梁 沖

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

傳統(tǒng)的水上測量方式除了運用GPS等傳統(tǒng)測繪技術采集地理信息外[1]，傾斜攝影測量、遙感技術在水利信息化中同樣發(fā)揮著重要的作用。航空攝影測量技術作業(yè)雖然快捷靈活，但其影像數(shù)據(jù)的獲取易受天氣、測區(qū)環(huán)境、作業(yè)周期等多重因素的影響。而且，水利水電建筑設施通常分布在山區(qū)地帶，對于處在植被密集的區(qū)域，該技術無法剔除植被所帶來的影響，同時水利水電工程建設對測繪成果要求比較高，大部分需要滿足1/2000精度，部分需要滿足1/1000或1/500成果精度，如果使用傳統(tǒng)的人工和航空攝影測量手段很難滿足工程的精度要求。機載LiDAR技術相比其他傳統(tǒng)航測技術更具優(yōu)勢，可以快速、有效地獲取三維空間地理信息數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的水下測量方式主要通過有人船搭載測深儀和RTK-GPS組合測量手段或是直接人工水下測量，測量人員安全無法得到保障，而且傳統(tǒng)載人測量船只無法或不易到達危險、淺灘、近岸等區(qū)域，當在河谷狹窄地作業(yè)時，無法輕松完成轉向掉頭工作。由于水下被測物體不易觀測，測量過程受流速、水中障礙物等因素影響，無法準確、高效地獲取被測物空間地理位置。而無人船多波束測量技術[2]可自動化采集復雜水域下的空間三維地理數(shù)據(jù)，既可提高作業(yè)效率，也可保障人員安全。

隨著測量技術的發(fā)展，越來越多的水利行業(yè)期望進行水陸一體化測量作業(yè)，水上部分隨著機載LiDAR發(fā)展變得越來越容易，水下部分隨著多波束技術的推廣已經(jīng)走進大家的視野。因此，將兩者進行有效結合，作為一種全新的水陸一體化測量手段加以應用，快速高效地完成區(qū)域范圍內(nèi)水陸空間三維數(shù)據(jù)的全覆蓋。同時，也為水利工程三維設計提供基礎保障[3]。

1 機載LiDAR和無人船多波束的應用優(yōu)勢分析

1.1 機載LiDAR相較于傳統(tǒng)航測技術的應用優(yōu)勢

1.1.1數(shù)據(jù)測量方式

傳統(tǒng)航測測量方式屬于被動式測量，依據(jù)地物的反射情況，被動接受反射信號，自然光對其影響較大。而機載LiDAR是通過激光傳感器主動發(fā)射激光束，依據(jù)反射回來的信號，通過相應參數(shù)進行解算，相較于傳統(tǒng)航測方法不會受到太陽高度角的限制。因此，可以獲取更加完整的地理空間數(shù)據(jù)。

1.1.2數(shù)據(jù)采樣方式

傳統(tǒng)航測方法是以面狀形式進行采樣，只能獲取二維影像數(shù)據(jù)，影像質(zhì)量高，平面精度優(yōu)于高程精度。而機載LiDAR將點、面兩種采樣方式進行了結合，激光逐點高密度采樣獲取三維點云數(shù)據(jù)，數(shù)碼相機面狀采集二維影像數(shù)據(jù)。機載LiDAR采用更加高效的數(shù)據(jù)獲取方式且高程精度更優(yōu)。

1.1.3植被穿透性強

當測量植被茂密的高山峽谷地帶時，傳統(tǒng)航測方法無法剔除植被帶來的影響，當植被之間重疊嚴重時，無法獲取地面地形數(shù)據(jù)。機載LiDAR利用激光多次回波技術，可以較好地穿透植被間的縫隙，進而探測到樹下真實三維地形，精確建立真實的地面高程模型。

1.1.4外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)處理方式

在進行外業(yè)測量時，傳統(tǒng)航測方法需要布設大量地面控制點，無法在地形復雜、險峻地區(qū)大量作業(yè)。而基于機載LiDAR技術進行測量時，僅需布設少量地面基站，供后期差分處理。在進行內(nèi)業(yè)處理時，傳統(tǒng)傾斜攝影測量技術需要經(jīng)過大量外控和內(nèi)業(yè)處理手段，才能獲取地面三維信息。機載LiDAR利用其POS定位定姿系統(tǒng)，通過解算直接獲取三維點云數(shù)據(jù)。

