潘賢亮，劉宏

（上海達華測繪科技有限公司，上海 200136）

0 引言

填筑工程施工區(qū)域通常近岸瀕海，屬于淺灘或灘涂區(qū)域，環(huán)境復(fù)雜。在潮間帶區(qū)域，水草叢生，漁網(wǎng)遍布；拋石作業(yè)區(qū)域亂石較多，水下陡深陡淺，非常不利于地形的測繪。常規(guī)通過人工RTK 測量或者有人船舶進行水深測量來獲取填筑區(qū)域的平面和高程信息。傳統(tǒng)測船吃水深，易撞灘、擱淺，且人工操作船舶走線偏差大；人工跑灘，灘面質(zhì)軟、淤陷，人員和設(shè)備安全風(fēng)險高，作業(yè)效率低。

如何快速、安全、準(zhǔn)確地進行相應(yīng)的測量工作，為施工提供準(zhǔn)確及時的服務(wù)，是亟需解決的問題。無人機、無人艇測量技術(shù)相結(jié)合形成的無人化測量技術(shù)，具有自動化、智能化、高精度、高效率的特點，為填筑工程測量提供了新思路[1-2]。

1 無人機航攝結(jié)合激光雷達測量技術(shù)

1.1 無人機激光雷達系統(tǒng)測高技術(shù)

無人機機載雷達測量系統(tǒng)搭載激光雷達，點云密度高，可獲取地表高精度三維信息，快速提取淺灘、灘涂等地物信息，作業(yè)效率高，尤其在蘆葦、樹林等植被覆蓋的區(qū)域，激光脈沖獨特的多次回波技術(shù)，可以迅速獲取到地表真實數(shù)據(jù)。多旋翼無人機搭載激光雷達實施測量，可發(fā)揮無人機的機動快速和激光穿透植被的優(yōu)勢，提高了作業(yè)效率，解決植被覆蓋灘涂測量難題[3]。

在進行測量作業(yè)時，需充分了解無人機和激光雷達系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用方式及各項功能，使兩者能夠穩(wěn)定、完整的結(jié)合起來；合理規(guī)劃航線，保證相鄰條帶重合度滿足規(guī)范要求，保證數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。在數(shù)據(jù)處理時，需要根據(jù)測量區(qū)域的具體情況針對性處理，對于植被覆蓋區(qū)，無人機激光雷達系統(tǒng)發(fā)射的激光波可以穿透植被空隙到達地面，獲取地面點數(shù)據(jù)；但是對于有水區(qū)域，激光雷達系統(tǒng)發(fā)射的激光波無法穿透水體，從點云數(shù)據(jù)成果判斷十分困難，要結(jié)合現(xiàn)場照片進行判斷；對于潮間帶地區(qū)，潮水剛退出露灘及吹填區(qū)吹填的新鮮泥表時，由于表層覆蓋了一層水膜，會導(dǎo)致激光雷達系統(tǒng)后向散射率變低，從而造成掃描航帶寬度變窄，若要保證數(shù)據(jù)獲取的精度與準(zhǔn)確性，需要根據(jù)現(xiàn)場情況縮短航帶間隔以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

通過對不同區(qū)域的成果與已有的人工RTK 測點比對，高程中誤差最小的為近岸構(gòu)筑物，高程中誤差最大的為植被覆蓋區(qū)，不同測量區(qū)域高程中誤差均在12 cm 以內(nèi)，優(yōu)于GB/T 17278—2009《數(shù)字地形圖產(chǎn)品基本要求》1∶500 地形圖要求，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的高精度和可靠性。

1.2 點云數(shù)據(jù)算法提升與改進技術(shù)

