無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR在長(zhǎng)江下游洲灘地形測(cè)量中的應(yīng)用

楊俊凱，顏惠慶

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

長(zhǎng)江下游河段是世界上運(yùn)量最大、運(yùn)輸最繁忙的通航河流，同時(shí)也是我國(guó)水運(yùn)主通道和沿江地區(qū)綜合運(yùn)輸體系主骨架[1]。長(zhǎng)江下游汊道洲灘眾多，受上游徑流和下游潮汐的共同影響，長(zhǎng)江洲灘演變劇烈，為穩(wěn)定長(zhǎng)江航槽，保證通航安全，建成了一系列重要洲灘守護(hù)工程。為了解洲灘變遷情況，評(píng)估航道整治效果，需開(kāi)展洲灘地形測(cè)量工作。傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)于高潮位淹沒(méi)的岸灘區(qū)域一般采用小船搭載測(cè)深設(shè)備進(jìn)入測(cè)量，而對(duì)于低潮位干出的沙洲區(qū)域一般采用全站儀、GNSS-RTK人工走測(cè)或無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量。其中全站儀或RTK地形測(cè)量技術(shù)成熟，但存在岸灘淤泥承載能力差、人員登陸困難等問(wèn)題，因此此類(lèi)直接測(cè)量方法的安全性、效率和精度均難以得到保障[2]；而無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)采用間接測(cè)量方式遠(yuǎn)程遙測(cè)，可代替人工實(shí)地走測(cè)，可大幅度提高洲灘地形測(cè)量效率，其成果還可以與BIM結(jié)合，輔助設(shè)計(jì)、施工管理等[3]，但存在植被遮擋區(qū)難以獲取真實(shí)地表三維信息等問(wèn)題[4]。

近年來(lái)，激光雷達(dá)（LiDAR）測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，已成為快速獲取高精度地表三維信息的有效手段。根據(jù)載體平臺(tái)不同，可分為星載、機(jī)（有人、無(wú)人）載、車(chē)（船）載、背包和地面式5類(lèi)。其中，星載LiDAR測(cè)量技術(shù)飛行高度高、觀測(cè)視野廣，適用于高山區(qū)、沙漠區(qū)等復(fù)雜地形的大范圍DEM提取[5]。車(chē)（船）載LiDAR測(cè)量方式適用于城市[6]、岸線(xiàn)地形掃測(cè)[7]，但可能受激光發(fā)射俯仰角限制，出現(xiàn)目標(biāo)頂部點(diǎn)云缺失的情況。背包式需人工背負(fù)，適用于車(chē)（船）無(wú)法進(jìn)入的狹小地形[8]，但在人員難以進(jìn)入?yún)^(qū)域（如岸灘、整治建筑物區(qū)）的應(yīng)用受限。地面式LiDAR測(cè)量技術(shù)可能出現(xiàn)由于地形條件苛刻無(wú)法架設(shè)掃描站點(diǎn)等情況。而無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)不受掃描角度及地形條件影響，具有視野廣、精度高、效率高等優(yōu)勢(shì)，目前已在沿海灘涂、整治建筑物、海島測(cè)繪等方面展開(kāi)了應(yīng)用[9-10]。因此，為獲取民主沙沙尾洲灘地形特征，項(xiàng)目組采用了中海達(dá)ARS-200輕型激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)民主沙進(jìn)行了地形掃測(cè)應(yīng)用，快速獲取了民主沙沙尾洲灘地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合野外檢查點(diǎn)進(jìn)行了精度評(píng)定，應(yīng)用結(jié)果表明了無(wú)人機(jī)機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)在小范圍、人工走測(cè)困難區(qū)域的地形測(cè)量具有快速、高精度的優(yōu)勢(shì)，可快速了解洲灘變遷情況，為航道整治工程效果評(píng)估提供依據(jù)。

1 無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)組成及參數(shù)