1.2 無人船測量系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)水下測量的應用優(yōu)勢

1.2.1安全系數(shù)高

在很多環(huán)境復雜未知的水域或近岸淺水水域，采用有人船或人員水下測量時，由于在水下會存在很多不確定因素，會對人員的人身安全造成極大的風險。而采用無人船進行水下測量作業(yè)時，工作人員無需下水就可以完成作業(yè)，安全系數(shù)有效提高。

1.2.2重量輕，吃水淺

在很多高山峽谷地帶進行測量時，山路崎嶇難走，無法將有人船只運輸至此地進行水下測量。而無人船體積小、船體輕便，可輕松實現(xiàn)船體運輸、下放、回收等操作。相比有人船能到達更淺、更復雜的作業(yè)區(qū)域，有效地解決了淺水岸線區(qū)域難以測量的問題。

1.2.3更智能，便維護

當面對較為復雜的水域環(huán)境時，有人船難以嚴格根據(jù)布設的航線進行測量，往往是蛇形走位，跑線質(zhì)量不佳。無人船操作系統(tǒng)更加人性化、智能化，操作簡單，可自動根據(jù)規(guī)劃路線實現(xiàn)自主航行測量，保證船只實時在線測量，獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量更高。無人船多波束測量系統(tǒng)采用模塊化設計方案，可快速拆裝，便于后期各硬件設備的保養(yǎng)維護。

2 機載LiDAR與無人船多波束水陸一體化作業(yè)

2.1 機載LiDAR測量技術

機載LiDAR技術是以無人機為載體，基于激光探測及測距系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)直接測量被測對象的3D點云數(shù)據(jù)[4- 6]。其獲取的點云數(shù)據(jù)是對地形表面最直接的描述和表達(如圖1(a)所示)，是當前最可靠、最高效的3D地理數(shù)據(jù)采集技術之一。具有免相控、高精度、省人工、高效率、多回波、透植被等特點。

該技術通過GNSS系統(tǒng)提供載體的空間位置，地面基站提供后差分數(shù)據(jù)處理所需的同步相對地理信息[7- 8]。激光雷達的原理類似于電子測距儀，發(fā)射器發(fā)射激光(脈沖或連續(xù)波)，并捕獲反射能量，利用激光從發(fā)射到接收的時間，測定地物與雷達之間的距離，與此同時慣導系統(tǒng)提供姿態(tài)數(shù)據(jù)。最后，使用GNSS/INS處理軟件，將GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)導入軟件中進行解算，從而獲取高精度地物表面三維坐標點云數(shù)據(jù)，再通過測區(qū)控制點，量取偏差，評估點云數(shù)據(jù)精度。機載LiDAR的工作原理和技術流程如圖2所示。

2.2 無人船多波束測量系統(tǒng)原理

無人船多波束水下地形測量系統(tǒng)是以無人船為載體，集GNSS定位、IMU、多波束聲學傳感器、多波束甲板單元、定向羅經(jīng)、表面聲速儀、聲速剖面儀等多種設備于一體的水下三維地形數(shù)據(jù)采集技術，可快速獲取水下地形三維空間點云數(shù)據(jù)(如圖1(b)所示)。

多波束測深系統(tǒng)通過陸地上架設基站提供動態(tài)實時差分信號為測深平臺提供準確實時定位，基于換能器陣列向水底發(fā)射的寬扇聲波測量與被測物間的距離，并通過無人船上的慣導系統(tǒng)實時進行姿態(tài)糾正，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)的水下地形三維點云數(shù)據(jù)。其工作原理和多波束硬件系統(tǒng)組成如圖3所示。

2.3 機載LiDAR與無人船測量系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)

機載LiDAR與無人船測量系統(tǒng)的工作原理比較類似，需要經(jīng)過作業(yè)準備、路徑設計、基站架設、系統(tǒng)校準、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等階段。其中在基站架設過程中可共同使用地面基站采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行水陸點云數(shù)據(jù)的解算。兩者獲取的都是高密度、高精度的三維點云數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)處理階段都可以通過點云數(shù)據(jù)濾波、去噪、配準等技術手段將水陸點云數(shù)據(jù)進行融合，最終獲取三維空間全覆蓋測量數(shù)據(jù)。其協(xié)同作業(yè)流程如圖4所示。

