談?wù)Z 趙云毅 富博

摘要：為解決復(fù)雜山區(qū)地形傳統(tǒng)測(cè)量工作中存在施測(cè)難度大、效率低、成本高等問題，以烏東德庫(kù)區(qū)有人機(jī)載Lidar測(cè)繪項(xiàng)目為背景，對(duì)機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)處理過程中的GNSS差分解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、各航帶間的激光點(diǎn)云吻合情況、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類等質(zhì)量控制進(jìn)行了分析，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：烏東德庫(kù)區(qū)有人機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制良好，其成果精度完全滿足生產(chǎn)需求。機(jī)載Lidar對(duì)復(fù)雜山區(qū)地形數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制良好。

關(guān)鍵詞：地形測(cè)量; 機(jī)載Lidar; 激光點(diǎn)云; 烏東德庫(kù)區(qū)

中圖法分類號(hào)：TV221.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.004

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）10 - 0022 - 05

0 引 言

根據(jù)《2020年度金沙江下游梯級(jí)水電站水文泥沙監(jiān)測(cè)任務(wù)書》要求，需開展烏東德水電站庫(kù)區(qū)觀音巖壩址-烏東德壩址干流及其主要支流正常蓄水位回水范圍河段水道地形觀測(cè)工作。但是，由于烏東德庫(kù)區(qū)特殊的作業(yè)環(huán)境，運(yùn)用傳統(tǒng)作業(yè)手段測(cè)量地形時(shí)存在效率低、成本大等問題，成果難以達(dá)到高精度和可靠性要求。

2020年，烏東德庫(kù)區(qū)地形測(cè)量為河道本底地形測(cè)量，對(duì)成果精度和可靠性要求高，同時(shí)由于其處于金沙江及其支流沿岸，在云南與四川交界的高山河谷、地形陡峭的特殊作業(yè)環(huán)境，采用傳統(tǒng)全站儀、RTK等傳統(tǒng)作業(yè)手段，很多區(qū)域作業(yè)人員無法到達(dá)，難以全面精準(zhǔn)獲取地形數(shù)據(jù)。同時(shí)外業(yè)測(cè)量存在較大安全隱患，因此亟待采用新技術(shù)、新方法解決以上作業(yè)難題。

本次測(cè)量工作采用機(jī)載Lidar測(cè)量技術(shù)。研究該技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)地形測(cè)量中的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制情況。機(jī)載Lidar測(cè)量具有效率高、受影響小、精度高、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于庫(kù)區(qū)地形測(cè)量具有較強(qiáng)實(shí)用性[1]，本文結(jié)合金沙江烏東德實(shí)際情況，全面介紹了機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程，并在各環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的檢驗(yàn)方法，有利于數(shù)據(jù)處理過程中的質(zhì)量控制，使烏東德機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度滿足生產(chǎn)需要。

1 概 述

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)載Lidar測(cè)量技術(shù)是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)[2]，這種技術(shù)將激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元（IMU）/DGPS差分定位等技術(shù)集成于一體，具有作業(yè)效率高和受天氣影響小、精度高、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低等特點(diǎn)，且該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外測(cè)繪領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用。此外，烏東德庫(kù)區(qū)植被稀疏、地物較少，也給該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了客觀條件，利用機(jī)載Lidar施測(cè)烏東德庫(kù)區(qū)陸上地形具有較強(qiáng)的適用性。綜上，將烏東德庫(kù)區(qū)水位抬升較大的烏東德壩址-拉鲊河段陸上地形采用機(jī)載Lidar方式作業(yè)。測(cè)量范圍見圖1。

1.2 質(zhì)量控制過程

質(zhì)量管理應(yīng)注重指揮和控制[3]，不能只重結(jié)果而輕過程。有人機(jī)載激光雷達(dá)生產(chǎn)質(zhì)量管理屬于全過程質(zhì)量管理，包括承接任務(wù)、組織準(zhǔn)備、技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)作業(yè)、過程檢查，直到產(chǎn)品交付使用。堅(jiān)持預(yù)防為主的指導(dǎo)思想，所有生產(chǎn)均應(yīng)采取PDCA模式進(jìn)行。P（策劃）為提供結(jié)果建立必要的目標(biāo)和過程，D（實(shí)施）為實(shí)施過程，C（檢查）是根據(jù)方針、目標(biāo)和產(chǎn)品要求，對(duì)過程和產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)量并報(bào)告結(jié)果，A（處置）是采取措施以持續(xù)改進(jìn)過程。