點云處理方法一般是基于離散點云數(shù)據(jù)進行每個點或點云區(qū)域的單獨處理與輸出。處理時間長，精度較低，且受地表噪點的影響較大。在實際使用過程中，總結(jié)出了人工干預(yù)結(jié)合自動濾波方法[4]，此方法在進行自動濾波之前先對點云進行人工處理，比如剔除地面凹點跳點，點云平滑等操作，既有自動濾波的公式化、避免人工分類中的失誤與界線分隔不明情況出現(xiàn)的優(yōu)點，又能有效避免自動濾波時機械化取最低點而導(dǎo)致測出整個地面高程偏低的情況。使用此種方法可以很大程度上減少數(shù)據(jù)后處理的時間，以及對處理人員數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗的需求。

在系統(tǒng)參數(shù)校準(zhǔn)時，選擇校準(zhǔn)區(qū)域，首先人工尋找相同的特征點，進行安裝偏差角度的計算，將Roll、Pitch 和Yaw 三者的校準(zhǔn)值計算出來，將該值設(shè)置進自動校準(zhǔn)窗口，再啟用自動校準(zhǔn)項，對人工校準(zhǔn)值進行精細(xì)校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)值上載至點云數(shù)據(jù)，查看同一航線、相同區(qū)域的2 條相同航帶的點云疊合情況，直至兩者重合，此時最佳校準(zhǔn)參數(shù)會自動上載至校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

通過一系列的測試和作業(yè)，根據(jù)數(shù)據(jù)自身特點和成果要求，總結(jié)出一套從數(shù)據(jù)預(yù)處理到成果輸出的較為成熟的工作流程。以該流程為框架，結(jié)合主流激光雷達數(shù)據(jù)軟件處理的工作方式，采用C#編程語言開發(fā)基于激光點云數(shù)據(jù)自動生成數(shù)字地面模型的算法及專業(yè)的識別、過濾軟件系統(tǒng)。該軟件在點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，通過設(shè)置相關(guān)的自動化識別、過濾參數(shù)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的自動化識別、過濾，生成數(shù)字地面模型最終成果，有效降低了繁重的數(shù)據(jù)處理工作強度，減少了人為處理原因產(chǎn)生的處理誤差，提高了數(shù)據(jù)處理速度和質(zhì)量。

1.3 激光點云和低空攝影測量成果融合

激光點云和低空攝影測量成果融合分為將激光點云數(shù)據(jù)用于低空攝影測量的相控和點云與航空攝影測量影像融合兩方面[5-9]。

1）激光點云數(shù)據(jù)用于航空攝影測量的相控

激光雷達數(shù)據(jù)在對現(xiàn)場高程數(shù)據(jù)的獲取上因為其為主動式測量，從激光掃描頭中發(fā)射激光脈沖對現(xiàn)場地表進行測量，可以獲取較為完整的地面點坐標(biāo)數(shù)據(jù)。但是受制于掃描式測量的方式，對于地表的色彩紋理獲取較少，且雖然點云數(shù)據(jù)的掃描密度很大，但是在大范圍測量過程中，仍會不可避免出現(xiàn)較多掃描間隙。而攝影測量所獲取的正射圖像則對現(xiàn)場的紋理色彩以及地物特征把握較好，但是由于其測量原理原因，在如潮間帶等難以布設(shè)大范圍像控點的情況下，其高程信息精度會受到一定影響。因此將激光點云數(shù)據(jù)用于攝影測量的相控，解決了灘涂等困難地形區(qū)域人工無法布設(shè)相控點的難題，可以提高攝影測量高程精度。

2）點云與航空攝影測量影像融合

通過開發(fā)相應(yīng)的地理信息軟件，實現(xiàn)激光點云數(shù)據(jù)與光學(xué)影像以及施工圖的匹配、融合，將點云數(shù)據(jù)生成DEM 底圖，隨后將DEM 作為正射影像的高程信息基礎(chǔ)進行顯示與建模，可以很大程度上提高三維地形測量精度與表達效果。