3 項目實踐

遼河干流位于遼寧省境內(nèi)，全長538km，在遼河流域上已建多個調(diào)蓄水庫。水庫的建設在引調(diào)水、汛期庫區(qū)下游安全等方面具有舉足輕重的作用。對庫區(qū)進行系統(tǒng)測量，獲取庫區(qū)水上水下高精度三維地理數(shù)據(jù)，可為水利規(guī)劃、庫容計算、壩體監(jiān)測、科學研究等方面提供必要的基礎數(shù)據(jù)，為遼寧省全面推進智慧水利現(xiàn)代化建設提供重要的基礎保障。本項目將固定翼無人機搭載AS900HL激光雷達和無人船搭載MS400P多波束技術相結合進行水陸一體化三維地理數(shù)據(jù)的采集，從三維點云數(shù)據(jù)的獲取、處理、輸出和精度檢驗等方面進行闡述，證明該技術在水利工程測量中的應用具有可行性，為未來在同類項目中的應用提供參考依據(jù)。

3.1 技術路線

本次項目以來遼河流域中某水庫庫區(qū)作為實驗區(qū)域，實驗當天環(huán)境良好，風速滿足測量條件，測量過程嚴格按照相關規(guī)范要求。

(1)作業(yè)準備階段，在無人機起飛前進行姿態(tài)糾正進行八字形環(huán)繞以減少慣導系統(tǒng)的累計誤差，無人船采用同樣的操作流程。

(2)通過姿態(tài)校準使各項測量指標滿足要求后，且在試飛環(huán)節(jié)無問題時，即可進行數(shù)據(jù)的采集和錄入。無人機進行2個架次、無人船作業(yè)1.5h最終完成庫區(qū)水上水下數(shù)據(jù)采集任務。

圖3 多波束工作原理與硬件系統(tǒng)組成

圖4 機載LiDAR和無人船測量系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)流程圖

(3)基于機載LiDAR獲取的原始點云數(shù)據(jù)進行POS解算，多波束水下數(shù)據(jù)基于聲剖數(shù)據(jù)和動態(tài)表面建立等相關信息通過專業(yè)技術軟件進行計算處理。由于受環(huán)境條件影響，獲取的點云數(shù)據(jù)存在大量噪點，本文基于統(tǒng)計濾波、半徑濾波算法對噪點進行剔除，剔除結果如圖5所示，分別為去噪前和去噪后的點云數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)壩體上的毛刺噪點已經(jīng)剔除。

圖5 點云去噪處理

(4)將兩者去噪后的點云數(shù)據(jù)進行融合，最終輸出完整的庫區(qū)水上水下三維地理數(shù)據(jù)如圖6(a)所示，并基于布料模擬算法[9]，動態(tài)設定標準參數(shù)濾除地面點，輸出三維地形數(shù)據(jù)，由于激光雷達具有穿透性，被數(shù)木所遮擋的地理位置同樣可獲取到相應的點云數(shù)據(jù)，如圖6(b)所示。

圖6 濾除非地面點

3.2 精度校驗

基于RTK在現(xiàn)場打點或收集現(xiàn)有的控制點，導入去噪后的水上水下點云數(shù)據(jù)，量取其平面中誤差為0.044m，滿足1∶500地形圖測圖中誤差要求。由此可知，基于機載LiDAR與無人船多波束獲取的點云數(shù)據(jù)精度可靠，水陸一體化測量技術切實可行。

4 結語

通過對機載LiDAR和無人船多波束測量系統(tǒng)進行詳細介紹，與傳統(tǒng)測量技術對比分析，并基于水庫工程項目實踐，證明該技術獲取的三維點云數(shù)據(jù)精度高、密度大，其成果可滿足最終的生產(chǎn)需求，為水利工程項目提供了更加豐富、可行的測量手段。雖然該技術在獲取水利信息方面具有其獨特的優(yōu)勢，但也有如下不足：

(1)針對不同點云場景需調(diào)試相應的去噪?yún)?shù)，因此濾波技術自動化程度有待于提高。

(2)需要進一步挖掘數(shù)據(jù)的應用價值，如語義分割、庫容計算、滑坡預警等，為此點云處理算法的研發(fā)成為該技術推廣應用的關鍵。