小型機載激光雷達(dá)技術(shù)在水運勘察設(shè)計的應(yīng)用

黃湘

摘要：文章從水運工程勘察設(shè)計的需求和工程實際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合小型機載激光雷達(dá)技術(shù)在廣西水運勘察設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢，分析了小型機載激光雷達(dá)技術(shù)在水運勘察設(shè)計中的應(yīng)用可能性，其成果可有效地應(yīng)用于傳統(tǒng)水運工程設(shè)計及BIM正向設(shè)計工作，提高了水運工程建設(shè)的質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：無人機;機載激光雷達(dá)技術(shù);水運勘察設(shè)計

中國分類號：U612文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

激光雷達(dá)技術(shù)是當(dāng)今測繪業(yè)先進(jìn)的遙感測量手段，是利用激光技術(shù)探測地質(zhì)環(huán)境信息的傳感器的統(tǒng)稱。與傳統(tǒng)類雷達(dá)不同，激光雷達(dá)是以激光作為載波，能夠快速、高精度地獲取空間三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)采集，主要應(yīng)用在智能汽車、無人機、測繪、機器人等領(lǐng)域。該技術(shù)在采集地表數(shù)據(jù)方面具有傳統(tǒng)測繪和航空攝影測量無法比擬的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

（1）精度高。激光雷達(dá)波長頻率比普通雷達(dá)微波至少高2～3個數(shù)量級，能夠在分子量級上對目標(biāo)進(jìn)行探測，有很高的分辨率。

（2）抗干擾能力強。激光不受布線電波干擾，而且激光束非常小，多路徑效應(yīng)小，能夠探測低空目標(biāo)。

（3）體積小、質(zhì)量輕。傳統(tǒng)微波雷達(dá)體積大、重量重，不易運輸和維修，而激光雷達(dá)不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且體積小、重量輕，便于維修和攜帶。

目前激光雷達(dá)常用的測距技術(shù)有三種，分別是激光飛行時間法、調(diào)頻連續(xù)波法和三角法。其中激光飛行時間法是通過光脈沖在雷達(dá)與目標(biāo)間的飛行時間算出距離，適用于長距離探測;調(diào)頻連續(xù)波法是通過光的波動變化和發(fā)射、接收光譜的頻率差異得出距離;三角法是通過幾何三角定理計算光斑位移，適合于短距離測量。

1 小型機載激光雷達(dá)技術(shù)在廣西水運勘察設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢

水運勘察設(shè)計的港口碼頭、樞紐項目多為點狀的工程區(qū)域，且廣西大部分地區(qū)都是多山地貌，地形起伏較大，植被茂盛，由于GPS信號被遮擋、人員無法到達(dá)或全站儀無法通視等原因難以采集到所有地形特征點，傳統(tǒng)的航空攝影測量又無法穿透植被采集到地面點的數(shù)據(jù)，外業(yè)數(shù)據(jù)采集難度較大。小型機載激光設(shè)備機動靈活，可以穿過植被間隙獲取樹冠、樹枝、地面精確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.1 地理空間數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢

小型機載激光雷達(dá)系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強、體積小、重量輕的特點，不僅能夠獲得精準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)，同時操作簡單，便于攜帶，符合復(fù)雜地形測繪的需要。

1.2 BIM正向設(shè)計的應(yīng)用優(yōu)勢

三維地形數(shù)據(jù)是BIM正向設(shè)計中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，機載激光雷達(dá)測量技術(shù)能有效克服植被影響，獲取工程所需的DLG（數(shù)字線畫圖）、DEM（數(shù)字高程模型）及三維激光點云等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，滿足傳統(tǒng)水運工程設(shè)計及BIM正向設(shè)計需要。

2 系統(tǒng)原理及技術(shù)路線

機載激光雷達(dá)技術(shù)是利用激光飛行時間法進(jìn)行水運勘察的雷達(dá)技術(shù)，通過測得激光在目標(biāo)與傳感器之間的飛行時間，再結(jié)合飛行器的運行線路及速度信息，就能夠精準(zhǔn)地算出目標(biāo)與傳感器之間的間距，進(jìn)而通過轉(zhuǎn)換，得到直觀的三維數(shù)據(jù)。機載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由GPS系統(tǒng)（包括機載GPS和地面基站GPS）、INS系統(tǒng)（慣性測量系統(tǒng)）、激光掃描測距系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和飛行系統(tǒng)構(gòu)成。其具體技術(shù)路線如圖1所示。

3 工程應(yīng)用

本研究以左江山秀船閘擴(kuò)能工程為依托項目。山秀電站工程區(qū)域地形復(fù)雜，山高路險，植被茂盛，河道兩岸的石頭山十分陡峭，山峰山谷最大落差達(dá)300 m，而要獲取滿足初步設(shè)計、施工圖設(shè)計需求的1：500、1：1 000測圖比例地形數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的全站儀測量或爬上去利用GPS-RTK采集幾乎不可能實現(xiàn)，不僅效率低，而且測量人員安全也得不到保障。為了克服困難，項目組采用小型機載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行測量。在進(jìn)行現(xiàn)場勘察后，根據(jù)山區(qū)地形特點制定詳細(xì)的航飛方案，利用大疆M600搭載SZT-R250三維激光移動測量系統(tǒng)進(jìn)行地面數(shù)據(jù)采集。