對于復(fù)雜地形區(qū)域，使用多旋翼無人機低空進行精確高程數(shù)據(jù)獲?。―EM），再使用小型低空無人機進行航拍作業(yè)，獲取真彩色紋理數(shù)據(jù)以及高程數(shù)據(jù)，隨后進行疊加分析與處理。采用點云數(shù)據(jù)和航攝數(shù)據(jù)進行色彩匹配的計算方法，可以將RGB 屬性賦予對應(yīng)坐標(biāo)點的點云數(shù)據(jù)，并可以使用RGB 顯示模式對點云數(shù)據(jù)進行真彩色顯示。進行激光點云與航攝正射影像融合，可以獲取現(xiàn)場真彩色點云，賦予了RGB 屬性的激光點云數(shù)據(jù)不僅保留原有的激光點云的反射強度、反射角度以及坐標(biāo)信息等屬性，又附加了真彩色屬性。這樣對于激光點云的特征紋理分析以及檢查點選取的意義非常大，且可以將正射影像航攝照片進行匹配檢校，以減少接縫處的變形情況。另外，在兩者疊合的基礎(chǔ)上進行設(shè)計圖的疊加，可以直觀地判斷項目施工的進度和質(zhì)量，對于指導(dǎo)施工具有重要意義，如圖1 所示。

圖1 點云數(shù)據(jù)疊加影像圖Fig.1 Overlay image of point cloud data

無人機結(jié)合激光雷達測高技術(shù)和低空航攝結(jié)合，實現(xiàn)了在植被覆蓋區(qū)、灘涂區(qū)、吹填區(qū)等人員測量困難區(qū)域的地表高程數(shù)據(jù)獲取。

2 適應(yīng)圍區(qū)測量的無人船集成關(guān)鍵技術(shù)

無人船技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境治理、海事調(diào)查、安全防衛(wèi)、軍事等方面的案例較為豐富，但運用于吹填施工檢測方面的案例較少，針對圍填工程應(yīng)用設(shè)計也不太成熟。通過調(diào)研選擇一款較為合適的無人船母船，在此基礎(chǔ)上通過集成定位和測深設(shè)備，測試、優(yōu)化，逐步形成一款適用于圍填工程的無人測量船[10-15]。

2.1 無人船集成改進

為適應(yīng)圍區(qū)測量需求，設(shè)計的無人船船體要吃水淺，適合淺灘作業(yè)；體積小，可方便穿梭在圍區(qū)泥塘等困難水域；推進器轉(zhuǎn)向靈活，動力強勁；船底對于測深換能器有保護措施。

將采集終端、定位、測深傳感器在船端集成，通過有線方式傳輸，無線網(wǎng)橋用來控制采集和顯示過程效果。并搭載攝像頭、避碰雷達等傳感器，兼容測深數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄船體定位信息，船體的姿態(tài)信息及水深數(shù)據(jù)，通過控制軟件進行實時顯示和操作，集成的無人船測量系統(tǒng)見圖2。

圖2 無人船測量系統(tǒng)Fig.2 Unmanned ship survey system

2.2 無人船測量試驗

無人船技術(shù)應(yīng)用于吹填區(qū)、水系內(nèi)河監(jiān)測，可填補傳統(tǒng)船測量盲區(qū)的水深數(shù)據(jù)空白，直線航行的優(yōu)勢彌補了船測走線彎曲的缺陷，降低了水深數(shù)據(jù)的冗余量，提高了數(shù)據(jù)的利用率；也適合進行固定斷面監(jiān)測，多期測量斷面一致性較好。而傳統(tǒng)有人船測量不同期對同一斷面測量航線偏差較大，不利于分析。上海橫沙圈圍項目多期無人船圍堤斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，壩體上半部分較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)特征一致；綜合多期數(shù)據(jù)對比，便于分析壩基底部外側(cè)受潮水侵蝕導(dǎo)致的沖淤情況，為筑堤護底護基提供了及時、有效的數(shù)據(jù)參考。