質(zhì)量控制的關(guān)鍵是堅(jiān)持各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查主要以自檢、互檢和專項(xiàng)檢查為主，體現(xiàn)預(yù)防為主的思想，在薄弱點(diǎn)環(huán)節(jié)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置檢查點(diǎn)進(jìn)行環(huán)環(huán)控制。實(shí)際生產(chǎn)過程中，在開展烏東德水電站庫(kù)區(qū)觀音巖壩址-烏東德壩址干流及其主要支流正常蓄水位回水范圍河段水道地形觀測(cè)項(xiàng)目實(shí)施前，2019年6月對(duì)烏東德庫(kù)區(qū)典型龍街河段進(jìn)行無人機(jī)Lidar航測(cè)比測(cè)，比測(cè)精度滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)書的要求;項(xiàng)目實(shí)施中，對(duì)部分河段采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行斷面與地形比測(cè)，對(duì)比測(cè)精度統(tǒng)計(jì)比較;在生產(chǎn)作業(yè)各工序環(huán)節(jié)中建立質(zhì)量檢查制度，明確質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，確定技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)要求，提出質(zhì)量控制方法，嚴(yán)格遵守上一工序必須經(jīng)過質(zhì)量檢查，認(rèn)可合格后方可流轉(zhuǎn)到下一工序的制度。

2 數(shù)據(jù)處理前的質(zhì)量控制

2.1 GNSS差分解算

航飛作業(yè)期間，在所有航飛作業(yè)地面基站同時(shí)架設(shè)2臺(tái)及以上GNSS設(shè)備，同步觀測(cè)并記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)TBC后處理，與2013年控制網(wǎng)點(diǎn)三維坐標(biāo)換算的距離與本次作業(yè)基線三維分量進(jìn)行比較，以檢核控制點(diǎn)穩(wěn)定性。假如控制點(diǎn)檢核結(jié)果不滿足要求，那么就在附近連續(xù)測(cè)出3個(gè)以上穩(wěn)定的控制點(diǎn)，重新解算本次作業(yè)基站坐標(biāo)[4]。

航攝采集回來的數(shù)據(jù)要進(jìn)行初步的航測(cè)數(shù)據(jù)檢查，主要包括基準(zhǔn)站GNSS數(shù)據(jù)、原始激光測(cè)距數(shù)據(jù)、機(jī)載GNSS與IMU數(shù)據(jù)，并要填寫航攝數(shù)據(jù)檢查報(bào)告。

機(jī)載GNSS數(shù)據(jù)與地面基準(zhǔn)站GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算（DGPS），通過點(diǎn)云軌跡解算軟件，查看衛(wèi)星觀測(cè)情況及軌跡總體觀測(cè)成果等參數(shù)，綜合評(píng)定差分解算是否符合要求。例如發(fā)現(xiàn)精度較低，刪除GNSS接收數(shù)據(jù)中多余的觀測(cè)數(shù)據(jù)，保留有用數(shù)據(jù)再進(jìn)行解算，以去掉不必要的干擾，提高解算精度。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，若干基站數(shù)據(jù)成果不佳就會(huì)直接影響解算成果，甚至成果質(zhì)量不及單基站解算出來的成果，因此在解算時(shí)候若發(fā)現(xiàn)有精度不高的基站最好不參與解算。

2.2 DGPS/IMU聯(lián)合處理

將GNSS基站、流動(dòng)站、IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行組合導(dǎo)航解算，得到航跡文件。解算完成后，查看處理精度報(bào)告，包括姿態(tài)、位置精度、IMU處理狀態(tài)、姿態(tài)和位置分離等，確認(rèn)無誤后輸出航跡文件;原始數(shù)據(jù)集成處理前，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的完整性和正確性詳細(xì)檢查，確?？梢酝暾敵龊桔E成果。

2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)

