無人機激光雷達技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評價中的應(yīng)用

劉昌軍 ，孫 濤 ，張琦建 ，唐學哲 ，郭 良

(1.中國水利水電科學研究院，100038，北京;2.河南省水利信息中心，450003，鄭州;3.河南省水下救助搶險隊，450003，鄭州)

一、背景及概況

采用無人機雷達航測技術(shù)完成了河南省欒川縣協(xié)心小流域的激光雷達數(shù)據(jù)和分辨率優(yōu)于0.2 m的航拍影像數(shù)據(jù)獲取，按照航測技術(shù)要求加工制作了欒川協(xié)心小流域內(nèi)的高精度DEM(數(shù)字高程模型)、DLG(數(shù)字線劃地圖)、DOM(數(shù)字正射影像)數(shù)據(jù)，根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評價野外測量有關(guān)技術(shù)要求和山洪災(zāi)害調(diào)查評價有關(guān)技術(shù)要求，利用開發(fā)的軟件自動提取了沿河村落居民戶位置、高程數(shù)據(jù)和河道縱橫斷面數(shù)據(jù)，并利用GNSSRTK對測區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行了精度對比分析。

通過對無人機激光雷達數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了利用激光點云數(shù)據(jù)直接提取建筑物邊界和高程坐標的計算方法以及基于激光點云數(shù)據(jù)批量獲取河道斷面的數(shù)據(jù)處理方法。基于上述算法，開發(fā)了無人機激光雷達數(shù)據(jù)處理軟件。此軟件大大提高了激光點云數(shù)據(jù)的處理效率，直接獲取山洪災(zāi)害調(diào)查評價所需的數(shù)據(jù)，有利于該技術(shù)在全國山洪調(diào)查評價項目中的推廣應(yīng)用。

二、無人機激光雷達航測設(shè)備及技術(shù)優(yōu)勢

1.無人機激光雷達設(shè)備組成及原理

欒川協(xié)心小流域無人機機載激光雷達設(shè)備為奧地利某公司最新推出的無人機掃描系統(tǒng)。無人機掃描系統(tǒng)由最大載荷15 kg的AF-25B型無人直升機搭載RIEGL VUX-SYSTEM激光雷達掃描系統(tǒng)，該掃描系統(tǒng)由激光雷達掃描系統(tǒng)、相機和POS系統(tǒng)等組成?？紤]到無人機載重問題，高清航拍數(shù)據(jù)是由固定翼無人機搭載相機獲取的。

RIEGL VUX-SYSTEM主要包括加拿大某公司的高性能、高集成度、超輕的慣性導航系統(tǒng)和RIEGL VUX-1雷達系統(tǒng)等。整個掃描系統(tǒng)重量約為8 kg，為目前全球最輕、專業(yè)測量級的無人機掃描系統(tǒng)。RIEGLVUX-1雷達測量精度為10 mm，掃描速度為200線/s，每秒可獲取55萬點。激光發(fā)射頻率高達550 kHz，最大測量高度為900 m，掃描視場角可達330°，完全的平行線掃描，激光點分布均勻。

2.無人機激光雷達技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

無人機激光雷達技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評價中具有以下優(yōu)勢:

①現(xiàn)場作業(yè)速度快、數(shù)據(jù)精度高，適合小范圍高精度數(shù)據(jù)獲取;可通過對點云數(shù)據(jù)的分類處理，快速自動獲取山區(qū)小流域 DEM、DLG、DOM等數(shù)據(jù)。

②實施周期短、成本低，激光雷達可穿透植被，能夠得到地表和地面的各種高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

③利用數(shù)據(jù)處理軟件，可快速、高效、批處理得到河道地面點云、縱橫斷面圖、河道糙率、河道斷面數(shù)據(jù)和居民戶高程數(shù)據(jù)等，彌補了人工實測效率低、不連續(xù)、不直觀的不足。

綜上所述,老年骨科患者行硬膜外麻醉處理較全身麻醉處理具備更高的應(yīng)用價值,可有效降低老年患者術(shù)后認知功能障礙的發(fā)生率,因此,值得臨床使用并推廣。

④結(jié)合專業(yè)水文分析模型，可大大提高山丘區(qū)小流域洪水計算和預(yù)報精度，高精度數(shù)據(jù)可用于繪制山丘區(qū)小流域的洪水風險圖。

三、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次示范區(qū)范圍為河南省欒川縣協(xié)心小流域。

欒川縣位于河南省西部，總面積2478 km2，東西長 78.4 km，南北寬57.2km。全縣境內(nèi)有伊河、小河、明白河、淯河等四大河流，分屬黃河、長江水系。大小支流604條，河網(wǎng)密度0.59km/km2。其地勢西南高而東北低，地貌起伏跌宕，形成中山、低山和河谷三種類型。

協(xié)心小流域主干流為陶灣南溝，流域面積54 km2，其流域周長為44 km，沿河有4個村69個自然村組。利用無人機航拍共完成141km2的0.1m分辨率的影像數(shù)據(jù)。利用無人機雷達獲取了河道內(nèi)約50km2的激光點云數(shù)據(jù)，點間距約為0.05 m。

四、激光點云數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及軟件開發(fā)

