王 連 超， 桑 潁 葛， 郭 建 中

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

通常，水利工程建設的土石方量和棄渣量非常巨大，其棄渣場的面積和等級均較大。渣場場地平整前，需要依據(jù)地形數(shù)據(jù)計算出平整高程及挖填平衡方量。而傳統(tǒng)的地形測量多以RTK和全站儀相結合的方式進行數(shù)據(jù)采集[1]，作業(yè)過程中，測量人員必須徒步采集地形特征點，但因測區(qū)地形復雜、植被茂密，人工測量不僅存在作業(yè)困難、人員安全問題，而且所采集的數(shù)據(jù)精度低、密度小，不能全面反映出測區(qū)的實際地形。低空攝影測量的方法雖然能快速獲得測區(qū)的三維數(shù)據(jù)[2]，但受地表植物影響，亦不能獲得準確的地面高程數(shù)據(jù)，從而影響到后期計算的精度。而無人機機載激光雷達技術能夠應對上述測量環(huán)境中的不利條件，其具有一定的穿透性，能透過植被干擾得到地面高程信息、快速靈活地獲取精度較高的地形數(shù)據(jù)，從而為后期的計算工作提供保障。

引江濟淮工程(安徽段)引江濟巢段菜巢線C003-1(河渠)標位于引江濟淮工程菜子湖線路，區(qū)間總長度為16 km。工程主要施工內容包括兩岸堤防填筑施工、渠道土方開挖施工、沿線渠系建筑物施工以及渣場水土保持施工等。其中5號渣場位于左岸，占地總面積近191萬m2，其為平鋪型渣場，現(xiàn)狀地面高程為13～21 m，堆渣分布不均，整體呈現(xiàn)為“北高南低、東高西低”的態(tài)勢。根據(jù)工程規(guī)劃要求，渣場主要用于棄渣堆放以及土方填筑施工的取土，在堆渣過程中，對其實施相關的水土保持工作。渣場的水土保持工作主要包括：表土剝離與回覆、臨時截排水、擋渣土堤、渣場平整、綠化種植等。闡述了如何結合機載激光雷達技術在5號渣場后期平整環(huán)節(jié)提出的一種快捷高效技術，并經(jīng)過實際應用驗證了其可行性。

2 無人機機載激光雷達測量技術

機載激光雷達屬于一種主動式直接測量系統(tǒng)，其將全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(GNSS)、慣性導航系統(tǒng)(IMU)、激光測距技術、雷達技術相結合，利用發(fā)出和回收的激光脈沖信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)軟件處理，能夠快速獲取地面采樣點的三維坐標[3，4]。機載激光雷達屬于一種激光掃描儀，在其飛行過程中連接到飛機上，創(chuàng)建出一個3D點云地形模型。這是目前替代數(shù)字攝影測量法最詳細、準確的創(chuàng)建數(shù)字高程模型的方法。與攝影測量法相比，機載激光雷達的一個主要優(yōu)勢是能夠從點云模型中濾除植被反射，從而創(chuàng)建一個數(shù)字地形模型。與傳統(tǒng)測量方式相比，其優(yōu)點更突出。機載激光雷達的運用對我國工程測量行業(yè)具有重要的意義，能夠進一步促進該行業(yè)的快速發(fā)展[5]。

隨著無人機設計制造技術的進步，無人機的性能和穩(wěn)定性不斷提高；與此同時，激光雷達設備也逐漸向輕小化發(fā)展，兩者的結合使激光點云數(shù)據(jù)獲取的途徑更加快捷靈活，成本亦更低。闡述了借助無人機機載激光雷達測量技術提出的新的渣場平整測量計算方案，其具體的技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

3 渣場場地平整土石方量測量的計算流程

3.1 數(shù)據(jù)采集

在設計外業(yè)航測飛行路線時，遵循安全、經(jīng)濟、高效的原則，以項目成果數(shù)據(jù)精度要求為目標，充分分析了測區(qū)的實際情況，包括測區(qū)的地形、地貌、機場位置、已有控制網(wǎng)情況、氣象條件等影響因素，結合LiDAR測量設備自身特點，如航高、航速、相機鏡頭焦距及曝光速度、激光掃描儀掃描角、掃描頻率及功率等，同時考慮航帶重疊度、激光點距、影像分辨率等，選擇最為合適的航攝參數(shù)，為獲取高質量的數(shù)據(jù)提供基礎技術保障。通過踏勘了解到5號渣場的地形和空域情況：渣土堆放不均勻且灌木雜草叢生。根據(jù)實際精度要求及硬件設備參數(shù)，在保證安全的前提下，制定出合理的飛行方案。本次航測航高為120 m，航速為8 m/s，點云重疊率為60% 。測區(qū)局部三維地形見圖2。