差分解算后獲得的是WGS84坐標(biāo)系坐標(biāo)，需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，以得到項(xiàng)目需要的1954年北京坐標(biāo)系。因此，為確保轉(zhuǎn)換精確，需要獲取坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于金沙江下游河道落差大，高程變化大，需采用布爾薩七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型分段解算，利用參與坐標(biāo)參數(shù)解算的控制點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)內(nèi)符合精度驗(yàn)證，利用未參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的控制點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)外符合精度驗(yàn)證[5]，精度驗(yàn)證見表1。

3 數(shù)據(jù)處理后質(zhì)量控制

3.1 各航帶間激光點(diǎn)云吻合情況檢查

各航帶間的激光點(diǎn)云吻合情況檢查是對(duì)激光數(shù)據(jù)拉剖面（斷面）觀察，檢查兩個(gè)航帶之間同名激光點(diǎn)的高差和位置偏移，從而確定其誤差。具體吻合情況見圖2。圖2（a）中兩條航線數(shù)據(jù)明顯分開，說明這兩條航帶數(shù)據(jù)吻合不好。圖2（b）中兩條航線數(shù)據(jù)基本重合，說明兩條航帶數(shù)據(jù)吻合很好。如果兩條航帶數(shù)據(jù)吻合不好，使用TerraMatch軟件對(duì)批處理后的工程數(shù)據(jù)依次進(jìn)行平面差、高程差調(diào)整。在航帶平面差調(diào)整中，調(diào)整后的地物要與參考面測(cè)量中的地物完全重合，否則需要重復(fù)以上步驟重新調(diào)整，直到滿足要求為止。高程相對(duì)調(diào)整的結(jié)果要達(dá)到小于15 cm的數(shù)據(jù)精度指標(biāo)要求，否則會(huì)影響到后續(xù)處理的精度。在航帶高程絕對(duì)調(diào)整中，要查看生成報(bào)告中的平均誤差是否達(dá)到數(shù)據(jù)精度指標(biāo)要求[6]。

3.2激光點(diǎn)云分類

激光點(diǎn)云分類是對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的主要工作內(nèi)容[7]。地面點(diǎn)分類主要由3個(gè)過程組成：①使用Lidar360軟件的分類算法自動(dòng)進(jìn)行分類，通過設(shè)置建筑物尺寸、迭代角度、迭代距離等相關(guān)參數(shù)，計(jì)算分類地面點(diǎn);②對(duì)算法自動(dòng)分類的地面點(diǎn)以及非地面點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化處理，一般選擇TIN濾波、二次曲面濾波、坡度濾波等進(jìn)行二次算法自動(dòng)分類;③在前兩步基礎(chǔ)上進(jìn)行人工截取剖面，細(xì)化分類，如圖3所示。在人工進(jìn)行細(xì)分類時(shí)，需使用影像數(shù)據(jù)成果DOM或DSM輔助進(jìn)行激光分類和質(zhì)量控制;分類后激光點(diǎn)云要求平地較平坦，無明顯突出的點(diǎn)出現(xiàn);山地坡度過渡平滑自然，無明顯突變的點(diǎn)出現(xiàn);高速公路、河流等與周圍的地物相比，高度變化較明顯，但無孤立明顯突出的點(diǎn)出現(xiàn)。

激光點(diǎn)云分類的質(zhì)量檢查就是檢查裸地表、建筑物和植被等數(shù)據(jù)是否按當(dāng)前工程項(xiàng)目要求劃分到相應(yīng)的分類中。具體檢查方法是通過剖面（斷面）采用人機(jī)交互進(jìn)行檢查，如圖4所示。為了更直觀、更準(zhǔn)確地進(jìn)行檢查，需通過對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行著色，疊加航片進(jìn)行檢查，確保分類成果更加準(zhǔn)確無誤。

3.3 點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，為了檢查機(jī)載Lidar實(shí)施過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，最終成果是否滿足生產(chǎn)需要，采集了斷面點(diǎn)、碎部點(diǎn)、地形特征點(diǎn)、水涯線特征點(diǎn)等作為檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)由全站儀和RTK兩種設(shè)備采集，檢查內(nèi)容包括碎部點(diǎn)檢測(cè)、斷面檢測(cè)、地形檢測(cè)等。

