馬 博

（安徽省宿州水文水資源局 宿州 234000）

1 概論

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)以無人機(jī)為載體搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以在短時間內(nèi)獲取大范圍內(nèi)的地表空間信息，具有精度高、效率高、穿透性強(qiáng)、免像控等技術(shù)優(yōu)勢。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，搭載單波束測深儀、多波束測深儀的無人船在河道測量、地形測量、近海測繪等領(lǐng)域應(yīng)用越來越普遍，相較于有人駕駛的測量船，無人船具有安全系數(shù)高、重量輕、吃水淺、跑線質(zhì)量高等優(yōu)點。

2 原理

2.1 無人機(jī)機(jī)載激光測量技術(shù)

無人機(jī)機(jī)載激光測量技術(shù)是一種以無人機(jī)為載體，集激光測距系統(tǒng)、POS 系統(tǒng)（含全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）及控制系統(tǒng)等測繪高新技術(shù)為一體的陸地三維地理信息數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

該技術(shù)通過GNSS 系統(tǒng)提供飛行平臺的位置，同時地面架設(shè)基準(zhǔn)站提供后差分（DGPS）數(shù)據(jù)處理所需的同步相對地理信息、激光雷達(dá)測距系統(tǒng)根據(jù)激光反射測定地物與雷達(dá)的距離、慣導(dǎo)提供的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件計算從而獲取精確的地表地物三維地理坐標(biāo)，再通過測區(qū)參數(shù)轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)三維成果。

2.2 無人船單波束測量技術(shù)

無人測量船系統(tǒng)是由船體、遙控器、測量通訊集成盒組成，船體作為儀器的主要載體，配備了無人船智能控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)。無人船測量方式可以分為自動航行模式和手動遙控模式，可以根據(jù)工作環(huán)境不同進(jìn)行切換，當(dāng)水域環(huán)境較好無障礙物時，可切換為自動航行模式；當(dāng)水域環(huán)境比較復(fù)雜，障礙物比較多，如水草、枯樹枝等漂浮物較多自動測量方式無法航行的時候，可以切換為手動遙控模式進(jìn)行測量。無人船水下地形測量作業(yè)流程圖見圖1。

圖1 無人船水下地形測量作業(yè)流程圖

無人船搭載的測深系統(tǒng)主要分為多波束測深系統(tǒng)和單波束測深儀兩種，無人船水下地形測量最常用的技術(shù)是單波束測深系統(tǒng)。

單波束測深原理是利用換能器向水下發(fā)射聲波，由于聲波在水中傳播的過程中遇到河底將返回，通過聲波在水中的傳播速度以及往返時間計算水深數(shù)據(jù)。單波束測深儀是一種“由點到線”的測量方式，每次測量只能測量一個水深點，隨著載體及設(shè)備的航行移動，產(chǎn)生由點到線的測量結(jié)果，通過由“點到線構(gòu)面”得到水下地形數(shù)據(jù)。

2.3 無人機(jī)和無人船協(xié)同作業(yè)

無人機(jī)和無人船協(xié)同作業(yè)原理是:兩者架設(shè)同一基站，基站同時開啟靜態(tài)記錄和動態(tài)差分模式，靜態(tài)數(shù)據(jù)采集可供無人機(jī)機(jī)載激光和無人船單波束GNSS 定位同時使用，動態(tài)RTK 也同步作為無人船GNSS 定位使用。

3 項目實踐

3.1 項目緣由

重點河段河道地形測量工作是水利部推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的一項重要工作。按照2022年全國水利工作會議要求，通過及時更新重要水文站大斷面、重點河段河道地形信息，夯實水文測驗基礎(chǔ)，提高水文監(jiān)測預(yù)報精度，強(qiáng)化洪水預(yù)報調(diào)度算據(jù)支撐，提升“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)案、預(yù)演”支撐能力和水平。

3.2 測區(qū)概況

新汴河位于安徽淮北平原，是宿州市最大的防洪排澇骨干河道。西起自安徽省宿州市西北的戚（七）嶺子，經(jīng)宿州市埇橋區(qū)、靈璧縣、泗縣、江蘇省泗洪縣，于洪澤湖西緣注入洪澤湖西端的溧河洼，河道全長127.2km，流域面積6562km2。