中海達(dá)ARS-200輕型激光測(cè)量系統(tǒng)以旋翼無(wú)人機(jī)為載體，系統(tǒng)包含高精度激光掃描儀、GNSS定位系統(tǒng)、IMU慣性導(dǎo)航單元等傳感器，如圖1所示。

圖1 ARS-200輕型LiDAR激光器Fig.1 The ARS-200 lightweight LiDAR laser

中海達(dá)ARS-200輕型激光測(cè)量系統(tǒng)以時(shí)間同步技術(shù)和一體化傳感器集成技術(shù)為基礎(chǔ)，確保同步獲取三維激光點(diǎn)云和定位定姿數(shù)據(jù)，具有重量輕、精度高、效率高等特點(diǎn)。主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ARS-200輕型LiDAR測(cè)量系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 The main parameters of ARS-200 lightweight LiDAR measurement system

2 應(yīng)用試驗(yàn)

2.1 測(cè)區(qū)概況

民主沙位于長(zhǎng)江下游河段，測(cè)區(qū)內(nèi)整體地勢(shì)平坦，地形要素豐富，民主沙外圍為淺灘，內(nèi)部含硬質(zhì)水泥路面、稻田及灌木，測(cè)區(qū)內(nèi)存在人工難以進(jìn)入的區(qū)域，測(cè)區(qū)位置如圖2所示。若采用船載激光掃描，因俯仰角的影響，只能掃測(cè)出淺灘點(diǎn)云數(shù)據(jù)；而無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)因測(cè)區(qū)植被較為茂盛，光學(xué)傳感器無(wú)法穿透植被，從而無(wú)法測(cè)量出地表真實(shí)高程。因此，項(xiàng)目組綜合考慮了測(cè)區(qū)實(shí)際地形特征，采用中海達(dá)ARS-200輕型機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)民主沙測(cè)區(qū)進(jìn)行了地形掃測(cè)。

圖2 測(cè)區(qū)位置Fig.2 The location of measuring zone

2.2 數(shù)據(jù)采集

1）前期準(zhǔn)備。首先實(shí)地踏勘了測(cè)區(qū)地形、氣象、有無(wú)高大障礙物等情況。其次收集現(xiàn)有潮汐資料，選擇最低潮時(shí)作業(yè)，從而擴(kuò)大岸灘區(qū)域的測(cè)量范圍。此外，在數(shù)據(jù)采集之前，選擇在控制點(diǎn)上架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，設(shè)置靜態(tài)采集模式，采集頻率1 Hz，衛(wèi)星截止角設(shè)為10毅，便于后期利用載波相位差分GNSS定位技術(shù)剔除機(jī)載流動(dòng)站的大部分誤差，以此控制測(cè)量精度。最后采用靜止的方式將IMU初始化。

2）航線(xiàn)規(guī)劃及參數(shù)設(shè)置。在航線(xiàn)規(guī)劃軟件中規(guī)劃航線(xiàn)，如圖3所示。飛行參數(shù)包括起降位置、飛行高度、飛行速度、航帶間距等，激光掃描參數(shù)包括點(diǎn)云密度、激光器掃描頻率等系統(tǒng)參數(shù)，如表2所示。

圖3 無(wú)人機(jī)飛行航線(xiàn)Fig.3 The diagram of UAV flight route

表2 無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR飛行參數(shù)Table 2 The flight parameters of UAV airborne LiDAR

3）檢查點(diǎn)采集。為評(píng)定無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)的點(diǎn)云精度，在測(cè)區(qū)選擇明顯的特征地物角點(diǎn)（如房角、棱臺(tái)角、巖石邊角等），采用GNSS-RTK方式記錄檢查點(diǎn)的三維信息。項(xiàng)目組分別在露地表、稻田區(qū)、灌木區(qū)采集了10個(gè)檢查點(diǎn)，共采集了30個(gè)特征點(diǎn)，作為測(cè)量精度評(píng)定的檢查點(diǎn)。