為驗證無人船測量的精度和性能，使用同一組測線對相同區(qū)域進行測線布設(shè)，測線間隔10 m，按1 m 距離采樣。無人測量船與有人測量船測量同一時間段同步進行，潮位控制均采用RTK 驗潮模式。使用hypack 軟件統(tǒng)計2 種測量方式的交叉點比對信息，分析其綜合測量精度，2 種測量方式深度互差統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 深度互差統(tǒng)計表Table 1 Depth cross-difference statistics

統(tǒng)計表明，互差5 cm 以內(nèi)占比80.5%，互差10 cm 以內(nèi)占98.6%，互差均小于20 cm。通過2種水深采集方式的成果統(tǒng)計比較可知，無人船整體水深測量精度較高。

通過實際測試成果表明，自主集成的無人船體積小、重量輕、荷載大、吃水淺，適用于圍填工程的淺灘區(qū)域的水深數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)果較穩(wěn)定；采集的數(shù)據(jù)通過2.4 GHz 無線網(wǎng)橋?qū)崟r傳回岸端，保證了數(shù)據(jù)的實時完整回傳，可滿足大部分生產(chǎn)的需求。

3 無人船、無人機成果數(shù)據(jù)融合處理

填筑區(qū)內(nèi)包含大面積水域、淺灘、植被覆蓋區(qū)以及新成陸區(qū)域，水陸交接區(qū)域受潮水影響，常規(guī)測量手段往往造成成果數(shù)據(jù)的真空地帶；采用無人船高潮時水面作業(yè)和無人機低潮時空中作業(yè)相結(jié)合，實現(xiàn)水陸數(shù)據(jù)成果的無縫銜接。

水陸融合技術(shù)現(xiàn)階段分為3 個步驟進行實現(xiàn)：第1 步為工程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化記錄，即統(tǒng)一無人機、無人船等一系列數(shù)據(jù)格式。因為該類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都是獲取以表達點的位置等信息，本質(zhì)上各類空間坐標(biāo)文件都可以通過轉(zhuǎn)換變化為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，如X，Y，Z 等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式。在此基礎(chǔ)之上，進行統(tǒng)一數(shù)據(jù)記錄標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一字段格式，統(tǒng)一數(shù)據(jù)后綴等工作。第2 步是數(shù)據(jù)處理模塊的集成化，可以將無人船數(shù)據(jù)、無人機數(shù)據(jù)以及其他類型數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入，并可以進行同屏顯示與處理。第3 步為多種數(shù)據(jù)統(tǒng)一化后的疊合顯示、分析以及輸出，而數(shù)據(jù)輸出的結(jié)果，可以是統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)格式成果，也可以是各系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)格式。水陸數(shù)據(jù)融合效果見圖3。

圖3 水陸數(shù)據(jù)融合Fig.3 Land and water data fusion

4 結(jié)語

填筑工程無人化測量關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新性地將無人機測高技術(shù)和無人船測深技術(shù)進行融合，解決了大面積吹填區(qū)域水陸三維地形數(shù)據(jù)獲取的難題；改進了激光雷達數(shù)據(jù)處理流程與工藝，利用校準(zhǔn)參數(shù)智能化選取，人工干預(yù)法自動濾波，航拍影像疊合校準(zhǔn)分析等全新測量手段，減輕了內(nèi)外業(yè)工作人員的作業(yè)強度；將點云用于航攝相控，實現(xiàn)了激光點云數(shù)據(jù)與光學(xué)影像以及施工圖的匹配、融合，提高了三維地形表達效果，拓展了應(yīng)用空間；通過針對性的集成無人船、測深和定位系統(tǒng)實現(xiàn)對大船和人工無法到達的圍區(qū)淺灘的準(zhǔn)確測量，與無人機結(jié)合提高圍區(qū)檢測效率和降低人員安全風(fēng)險。該技術(shù)大大提高了沿海灘涂開發(fā)的速度和效益，降低人力、物力的投入，具有較高的經(jīng)濟及社會效益。