采用C++和OPENGL語言自主研發(fā)了三維可視化無人機激光點云數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件是一款操作簡便、可視化功能強大的三維激光點云處理軟件，具有數(shù)據(jù)管理與分析、激光點云刪除與合并處理、激光點云分類(地面點云和非地面點云分類、建筑物和植被的分類、基于多分辨率的點云監(jiān)督分類等)、激光點云變形比較、多尺度的點云比較算法、系統(tǒng)控制和制圖輸出等功能。

1.激光點云地面點和非地面點分類

利用基于網(wǎng)格分塊的植被過濾技術(shù)對協(xié)心小流域激光點云數(shù)據(jù)進行分類，可分為地面點數(shù)據(jù)和非地面點數(shù)據(jù)兩類。具體分類算法步驟如下:

①對原始LiDAR點云數(shù)據(jù)所在區(qū)域建立格網(wǎng)，對點云數(shù)據(jù)按照格網(wǎng)劃分，建立格網(wǎng)和點云索引。

②選取格網(wǎng)內(nèi)最低點，建立初始稀疏TIN模型。

③逐格網(wǎng)計算各點距TIN網(wǎng)內(nèi)的距離，并將當前格網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)按高程順序排列。將大于2/3距離高度的點歸為植被點，其他歸為地面點類，并遍歷所有格網(wǎng)。

④逐步建立漸進TIN，重復“步驟③”，直到每個格網(wǎng)內(nèi)地面點高度小于給定閾值。

2.建筑物自動提取算法

利用上述算法將激光點云分為地面點云和非地面點云兩類，從非地面點云中利用拓撲聚類的方法對每個建筑物進行識別，并自動提取建筑物的輪廓和中心點坐標，計算建筑物中心點處的地面點高程。具體計算流程見圖1。

3.斷面批量生成技術(shù)

利用作者等提出的基于激光點云數(shù)據(jù)的河道斷面批量處理方法，對地面激光點云數(shù)據(jù)進行縱橫斷面提取。具體提取算法見本文參考文獻《三維激光掃描技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用》。

五、數(shù)據(jù)精度對比分析及主要成果

圖1 建筑物自動提取流程圖

利用無人機可以獲取高精度地形和影像數(shù)據(jù)，以協(xié)心小流域為樣例，采用GNSS RTK測量技術(shù)獲取了部分居民戶和河道斷面測量數(shù)據(jù)，經(jīng)與激光點云數(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)無人機激光雷達測量數(shù)據(jù)精度較高。選取倉房組、下河西組、楊莊組、河柳樹溝組中344個GPS測量點和激光點云數(shù)據(jù)制作出分布圖(略)，經(jīng)軟件自動對比分析，所有測試點中誤差為0.22m，其中高程誤差在0.2 m以內(nèi)的有289個點，占GPS測量總點數(shù)的84%;高程誤差在0.5 m以內(nèi)的有317個點，占GPS測量總點數(shù)的92.3%(測量規(guī)范中的山丘區(qū)高程誤差為0.5 m)。

個別測試誤差較大點位置基本位于建筑物區(qū)域，主要原因是由于房屋遮擋或GPS測量點和無人機的測量點不在同一位置。造成誤差較大的點的具體原因包括:①由于lidar點云數(shù)據(jù)的平面誤差，GPS測到變坡點最低點平面位置并不是激光點測到的最低點，進而由于位置偏差而產(chǎn)生高程誤差。②由于植被過濾不干凈或局部有小土堆，造成激光點云與GPS測點的高程誤差較大。③因為建筑物遮擋，激光點云沒有測到最低地面點，造成激光點云與GPS測點的高程誤差較大。

本項目共完成141 km2的無人機激光雷達航測數(shù)據(jù)獲取，并按照《山洪災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求》對數(shù)據(jù)進行了處理，獲取了項目范圍區(qū)的1∶2000比例尺精度要求的 DEM、DLG、DOM數(shù)據(jù)成果，及河道斷面數(shù)據(jù)、居民戶(建筑物)位置坐標和高程。圖2～圖6為協(xié)心小流域航測數(shù)據(jù)局部成果的展示。

圖2 協(xié)心小流域的部分激光點云數(shù)據(jù)

圖3 協(xié)心小流域高精度DEM數(shù)據(jù)

圖4 協(xié)心小流域局部地區(qū)地形圖

圖5 激光點云生成的河道橫斷面圖

六、結(jié) 論

(1)首次應(yīng)用無人機激光雷達技術(shù)進行山丘區(qū)復雜三維地形環(huán)境下的激光點云數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高。該技術(shù)可以在全國山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作中進行推廣應(yīng)用。

(2)開發(fā)了滿足全國山洪災(zāi)害調(diào)查評價有關(guān)技術(shù)要求的激光點云數(shù)據(jù)處理軟件，可以快速獲取項目要求的成果，極大地方便了項目應(yīng)用。

圖6 居民戶位置和宅基高程圖

(3)項目獲取的數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)信息量大，且較為豐富。數(shù)據(jù)成果可為山洪災(zāi)害的暴雨洪水計算、災(zāi)害預(yù)警預(yù)報提供支撐，可在防災(zāi)減災(zāi)、生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測等方面進一步推廣應(yīng)用。

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