机载LIDAR在水利中的应用综述

陈 齐 （安徽省水利水电勘测设计院勘测分院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

随着测绘新技术和新产品的迅速发展和更新，测绘成果也越加多元化，逐渐由传统的地形图向“4D”产品、点云、三维模型等形式转变。传统的航空摄影测量技术是获取地面三维数据最常用的手段之一，但其作为国家基本比例尺地形图测绘的重要方法，只能获取地表裸露区域的三维信息，在地表植被覆盖区域，无法获取地表的高程信息。20世纪80年开始，机载LIDAR（Light Detection and Ranging）作为一种快速精确的获取大范围地表三维信息的测量技术，受到人们的重视和广泛应用。机载LIDAR可以获取高精度数据高程模型、数字表面模型、正射影像和数字线画图等产品，同时可以构建三维场景和三维模型，与传统测绘方法相比，具有数据产品丰富、精度高、数据生产和处理成本低、受天气影响小等特点，在农业、林业、交通、水利、电力等领域均有着广泛应用。

2 机载LIDAR工作原理

广义上机载LIDAR系统有海洋和陆地之分，通常所说的机载LIDAR主要用于地形测绘，获取陆地三维信息的机载激光雷达系统，海洋LIDAR主要用于测量海洋地形，文中所述的机载LIDAR即为陆地测绘系统。机载LIDAR是一种主动式对地观测系统，集成了全球定位系统（GPS）、姿态测量装置（IMU）、激光扫描仪和数码相机等，GPS用于确定实时确定扫描投影中心的空间位置，IMU用于测定激光扫描仪主光轴的空间姿态参数，激光扫描仪用于测量传感器到地面点距离，数码相机主要用于获取地面的彩色相片，并制作测区的正射影像。机载LIDAR的对地观测的基本原理是已知点加矢量的方法求取未知点坐标，假定激光扫描仪的投影中心 O的三维坐标（Xo，Yo，Zo）由GPS确定；姿态测量装置提供观测平台法线的仰俯角Φ，侧滚角ω，偏航角κ及观测方向和法线的夹角θ，由此组成的矢量矩阵可算出方向余弦，矢量的模S根据激光测距仪获取，则未知点Pi的坐标（Xi，Yi，Zi）即可求得[1]。

其中ΔXi=fx（Φ,ω,κ,θ,S），ΔYi=fy（Φ,ω,κ,θ,S），ΔZi=fz（Φ,ω,κ,θ,S）。

3 机载LIDAR在水利中的应用

随着水利行业信息化、智慧化水平的不断提高，以及河长制在全国范围内的普遍开展，水利行业对水利勘测成果的要求，也从传统地形图和断面图向高精度DEM、DOM、DSM、三维模型等数据形式转变。机载LIDAR作为测绘行业的新技术，能够穿透植被，快速获取大范围高精度的地面三维信息，受天气影响小，可应用于水利测绘、水利规划设计、水利工程建设与管理、水环境监测、河道治理、山洪灾害调查、洪涝灾害、农田水利设计以及河长制等水利工作[2-3]。

3.1 水利测绘

水利行业中的测绘工作主要包括河道、堤防、水工建筑物及水库库区的地形测量，并且水利测绘多远离主城区，植被覆盖茂密，如堤防顶部及河道周围多树木生长，传统航空摄影测量无法获取林下高程点，仍需要大量外业实测工作才能准确表达地形，另外水库多位于山区，地形复杂陡峭且多密林，传统测绘手段效率低且精度无法保证。机载LIDAR能穿透植被获取真实的地表三维信息，有效地克服了茂密植被对测绘工作的影响，为河道堤防的地形测绘、水工建筑物的选址及竣工验收、水库科研阶段的勘测和后期库容计算等水利测绘工作提供了有力的技术支撑。