本次地形測量選取布設(shè)有水文站的重點河段，新汴河宿縣閘段，在宿縣閘水文站測流斷面上、下游各2～5km 的范圍內(nèi)開展河道地形測量。本次測區(qū)寬度1.2km，長度5.1km，面積6.12km2，地勢較為平坦，地形高差15m 左右，測區(qū)內(nèi)有水文站、船閘、翻水站、節(jié)制閘等水工建筑物及少量居民建筑物，兩岸堤防有大量防護(hù)林，地形較為復(fù)雜。

3.3 設(shè)備選擇

本項目采用D100 多旋翼無人機(jī)搭載智喙PM-1500 機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，iBoatBS3 智能無人測量船搭載單波束測深儀相結(jié)合的水陸一體化全自動三維測量技術(shù)在新汴河宿縣閘水文站應(yīng)用為例，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果展示和精度驗證等方面進(jìn)行系統(tǒng)地闡述，證明該技術(shù)的切實可行，為同類項目提供參考依據(jù)。

3.4 作業(yè)流程

3.4.1 數(shù)據(jù)采集

項目實施前架設(shè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站布置按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，開始實時差分信號發(fā)射和靜態(tài)記錄。無人機(jī)和無人船按照要求進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)采集。

D100 多旋翼智能航測系統(tǒng)利用飛行管家軟件，導(dǎo)入測區(qū)范圍后一鍵生成飛行航線，飛行高度109m，地面分辨率為1.7cm，航向/旁向重疊度為75%/75%。

智喙PM-1500 機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)利用飛行管家軟件，導(dǎo)入測區(qū)范圍后一鍵生成飛行航線，飛行高度300m，激光點頻200 萬點每秒，激光重疊度30%。

無人測量船根據(jù)此次河道的作業(yè)環(huán)境，合理安排航行路線。此次無人船采樣間隔1m/s、斷面間隔25m。

3.4.2 數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)采集的傾斜數(shù)據(jù)，經(jīng)Smart3D 影像處理軟件編輯后，通過空三加密及三維建模輸出測區(qū)三維實景模型（OSGB），輸出測區(qū)分辨率為0.1m 的數(shù)字正射影像（DOM）。

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)采集的激光點云數(shù)據(jù)，經(jīng)點云融合軟件編輯后，通過激光點云（LAS）濾波分類，DEM 加載卸載、DOM 聯(lián)合點云測圖、點云快速繪制水閘、建筑物工具、切片裁剪、正射影像賦色等操作，輸出測區(qū)分辨率為0.2m 的數(shù)字高程模型（DEM）。

無人測量船采集的水下地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)HiMAX 測量軟件處理后，輸出水下地形的數(shù)字高程模型（DEM）。

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線見圖2。

圖2 無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線圖

3.4.3 成果展示

根據(jù)重點河段河道地形測量技術(shù)要求，基礎(chǔ)測繪成果采集數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃圖，且成果要求數(shù)字高程模型分辨率為0.2m，數(shù)字正射影像分辨率為0.1m，本次測量成果滿足上述要求。新汴河宿縣閘段數(shù)字線劃圖見圖3。

圖3 新汴河宿縣閘段數(shù)字線劃圖

3.4.4 精度驗證

該項目精度驗證采用RTK 在陸地和水下抽查12 個固定坐標(biāo)點，經(jīng)計算平面坐標(biāo)誤差±0.05m，高程中誤差±0.15m，滿足1∶2000 地形圖誤差要求（絕對定向限差，平面不大于±0.40m，高程不大于±0.20m）。

4 總結(jié)

本文以重點河段河道地形測量為應(yīng)用場景，將無人機(jī)搭載機(jī)載激光和無人船搭載單波束測深儀進(jìn)行有效結(jié)合，作為一種空地一體、水上水下一體化三維測量技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確獲取河道地形，及時動態(tài)掌握河道沖淤和河勢變化，滿足開展河道特性研究、洪水演進(jìn)分析和洪水精準(zhǔn)預(yù)報等需要，為防汛減災(zāi)提供數(shù)據(jù)支撐■