機載激光測量系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

彭勁松，許 俊，李 娟，周光明

(1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005; 2. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

機載三維激光雷達(dá)掃描測量(簡稱機載LiDAR)是一種利用傳感器所發(fā)出的激光測定傳感器與目標(biāo)之間距離的主動遙感技術(shù)。根據(jù)LiDAR的載體平臺，可分為星載、機載、車載和地面4大類。其中，機載LiDAR系統(tǒng)因無人機的迅猛發(fā)展而應(yīng)用最為廣泛。

LiDAR技術(shù)是近年來迅速發(fā)展并可有效快速獲取高精度地形、地貌數(shù)據(jù)的有效手段。由于激光可以透過植被縫隙到達(dá)地表，因此機載LiDAR系統(tǒng)可快速獲取到森林覆蓋地區(qū)地表高程信息。本文將重點介紹機載LiDAR的系統(tǒng)組成及區(qū)別于傳統(tǒng)遙感手段的優(yōu)勢，并結(jié)合鮮水河斷裂帶項目的數(shù)據(jù)獲取、處理和信息提取來進一步說明機載LiDAR的優(yōu)勢。

1 機載LiDAR系統(tǒng)組成和優(yōu)勢

1.1 系統(tǒng)組成

機載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)設(shè)備主要包括3大部件:激光掃描儀、航空數(shù)碼相機、定位定姿系統(tǒng)(包括GNSS和IMU)。其中機載激光掃描儀主要獲取三維激光點云數(shù)據(jù)，同時記錄回波強度及波形;航空數(shù)碼相機通過拍攝采集航空影像數(shù)據(jù);定位定姿系統(tǒng)記錄測量設(shè)備在每一瞬間的空間位置與姿態(tài)，由GPS確定空間位置，IMU慣導(dǎo)測量仰俯角、側(cè)滾角和航向角數(shù)據(jù)。機載LiDAR利用激光器發(fā)射激光，從GPS得到激光器的位置，從INS得到激光發(fā)射方向，即可準(zhǔn)確地計算出每一個地面光斑的坐標(biāo)(X，Y，Z)。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖。一般而言，LiDAR系統(tǒng)獲取到的點云數(shù)據(jù)在每平方米1～100不等，由載體飛行器速度、激光脈沖頻率綜合決定。如圖1所示。

1.2 機載LiDAR技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的遙感手段相比，機載LiDAR技術(shù)具有以下優(yōu)勢：①可穿透植被。LiDAR對植被的穿透能力可有效地去除植被覆蓋對地面高程測量的影響，增加了對地面數(shù)據(jù)的有效測量，大大提高了測量精度。②主動非接觸測量。與光學(xué)遙感相比，機載LiDAR技術(shù)不限于單一光照，不受陰影和太陽高度角的影響，在傳統(tǒng)攝影測量方式無能為力的山區(qū)和植被等陰影地區(qū)，不會影響到測量數(shù)據(jù)的精度。③遠(yuǎn)距離高精度三維測量。機載LiDAR系統(tǒng)可以對傳統(tǒng)手段束手無策的植被覆蓋茂密地區(qū)、沙漠、灘涂地及高差較大的地形復(fù)雜地區(qū)等進行遠(yuǎn)距離測量獲取高精度DEM數(shù)據(jù)。④直接連續(xù)定位測量。在機載LiDAR系統(tǒng)進行測量過程中同步進行地面點連續(xù)GPS定位和機載GPS系統(tǒng)差分處理,獲取的數(shù)據(jù)具有真實的地理坐標(biāo)，是對地表三維坐標(biāo)進行直接測量；相對傳統(tǒng)攝影測量手段通過間接方法獲取的數(shù)據(jù)更加高效和準(zhǔn)確。

