m。

圖4 點云高程精度統(tǒng)計(林地)

3.3 斷面精度分析

在點云數(shù)據(jù)文件上按離差0.1 m范圍提取點云數(shù)據(jù)生成斷面,與傳統(tǒng)方法測得斷面進行比較,面積相對較差分布如圖5所示。共統(tǒng)計斷面392個,各斷面面積較差均小于2%,相對面積較差為0.24%,小于規(guī)范技術(shù)要求[16]。

圖5 斷面面積相對差分布

4 結(jié) 語

試驗結(jié)果表明,采用移動背包三維激光掃描系統(tǒng)平面中誤差為0.024 m,高程中誤差為0.044 m,相對面積較差為0.24%,滿足水文泥沙監(jiān)測的測量精度要求,但在高程精度上仍然存在一定的誤差。可在以下兩個方面提高測量精度:一是盡量縮短測量距離,限制在背包式激光雷達掃描系統(tǒng)的標(biāo)定量程50%以內(nèi)為宜;二是針對地物地貌單一的消落帶區(qū)域,可增設(shè)靶球、覘牌等特征物,提高點云配準(zhǔn)精度。

采用移動背包三維激光掃描系統(tǒng)進行庫岸地理信息監(jiān)測,外業(yè)效率是常規(guī)觀測方法的2～5倍。背包式激光雷達掃描系統(tǒng)尤其適合橋梁、狹窄道路、喬木林側(cè)作業(yè),是對地面三維激光掃描測量的一種較為有效的補充手段。

此外,考慮水庫蓄水后江面加寬,大風(fēng)大浪天氣常態(tài)化,背包式激光雷達掃描系統(tǒng)可以有效彌補傳統(tǒng)對岸觀測作業(yè)和機載激光雷達測繪作業(yè)的不足。作為一種非接觸式測量技術(shù),具有更高的安全性,可有效高陡邊坡走測困難的問題。