3.1 航飛設(shè)計

3.1.1 地面基站

為了保證水運勘察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要在飛行區(qū)域內(nèi)安置一定數(shù)量的GPS基站，同時安置機載GPS，根據(jù)差分GPS技術(shù)要求，GPS基站與機載GPS距離應(yīng)≤30 km。本項目工程測圖測區(qū)為山秀水電站上游2.4 km至下游1.9 km，總面積約6.0 km2，在樞紐壩上布設(shè)1個基站即可滿足要求。站點原則：架設(shè)在GPS D級控制點上;基站設(shè)備：中海達(dá)iRTK 5 X雙頻GPS設(shè)備，續(xù)航能力8 h以上;觀測要求：GPS接收機數(shù)據(jù)采樣間隔0.5 s，最小衛(wèi)星數(shù)4顆，衛(wèi)星截止高度角5°，量取GPS天線高，填寫觀測手簿等相關(guān)資料。

3.1.2 航線規(guī)劃

按照作業(yè)要求，規(guī)劃檢校航線、數(shù)據(jù)采集航線，包括航帶間重疊度、飛行高度、飛行速度、掃描儀掃描頻率、掃描儀覆蓋范圍等的規(guī)劃。具體的航線可以根據(jù)工程區(qū)域KML、DEM高程進(jìn)行初步規(guī)劃，在進(jìn)行現(xiàn)場勘察后，由地表情況進(jìn)行飛行高度、飛行速度等的進(jìn)一步調(diào)整，以保證數(shù)據(jù)采集作業(yè)的安全性與有效性。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云數(shù)據(jù)處理和正射影像制作。預(yù)處理包括解算原始點云數(shù)據(jù)和原始影像兩部分，將算好的軌跡數(shù)據(jù)（.POS）和掃描儀數(shù)據(jù)（.RXP）導(dǎo)入PointProcess進(jìn)行點云數(shù)據(jù)融合，得到平行器精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)。點云數(shù)據(jù)處理可以采用不規(guī)則三角網(wǎng)法，輸入外業(yè)航飛記錄參數(shù)，根據(jù)激光點反射率及距離進(jìn)行粗濾波來過濾噪點，得到高精度位置信息的點云數(shù)據(jù)（.LAS），對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行地面點和非地面點分類，快速自動分離出精細(xì)的地面點。正射影像制作可以得到精準(zhǔn)的影像，利用攝影測量系統(tǒng)參考點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行正射糾正和影像的無縫鑲嵌。

3.3 精度分析

為評定無人機機載激光測量點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測量項目組采用常規(guī)的GPS-RTK、全站儀在工程區(qū)域采集了5 844個地形點，這些地形點涵蓋平坦的耕地、山秀大壩、建筑物、山上裸露石頭及懸崖峭壁地形特征點等。

對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理后，除去非地面點后，獲取了約104萬個點云數(shù)據(jù)，與常規(guī)GPS-RTK、全站儀采集地形點數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，結(jié)果顯示絕大部分地形點的精度符合1：500測圖精度，高程中誤差為12.6 cm。其中，有330個地形點的高程誤差超過40 cm，主要集中在懸崖峭壁、房屋角頂以及陡坎處，還有一部分應(yīng)該是植被完全覆蓋區(qū)域，機載激光雷達(dá)無法通過縫隙穿透植被，或者被植被下方的水吸收后沒有采集到數(shù)據(jù)，在擬合過程中產(chǎn)生的誤差。

3.4 在水運勘察設(shè)計中的應(yīng)用

利用小型機載激光雷達(dá)技術(shù)快速高效獲取的三維地理信息數(shù)據(jù)，可用于研究工程區(qū)域的宏觀地理環(huán)境，供各種空間查詢及空間分析。通過精細(xì)化的三維實景模型及地形模型、高精度的DLG、高分辨率的DOM等多源數(shù)據(jù)相結(jié)合，可為水運工程從規(guī)劃、設(shè)計、施工到運營各階段提供可視化展示、管理、決策支持等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有效降低工程項目各階段的數(shù)據(jù)生產(chǎn)、溝通成本，提高數(shù)據(jù)精度和工作效率，為BIM技術(shù)在工程全生命周期應(yīng)用的各階段提供良好的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語

小型機載激光雷達(dá)技術(shù)在水運勘察設(shè)計工作中應(yīng)用前景廣闊，不僅精準(zhǔn)度高，而且抗干擾能力強，體積小，重量輕，便于攜帶和維修，能彌補傳統(tǒng)水運勘察設(shè)計工作中的缺陷，有關(guān)單位應(yīng)不斷擴(kuò)展、深化機載激光雷達(dá)技術(shù)在水運勘察設(shè)計中的應(yīng)用，構(gòu)建全要素三維場景模型，為BIM三維協(xié)同設(shè)計提供精細(xì)化的基礎(chǔ)地理信息，實現(xiàn)兩種新技術(shù)的優(yōu)勢互補，形成GIS+BIM的解決方案。

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