无人机激光雷达技术在山洪灾害调查评价中的应用

2015-01-30刘昌军张琦建唐学哲

中国水利 2015年21期

刘昌军，孙涛，张琦建，唐学哲，郭良

(1.中国水利水电科学研究院，100038，北京;2.河南省水利信息中心，450003，郑州;3.河南省水下救助抢险队，450003，郑州)

一、背景及概况

采用无人机雷达航测技术完成了河南省栾川县协心小流域的激光雷达数据和分辨率优于0.2 m的航拍影像数据获取，按照航测技术要求加工制作了栾川协心小流域内的高精度DEM(数字高程模型)、DLG(数字线划地图)、DOM(数字正射影像)数据，根据山洪灾害调查评价野外测量有关技术要求和山洪灾害调查评价有关技术要求，利用开发的软件自动提取了沿河村落居民户位置、高程数据和河道纵横断面数据，并利用GNSSRTK对测区内的数据进行了精度对比分析。

通过对无人机激光雷达数据处理关键技术的研究，提出了利用激光点云数据直接提取建筑物边界和高程坐标的计算方法以及基于激光点云数据批量获取河道断面的数据处理方法。基于上述算法，开发了无人机激光雷达数据处理软件。此软件大大提高了激光点云数据的处理效率，直接获取山洪灾害调查评价所需的数据，有利于该技术在全国山洪调查评价项目中的推广应用。

二、无人机激光雷达航测设备及技术优势

1.无人机激光雷达设备组成及原理

栾川协心小流域无人机机载激光雷达设备为奥地利某公司最新推出的无人机扫描系统。无人机扫描系统由最大载荷15 kg的AF-25B型无人直升机搭载RIEGL VUX-SYSTEM激光雷达扫描系统，该扫描系统由激光雷达扫描系统、相机和POS系统等组成。考虑到无人机载重问题，高清航拍数据是由固定翼无人机搭载相机获取的。

RIEGL VUX-SYSTEM主要包括加拿大某公司的高性能、高集成度、超轻的惯性导航系统和RIEGL VUX-1雷达系统等。整个扫描系统重量约为8 kg，为目前全球最轻、专业测量级的无人机扫描系统。RIEGLVUX-1雷达测量精度为10 mm，扫描速度为200线/s，每秒可获取55万点。激光发射频率高达550 kHz，最大测量高度为900 m，扫描视场角可达330°，完全的平行线扫描，激光点分布均匀。

2.无人机激光雷达技术应用优势

无人机激光雷达技术在山洪灾害调查评价中具有以下优势:

①现场作业速度快、数据精度高，适合小范围高精度数据获取;可通过对点云数据的分类处理，快速自动获取山区小流域 DEM、DLG、DOM等数据。

②实施周期短、成本低，激光雷达可穿透植被，能够得到地表和地面的各种高精度数据产品。

③利用数据处理软件，可快速、高效、批处理得到河道地面点云、纵横断面图、河道糙率、河道断面数据和居民户高程数据等，弥补了人工实测效率低、不连续、不直观的不足。

综上所述,老年骨科患者行硬膜外麻醉处理较全身麻醉处理具备更高的应用价值,可有效降低老年患者术后认知功能障碍的发生率,因此,值得临床使用并推广。

④结合专业水文分析模型，可大大提高山丘区小流域洪水计算和预报精度，高精度数据可用于绘制山丘区小流域的洪水风险图。

三、现场数据采集

本次示范区范围为河南省栾川县协心小流域。

栾川县位于河南省西部，总面积2478 km2，东西长 78.4 km，南北宽57.2km。全县境内有伊河、小河、明白河、淯河等四大河流，分属黄河、长江水系。大小支流604条，河网密度0.59km/km2。其地势西南高而东北低，地貌起伏跌宕，形成中山、低山和河谷三种类型。

协心小流域主干流为陶湾南沟，流域面积54 km2，其流域周长为44 km，沿河有4个村69个自然村组。利用无人机航拍共完成141km2的0.1m分辨率的影像数据。利用无人机雷达获取了河道内约50km2的激光点云数据，点间距约为0.05 m。

四、激光点云数据处理关键技术及软件开发

采用C++和OPENGL语言自主研发了三维可视化无人机激光点云数据处理软件。该软件是一款操作简便、可视化功能强大的三维激光点云处理软件，具有数据管理与分析、激光点云删除与合并处理、激光点云分类(地面点云和非地面点云分类、建筑物和植被的分类、基于多分辨率的点云监督分类等)、激光点云变形比较、多尺度的点云比较算法、系统控制和制图输出等功能。

1.激光点云地面点和非地面点分类

利用基于网格分块的植被过滤技术对协心小流域激光点云数据进行分类，可分为地面点数据和非地面点数据两类。具体分类算法步骤如下:

①对原始LiDAR点云数据所在区域建立格网，对点云数据按照格网划分，建立格网和点云索引。

②选取格网内最低点，建立初始稀疏TIN模型。

③逐格网计算各点距TIN网内的距离，并将当前格网内的数据按高程顺序排列。将大于2/3距离高度的点归为植被点，其他归为地面点类，并遍历所有格网。

④逐步建立渐进TIN，重复“步骤③”，直到每个格网内地面点高度小于给定阈值。

2.建筑物自动提取算法

利用上述算法将激光点云分为地面点云和非地面点云两类，从非地面点云中利用拓扑聚类的方法对每个建筑物进行识别，并自动提取建筑物的轮廓和中心点坐标，计算建筑物中心点处的地面点高程。具体计算流程见图1。

3.断面批量生成技术

利用作者等提出的基于激光点云数据的河道断面批量处理方法，对地面激光点云数据进行纵横断面提取。具体提取算法见本文参考文献《三维激光扫描技术在山洪灾害调查中的应用》。

五、数据精度对比分析及主要成果

图1 建筑物自动提取流程图

利用无人机可以获取高精度地形和影像数据，以协心小流域为样例，采用GNSS RTK测量技术获取了部分居民户和河道断面测量数据，经与激光点云数据对比分析，发现无人机激光雷达测量数据精度较高。选取仓房组、下河西组、杨庄组、河柳树沟组中344个GPS测量点和激光点云数据制作出分布图(略)，经软件自动对比分析，所有测试点中误差为0.22m，其中高程误差在0.2 m以内的有289个点，占GPS测量总点数的84%;高程误差在0.5 m以内的有317个点，占GPS测量总点数的92.3%(测量规范中的山丘区高程误差为0.5 m)。

个别测试误差较大点位置基本位于建筑物区域，主要原因是由于房屋遮挡或GPS测量点和无人机的测量点不在同一位置。造成误差较大的点的具体原因包括:①由于lidar点云数据的平面误差，GPS测到变坡点最低点平面位置并不是激光点测到的最低点，进而由于位置偏差而产生高程误差。②由于植被过滤不干净或局部有小土堆，造成激光点云与GPS测点的高程误差较大。③因为建筑物遮挡，激光点云没有测到最低地面点，造成激光点云与GPS测点的高程误差较大。

本项目共完成141 km2的无人机激光雷达航测数据获取，并按照《山洪灾害调查技术要求》对数据进行了处理，获取了项目范围区的1∶2000比例尺精度要求的 DEM、DLG、DOM数据成果，及河道断面数据、居民户(建筑物)位置坐标和高程。图2～图6为协心小流域航测数据局部成果的展示。