基于激光雷達(dá)技術(shù)在河湖確權(quán)劃界中的應(yīng)用研究

蘇成林 董武鐘 何強(qiáng)

摘要：河湖是重要的國(guó)土空間資源，河湖確權(quán)意義重大。激光雷達(dá)技術(shù)具有高精度、高分辨率、高自動(dòng)化、高效率的優(yōu)勢(shì)，其多重反射的特性，可同時(shí)獲取地面及其覆蓋物的精確三維坐標(biāo)。本文作者結(jié)合工作實(shí)踐，將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于河湖確權(quán)劃界工作中，驗(yàn)證其可靠性和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：河湖確權(quán)；激光雷達(dá)；三維坐標(biāo)

1.前言

河湖是重要的國(guó)土空間資源，明確河湖管護(hù)的責(zé)任和路徑，借助劃界工作，掌握河湖水域岸線開(kāi)發(fā)利用、保護(hù)基本情況和各種不同類別涉河建設(shè)項(xiàng)目的權(quán)屬、位置、特征參數(shù)等信息，同時(shí)厘清涉河建設(shè)項(xiàng)目審批、建設(shè)、監(jiān)管的責(zé)任主體，為今后河湖治理管護(hù)打下基礎(chǔ)。

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)集激光測(cè)距、GPS（全球定位系統(tǒng)）和INS（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）三種技術(shù)與一體的空間測(cè)量系統(tǒng)，具有高精度、高分辨率、高自動(dòng)化、高效率的優(yōu)勢(shì)，其多重反射的特性，可同時(shí)獲取地面及其覆蓋物（植被、電力線等）的精確三維坐標(biāo)。獲取的高精度高分辨率DEM，可作為土地利用、工程建設(shè)規(guī)劃、公共管理線等方面應(yīng)用基礎(chǔ)。

作者結(jié)合工作實(shí)際，在河湖劃界工作中，積極運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)，極大地提高了工作效率和成果質(zhì)量，成為河湖劃定工作得力的工作助手，對(duì)于今后的基礎(chǔ)測(cè)繪工作開(kāi)展具有積極借鑒意義[1—3]。

2.系統(tǒng)組成及原理

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備主要包括三大部件：機(jī)載激光掃描儀、航空數(shù)碼相機(jī)、定向定位系統(tǒng)POS（包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS和慣性導(dǎo)航儀IMU）。其中機(jī)載激光掃描儀采集三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄回波強(qiáng)度及波形；航空數(shù)碼相機(jī)采集影像數(shù)據(jù)；POS系統(tǒng)記錄設(shè)備在每一瞬間的空間位置與姿態(tài)。其中，GNSS確定空間位置，IMU慣導(dǎo)測(cè)量仰俯角、側(cè)滾角和航向角數(shù)據(jù)[4]。

3.數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理就是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，獲取GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，并將同一架次的GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、地面基站觀測(cè)數(shù)據(jù)、飛行記錄數(shù)據(jù)、基站控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理，生成滿足要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)碼影像數(shù)據(jù)[5]。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中具體流程如圖2。

4.工程案例

白鶴河位于仁壽縣北斗鎮(zhèn)，河長(zhǎng)18km，本文將結(jié)合工程實(shí)踐探討激光雷達(dá)技術(shù)在河流確權(quán)中的應(yīng)用。

4.1去噪濾波點(diǎn)云數(shù)據(jù)

常見(jiàn)的噪聲包括高位粗差和低位粗差，高位粗差通常是因?yàn)闄C(jī)載LiDAR系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中受到低飛的飛行物（比如鳥類或者飛機(jī)）的影響，誤將這些物體反射回來(lái)的信號(hào)當(dāng)作被測(cè)目標(biāo)的反射信號(hào)記錄下來(lái)。低位粗差則是由于測(cè)量過(guò)程中的多路徑誤差或者激光測(cè)距儀的誤差導(dǎo)致產(chǎn)生的極低點(diǎn)。通過(guò)選擇合適的參數(shù)，可以移除噪點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4.2點(diǎn)云賦色