圖2 測區(qū)局部三維地形圖

鑒于渣場周邊已有西安80坐標系控制點成果，故采用GPS-RTK 對控制點進行了復核并求解出測區(qū)轉換參數(shù)，將轉換殘差控制在 3 cm 以內，為后期點云數(shù)據(jù)轉換做準備。在測區(qū)內均勻選取平坦地面，采集檢核點用于后期點云數(shù)據(jù)處理后檢核點云精度以確保點云數(shù)據(jù)成果的質量及精度。

在測區(qū)已知控制點上架設基站，GNSS基站的開機時間一定要早于無人機啟動時間；采用靜態(tài)觀測模式設置，將航飛參數(shù)輸入無人機飛行控制系統(tǒng)，通過低空激光掃描獲取點云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集結束后，對航飛數(shù)據(jù)進行質量檢查，確保航飛數(shù)據(jù)及點云數(shù)據(jù)的有效性及完整性。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將GNSS基站、GNSS流動站、IMU 數(shù)據(jù)進行組合導航解算，得到高精度的航跡文件。將航跡文件與激光原始文件相結合，解算出點云數(shù)據(jù)并對點云數(shù)據(jù)進行坐標轉換、轉換到目標坐標系。

利用Terrasolid對點云數(shù)據(jù)進行批處理、粗分類，初步將地面點與非地面點分離。粗分類實現(xiàn)的是將地面與非地面大概的分離(對于復雜地形不可能實現(xiàn)準確無誤)，需要對粗分類的結果進行人工檢查和修改，這一步稱為細分類。檢查修改的內容主要為兩類：(1)應該保留在地面層中的點被粗分類到非地面層，對此，需要手動返回到地面層中；(2)需要分類掉的點(植被、建筑物、交通設施、橋、小物體等)未粗分類干凈、徹底，需要手動分類干凈。

為了對點云有更直觀的判別及分類，將采集到的航測照片結合通過軌跡解算后獲取的高精度影像 pos，采用航測軟件Pix4D 免像控工藝生產(chǎn)正射影像。參照正射影像，經(jīng)過細分類后導出LAS格式的可視化的地面點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)見圖3。將采集到的檢核點作為真值與地面點云數(shù)據(jù)進行對比，總檢核點數(shù)為58個，誤差絕對值的最大值為3.5 cm，誤差絕對值的最小值為0 cm，計算出中誤差為±1.9 cm，地面點云數(shù)據(jù)符合相關應用精度要求。

圖3 點云數(shù)據(jù)示意圖

3.3 數(shù)據(jù)應用

基于點云數(shù)據(jù)求出渣場平整高程及平衡挖填方量。機載激光雷達產(chǎn)生的點云是以離散、不規(guī)則方式分布在三維空間中的點的集合。由于點云密度大，數(shù)據(jù)量亦非常大，采用傳統(tǒng)的工程測繪軟件處理速度非常緩慢甚至無法運行；而柵格數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)結構簡單，便于空間分析和地表模擬，操作運算速度快的優(yōu)點，因此，可以將點云數(shù)據(jù)轉換為柵格數(shù)據(jù)，然后進行運算。

ARCGIS是一款處理地理信息數(shù)據(jù)的軟件，由于其具有強大及全面的地理數(shù)據(jù)處理功能而在許多行業(yè)中被應用，作為地理相關的測繪行業(yè)尤其如此。該方案利用ARCGIS，將LAS格式的地面點云數(shù)據(jù)轉換為柵格數(shù)據(jù)，然后使用表面體積工具，設置高程為0的參考平面，求出參考面與地面之間的體積V，查詢渣場區(qū)域在參考平面上的投影面積S，可以求出平整高程h=V/S，然后將高程h作為參考面，計算出參考面以上與地面之間的體積即為挖方量，而參考面以下與地面之間的體積則為填方量。在編制施工計劃及方案時，還可以將渣場劃分為若干塊，采用相同的方法分別計算挖填方量，結合整體得出最優(yōu)土石方調配方案，從而能夠更為合理地編制出機械設備資源配置計劃。

4 結 語

詳細介紹了大型渣場場地平整前快速獲取地形數(shù)據(jù)的方法以及計算平整高程和挖填方量的解決方案。該方案應用無人機機載激光雷達技術獲取地面點云數(shù)據(jù)，然后將點云數(shù)據(jù)轉換為柵格數(shù)據(jù)用于計算平整高程及挖填方量，相較于傳統(tǒng)方法，該方案具有作業(yè)速度快、勞動強度低、獲取結果精度高等優(yōu)點。

在項目實際應用過程中可以看出：機載激光雷達技術改變了傳統(tǒng)單點測量方法為點陣測量方法，使數(shù)據(jù)采集過程具有高效、高精度的特點。能夠提供掃描測區(qū)表面的海量三維點云數(shù)據(jù)，可用于獲取高精度、高分辨率的數(shù)字地形模型，由此可以看出：無人機機載雷達技術在水利工程測繪領域中具有廣闊的應用前景。