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(tuán))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(xiàng)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(xiàng)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(hù)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(jī)集中、精度要求高、時效性強(qiáng)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(xiǎn)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(yàn)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(diǎn)云,使用高精度檢驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)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(yàn)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(jī)、控制平板和背負(fù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)[11-15]。數(shù)據(jù)還可在手機(jī)等移動端實(shí)時顯示,實(shí)現(xiàn)邊采集邊查看,掃描完成即可導(dǎo)出采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)和運(yùn)動軌跡。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)輕巧便捷,還可以通過手持、騎行、車載、船載方式輕松進(jìn)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(qiáng)。軟件系統(tǒng)含數(shù)據(jù)解算軟件和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件,可快速生產(chǎn)高精度賦色點(diǎn)云數(shù)據(jù)及影像,點(diǎn)云處理軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)配準(zhǔn)、分割與合并、點(diǎn)云分類、點(diǎn)云抽稀等功能。本文試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 移動背包三維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)主要參數(shù)

2 白鶴灘水電站庫區(qū)試驗(yàn)

為驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)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(yàn)區(qū)域內(nèi)碼頭、道路、樹林地、消落帶分別進(jìn)行人工走測,共進(jìn)行6次數(shù)據(jù)采集,計(jì)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(yàn)區(qū)垂直河流方向進(jìn)行人工走測,進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集,計(jì)劃數(shù)據(jù)采集總時長20 min,保證河道斷面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽取數(shù)據(jù)完整。

(3)選擇試驗(yàn)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(fù)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(dá)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(jì)劃數(shù)據(jù)采集時長30 min。

試驗(yàn)區(qū)同時采用RTK、地面激光掃描系統(tǒng)和機(jī)載LiDAR獲取比對數(shù)據(jù),試驗(yàn)情況如表2、圖1所示。移動背包三維激光掃描系統(tǒng)試驗(yàn)外業(yè)數(shù)據(jù)總時長2 h,掃描有效面積為0.3 km2;點(diǎn)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(yàn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)主要包括點(diǎn)云賦色、GNSS數(shù)據(jù)平差(如果有)、坐標(biāo)系配置、高精度點(diǎn)云解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類和點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波。一般的,軟件電源解算流程默認(rèn)為GNSS+SLAM,可解算生成具有真實(shí)地理坐標(biāo)的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云分類可使用“一鍵”提取點(diǎn)云類別功能,直接將點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)云分類和點(diǎn)云處理相較于其他測量顯得極為便捷。點(diǎn)云濾波主要對稀疏植被、橋梁、懸空地物(碼頭構(gòu)筑物)進(jìn)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(diǎn)云對于勾繪地物更為直觀。本文試驗(yàn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前后效果如圖2所示。

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

2.3 工效對比分析

試驗(yàn)區(qū)域同時采用了其他常規(guī)測量方法進(jìn)行觀測,對比見表3。

表3 外業(yè)工作時長統(tǒng)計(jì)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(jī)。峽谷地形加劇了強(qiáng)風(fēng)切變帶來的影響,考慮安全和成本,無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測繪并不適用。直升機(jī)等大型機(jī)載雷達(dá)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(bào)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(jī)動性正好彌補(bǔ)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(jìn)行比較,并計(jì)算中誤差。精度比測內(nèi)容包括地物特征點(diǎn)的平面和高程誤差,隨機(jī)高程點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)與常規(guī)方法獲取的地形圖進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)和碎部點(diǎn)進(jìn)行比較,統(tǒng)計(jì)差值并計(jì)算中誤差。特征物平面共選取213點(diǎn),經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)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(diǎn)云平面精度統(tǒng)計(jì)(碼頭)

3.2 高程精度分析

隨機(jī)均勻選擇測試區(qū)域內(nèi)高程碎部點(diǎn)數(shù)據(jù),在融合圖上隨機(jī)選取點(diǎn),拾取半徑小于0.1 m。統(tǒng)計(jì)兩者的高程差值并計(jì)算中誤差。樹林地點(diǎn)云高程較差精度統(tǒng)計(jì)如圖4所示,經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)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(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)(林地)

3.3 斷面精度分析

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件上按離差0.1 m范圍提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成斷面,與傳統(tǒng)方法測得斷面進(jìn)行比較,面積相對較差分布如圖5所示。共統(tǒng)計(jì)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(yàn)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?？稍谝韵聝蓚€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(dá)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(diǎn)云配準(zhǔn)精度。

采用移動背包三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)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(dá)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(bǔ)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(dá)掃描系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)對岸觀測作業(yè)和機(jī)載激光雷達(dá)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。