通過(guò)結(jié)合縱橫無(wú)人機(jī)攜帶的睿博DG3-psdk的五鏡頭航片，將生成后的DOM賦色給點(diǎn)云，使激光lidar點(diǎn)云成為包含RGB信息的彩色點(diǎn)云，方便工程項(xiàng)目基于彩色點(diǎn)云進(jìn)行更深度的信息挖掘和加工。以下為賦色后的白鶴河彩色點(diǎn)云總數(shù)據(jù)。

4.3基于點(diǎn)云的等高線生成

在地面點(diǎn)云DEM的基礎(chǔ)上，進(jìn)行等高線生成操作，得到如圖7所示的等高線矢量圖，基于點(diǎn)云生成的等高線具有更強(qiáng)的真實(shí)性，很好的保留現(xiàn)場(chǎng)地形豐富的細(xì)節(jié)，完全有別于傳統(tǒng)人工測(cè)圖的成果，大大降低了外業(yè)人工工作量以及內(nèi)業(yè)的矢量編輯工作量。

4.4基于點(diǎn)云的DLG采集

由于點(diǎn)云賦色后具備了豐富的RGB信息，更加有利于內(nèi)業(yè)繪圖人員通過(guò)目視解譯和交互編輯的方式進(jìn)行地形圖矢量化，能更加準(zhǔn)確的還原現(xiàn)場(chǎng)的地形地貌以及植被分布等信息，完全克服了傳統(tǒng)外業(yè)作業(yè)模式的弊端，以下為基于彩色點(diǎn)云進(jìn)行DLG線畫圖成果，如下圖所示。

5.成果分析

5.1精度分析

在對(duì)分類后的地面點(diǎn)云進(jìn)行精度分析：采用RTK測(cè)量600組特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)成樣本數(shù)據(jù)?；诮y(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在這些樣本中隨機(jī)地抽取出20組用于統(tǒng)計(jì)比較，以檢驗(yàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后的地面點(diǎn)云的精度質(zhì)量，高程精度對(duì)比結(jié)果如下表所示。

根據(jù)大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)量要求，對(duì)激光掃描儀所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行大比例成圖后質(zhì)量評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法主要通過(guò)計(jì)算檢核點(diǎn)高程中誤差來(lái)衡量。高程精度還可以通過(guò)對(duì)全站儀（RTK）所測(cè)等高線和掃描儀所測(cè)等高線兩者疊加對(duì)比分析以及兩種方法生成的斷面圖進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)評(píng)價(jià)。

根據(jù)《數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評(píng)定規(guī)范（GB/T 18316—2001）》對(duì)表l的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

高程精度采用公式：

式中：Hi/m， hi/m分別為RTK實(shí)測(cè)高程和點(diǎn)云高程；n為檢核點(diǎn)個(gè)數(shù)。

算得MH=0.02mm，高程精度小于規(guī)范30mm的要求。

由以上的數(shù)據(jù)分析可得，激光雷達(dá)的精度是可以滿足河湖確權(quán)精度要求。

5.2效率分析

由上圖分析，激光雷達(dá)技術(shù)與傳統(tǒng)作業(yè)方法比較，內(nèi)業(yè)與外業(yè)作業(yè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)作業(yè)方法。

通過(guò)分析激光雷達(dá)作業(yè)的精度與效率，發(fā)揮激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，在滿足精度要求的情況下提升了作業(yè)效率。

6.結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程實(shí)踐，本文探討了激光雷達(dá)技術(shù)在河湖確權(quán)劃界中的應(yīng)用，從成果精度與作業(yè)效率進(jìn)行分析，激光雷達(dá)技術(shù)成果精度在滿足規(guī)范要求的前提下作業(yè)效率得到較大提升，對(duì)于今后的基礎(chǔ)測(cè)繪工作開(kāi)展具有積極借鑒意義。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)化及設(shè)備價(jià)格的下調(diào)，該技術(shù)將逐漸普及，其應(yīng)用領(lǐng)域值得深入研究。

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