3.3.1 精度要求

根據(jù)CH/T 8024-2011《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)獲取點(diǎn)云高程精度應(yīng)滿足表2的要求。

根據(jù)SL257-2017《水道觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)精度要求較高的水道變化沖淤分析等專用水道地形圖測(cè)繪基本精度應(yīng)滿足表3的要求。

3.3.2 碎部點(diǎn)平面精度檢測(cè)

通過RTK設(shè)備采集得出碎部檢測(cè)數(shù)據(jù)與機(jī)載檢測(cè)數(shù)據(jù)的點(diǎn)分布個(gè)數(shù)情況[8]，如表4所示，可以看出點(diǎn)云平面精度均小于1.5 m，滿足河道規(guī)范要求。

3.3.3 碎部點(diǎn)高程精度檢測(cè)

GNSS-RTK地形點(diǎn)分布如表5所示。

RTK校核點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)較差高程中誤差如表6所示。

從表6可以看出點(diǎn)云高程中誤差在平地區(qū)域小于0.14 m，在丘陵區(qū)域小于0.20 m，在山地區(qū)域小于0.27 m，在高山地區(qū)域小于0.31 m，該精度均高于《水道觀測(cè)規(guī)范》中的規(guī)定，能滿足金沙江烏東德庫(kù)區(qū)陸上測(cè)量需要。

3.3.4 斷面精度檢測(cè)

烏東德庫(kù)區(qū)（烏東德壩區(qū)-拉鲊河段）干流及支流均布設(shè)固定斷面，斷面分布情況見表7。各斷面機(jī)載三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全站儀、RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面面積比精度統(tǒng)計(jì)及斷面中誤差統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。

從圖5可以看出，固定斷面面積比均小于2%，滿足河道規(guī)范要求，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可用于烏東德庫(kù)區(qū)陸上固定斷面成果。

3.3.5 地形精度檢測(cè)

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，為檢測(cè)地形精度是否滿足沖淤計(jì)算要求，分別在龍街與拉鲊河段采集地形檢測(cè)點(diǎn)、機(jī)載三維激光點(diǎn)云與全站儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各體積及相對(duì)中誤差，具體情況見表8。

從表8可以看出，相對(duì)體積均小于2.5%，滿足河道水利規(guī)范要求，可用于烏東德陸上地形成果。

4 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜且非常重要，需要豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，其質(zhì)量控制更顯得尤為重要。質(zhì)量控制是為了通過監(jiān)視質(zhì)量形成過程，消除生產(chǎn)流程中各環(huán)節(jié)可能引起不合格或不符合要求的影響因素，通過采取一系列作業(yè)技術(shù)和方法，將各種影響質(zhì)量的問題減至最少，貫穿于質(zhì)量產(chǎn)生、形成和實(shí)現(xiàn)的全過程中。機(jī)載Lidar測(cè)量技術(shù)，在處理復(fù)雜山區(qū)地形勘測(cè)工作中，體現(xiàn)出了較高效率、精度和成果質(zhì)量。通過各種測(cè)量技術(shù)的對(duì)比研究，可以初步確定機(jī)載Lidar測(cè)量技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)的地形測(cè)量中發(fā)揮了積極作用。

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（編輯：唐湘茜）

Quality control of airborne Lidar data in complex mountainous terrain

TAN Yu，ZHAO Yunyi，F(xiàn)U Bo

（Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources

Commission，? Chongqing 400020， China）

Abstract： In order to solve the difficulties， low efficiency and high cost in the traditional survey of complex mountainous terrain， this paper takes the Lidar project in Wudongde Reservoir Area as the background， the quality control of GNSS differential decomposition， coordinate conversion parameters， laser point cloud coincidence among airborne Lidar bands and point cloud classification are analyzed， and the accuracy of point cloud data is evaluated. The results show that the quality control of manned-airborne point cloud data processing in Wudongde Reservoir Area is good， and the accuracy of the results can meet the needs of river-related work completely. Therefore， Airborne Lidar can control the quality of complex mountain terrain data well.

Key words： topographic survey; airborne lidar; laser point cloud; Wudongde Reservoir Area