圖1 點密度計算

2 項目簡介

鮮水河斷裂帶位于青藏高原東南緣的四川西部地區(qū)，是一條北西走向的弧形左旋走滑斷裂帶。本次主要選取了鮮水河斷裂帶上兩個典型的區(qū)域進行激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)采集，其位置分別為康定市孟慶村、甘孜縣庭卡鄉(xiāng)，測區(qū)海拔高、人工測量難度大、少量植被且測區(qū)中間被河水分割為兩部分。采取機載激光雷達(dá)掃描方式可以一站式快速獲取到測區(qū)的三維激光點云數(shù)據(jù)，對點云進行快速處理即可得到測區(qū)1∶2000的DEM數(shù)據(jù)。項目使用武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司集成的ARS-200輕型機載激光測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)有重量輕、精度高的特點，系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：

(1) 定位定姿數(shù)據(jù)處理。根據(jù)差分GPS原理，利用地面基站GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)和機載飛行平臺動態(tài)GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算得出飛行軌跡的三維坐標(biāo)，將平臺系統(tǒng)上的INS數(shù)據(jù)利用GPS時間同步結(jié)合到三維軌跡信息上，得到具有激光掃描儀瞬時位置和姿態(tài)信息的飛行軌跡。

表1 使用設(shè)備技術(shù)參數(shù)

(2) 激光掃描數(shù)據(jù)處理。根據(jù)得到的200 Hz高頻的瞬時位置和姿態(tài)信息結(jié)合激光掃描數(shù)據(jù)，加入系統(tǒng)誤差改正參數(shù)和坐標(biāo)投影參數(shù)，求出具有WGS-84三維坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)。

(3) 航帶拼接。將每條航帶點云數(shù)據(jù)與參考面數(shù)據(jù)進行比較，對點云進行航帶平差校正。航帶偏移小于限差后，再進行航帶拼接。

(4) 激光點云數(shù)據(jù)分類。根據(jù)點云的幾何信息、反射強度等對地面點和非地面點進行分離，并根據(jù)實際應(yīng)用的需求對非地面點進行進一步分類。

(5) 數(shù)字高程模型和數(shù)字表面模型等地形成果產(chǎn)品生成。

4 信息提取

(1) 康定市孟慶村測區(qū)內(nèi)平均海拔2600 m，測區(qū)面積約0.1 km2。三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)原始點云密度可到達(dá)80點/m2，經(jīng)過地表點過濾后點云密度10點/m2。將地表三維點云數(shù)據(jù)通過構(gòu)TIN不規(guī)則三角網(wǎng)的方式生成數(shù)字高程模型。如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 測區(qū)1原始點云數(shù)據(jù)

圖3 測區(qū)1過濾后點云數(shù)據(jù)

圖4 測區(qū)1構(gòu)造TIN網(wǎng)格(1 m間距)

(2) 甘孜縣庭卡鄉(xiāng)測區(qū)內(nèi)平均海拔3400 m，測區(qū)高差約70 m，測區(qū)面積約0.15 km2。3400 m海拔已經(jīng)具備高原特性，無人機飛行需要更換高原槳才可以繼續(xù)安全作業(yè)，在高原上相對于低海拔的區(qū)域作業(yè)無人機的續(xù)航能力也會有所降低。獲取到測區(qū)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)原始點云密度為75點/m2，經(jīng)過地表點過濾后點云密度10點/m2。將地表三維點云數(shù)據(jù)通過構(gòu)造TIN不規(guī)則三角網(wǎng)的方式生成數(shù)字高程模型。數(shù)據(jù)成果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 測區(qū)2原始點云

圖6 測區(qū)2過濾后點云數(shù)據(jù)

圖7 測區(qū)2構(gòu)造TIN網(wǎng)格(1 m間距)

5 結(jié) 語

機載激光雷達(dá)系統(tǒng)以其高精度、高密度、高效率、產(chǎn)品豐富等特點在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域應(yīng)用方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，特別是無人機激光測量系統(tǒng)可對人工無法到達(dá)或危險性比較大的區(qū)域進行測量工作，其局限性從總體上來講要小于傳統(tǒng)航空攝影測量，將逐步成為測量業(yè)界應(yīng)用較廣、較先進的測繪方法。