4）外業(yè)飛行。因測(cè)區(qū)無(wú)高大障礙物，因此采用平行飛行的方式采集地面三維信息，飛行過(guò)程中，實(shí)時(shí)關(guān)注無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、航速、航高、天氣變化、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)等情況，保證外業(yè)飛行安全及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整。

2.3 數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)、機(jī)載端GNSS數(shù)據(jù)和基站GNSS數(shù)據(jù)?；贗nertial Explorer軟件對(duì)基站和機(jī)載GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)后處理（PPK）解算，獲取高精度厘米級(jí)無(wú)人機(jī)定位信息。之后，利用GNSS差分?jǐn)?shù)據(jù)和IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)緊組合解算方法聯(lián)合解算出無(wú)人機(jī)的高精度的POS（Position and Orientation System）位置和姿態(tài)信息，即無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)軌跡數(shù)據(jù)。然后，將獲得掃描儀的無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)航跡數(shù)據(jù)與激光原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合，融合時(shí)需加入系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)，得出點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維絕對(duì)坐標(biāo)信息。最后，因植被的影響存在大量點(diǎn)云噪聲，需進(jìn)行濾波處理，結(jié)合影像資料刪除非地面點(diǎn)，獲取了測(cè)區(qū)高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 處理后的地形點(diǎn)云Fig.4 The processed diagram of terrain point cloud

2.4 精度評(píng)定

為分析機(jī)載LiDAR在洲灘地形測(cè)量中的應(yīng)用精度，同時(shí)驗(yàn)證無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR對(duì)于不同植被的穿透能力，試驗(yàn)將分布在水泥路面、稻田及低矮灌木區(qū)的30個(gè)檢查點(diǎn)的點(diǎn)云值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

依據(jù)JTS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的1頤500平坦地區(qū)地形圖最高要求平面中誤差臆0.3 m，高程中誤差臆0.16 m，結(jié)合表3誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：此次基于無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR的洲灘地形測(cè)量在平面和高程均能滿(mǎn)足1頤500地形圖的精度要求。同時(shí)稻田區(qū)高程精度明顯低于水泥路面及低矮灌木區(qū)，分析原因?yàn)榈咎飬^(qū)植被較為茂密，激光穿透能力不足所致。此外，在稻田及低矮灌木區(qū)的平面精度較低，分析原因?yàn)橹脖粎^(qū)內(nèi)選取的特征物較小，掃測(cè)點(diǎn)云較稀而選點(diǎn)不準(zhǔn)確。

表3 不同地物類(lèi)型誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 The error statistical results of different feature types

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方式在洲灘地形測(cè)量中存在效率低、精度低、安全性差等缺點(diǎn)，項(xiàng)目組以民主沙為例，采用了中海達(dá)ARS-200低空多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了掃測(cè)，快速獲取了民主沙沙尾地形點(diǎn)云，并結(jié)合野外檢查點(diǎn)進(jìn)行了精度評(píng)定。主要結(jié)論如下：

1）不同植被覆蓋區(qū)檢查點(diǎn)的對(duì)比結(jié)果表明，基于無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR的洲灘地形測(cè)量在平面和高程均能滿(mǎn)足大比例尺測(cè)圖的精度要求。

2）無(wú)人機(jī)機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)在小范圍、人工走測(cè)困難區(qū)域的地形測(cè)量具有快速、高精度的優(yōu)勢(shì)，可快速了解洲灘變遷情況，為航道整治工程效果評(píng)估提供依據(jù)。

3）機(jī)載激光雷達(dá)在測(cè)量過(guò)程中，傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透植被，但對(duì)于非常密集的稻田區(qū)植被，激光穿透的效果較差，所以數(shù)據(jù)采集工作應(yīng)選擇在冬季植被較為稀疏時(shí)進(jìn)行。同時(shí)機(jī)載激光雷達(dá)的高程精度優(yōu)于平面精度，可結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)1頤500甚至更大比例尺地形圖。