3.2 水利规划设计

水利规划设计是为防治水旱灾害、合理开发利用水土资源而制定的总体安排。传统的规划设计工作主要根据二维图表规划方案和设计，测绘地形图难以全面的表达地形地貌特征，且不够直观。机载LIDAR获取准确连续的测区DEM，叠加DOM可构建测区的三维场景，直观全面的展示了地形地貌，配合地质、水文、交通、人口等数据，对水利规划提供科学全面的依据。水利规划过程中，涉及移民安置，机载LIDAR可对测区房屋进行三维建模，估算出房屋面积，还可大致统计林木的株数，减少实测工作量。在水利工程的设计环节，随着BIM技术广泛的应用，传统地形图无法满足BIM设计需要，机载LIDAR生产的DEM和建筑物外部三维模型等数据，为BIM技术在水利工程设计中的运用提供了数据支撑。

3.3 水利工程建设与管理

大型水利工程建设前期，机载LIDAR提供的DEM和DOM产品可使用户全面掌握测区的地形、植被、水体等信息，由此可进行前期的建设环境评估。在建设和施工阶段，根据机载LIDAR搭建施工区的多期三维模型，通过前后对比快速提取施工变化区域，让管理人员直观掌握工程进度，能有效提高施工和管理效率。工程完成后，还可利用三维模型，结合水利专题数据和相关基础地理信息数据，对水利工程实现信息化管理。

3.4 水环境监测和河道治理

机载LIDAR提供的DOM产品可以相对直观、充分地展示出水环境的情况，对水质富营养化、蓝藻水华、有机污染程度及水体清澈透明程度、排污口排水污染程度等均能做到良好的监测。此外，在河道治理工程中，机载LIDAR可穿透植被，对河道沿岸地方进行扫描，可获取精确的堤防三维信息，可作为堤防设计的基础数据，同时也为堤防的检修和维护提供依据。

3.5 洪涝灾害和山洪灾害调查

机载LIDAR获取的高精度DEM可反应河道及其周边的地形地貌，为洪涝淹没分析提供数据基础，由于机载LIDAR受天气影响小，在洪灾发生后，可迅速准确获取溃堤的整体情况以及洪水淹没范围，为防汛调度指挥提供科学的决策支持。山洪灾害影响区域多位于山区密林，进行山洪灾害调查时，传统航测手段无法满足，机载LIDAR可穿透植被获取地表高程，进而提取出河道地形、居民户轮廓、穿河建筑物等山洪灾害相关要素[4]。此外，运用机载LIDAR建立易灾区的三维模型，并进行三维可视化展示，结合虚拟显示技术，进行灾害的仿真预案演练，检验预案的科学性和合理性，把灾害造成损失最大化降低。

3.6 农田水利

在农田水利设计阶段，根据机载LIDAR构建的DEM和三维模型，可以根据地形地形地貌特点，合理选择农田灌溉方式、进行管道统筹布设、优化罐区的土地利用的结构等，还可进行水力计算，灌溉对水源的水位、水量都有要求，确定灌溉方式时要满足其所需要的控制高程，DEM及其派生地形因子可为灌溉中水头损失提供依据。在灌溉阶段，机载LIDAR还可用于灌区供水监测，确保灌溉面积与收费面积相符，在灌区工程验收环节，还可对灌区工程的长度进行准确复核。

3.7 河长制

河长制由中国各级党政主要负责人担任河长，负责组织领导相应河湖的管理和保护工作，主要目的是为了加强河湖水域岸线保护、河湖巡查和水行政执法、河湖的动态监测等[5]。机载LIDAR获取的DOM和DEM数据可以有效确定河道范围及水上漂浮物、污染物，还可以对非法采砂、水域占用、围垦湖泊等违法行为进行有效监测和快速定位，方便河长快速了解水环境情况、方便水行政执法。

4 结语

机载LIDAR作为一种主动式对地观测系统，具有高精度、高时效性、受天气影响小、自动化程度高等特点，同时可穿透植被获取地表高程信息，其优势是其他测量手段无法比拟的。随着水利行业的信息化、智慧化水平不断提高，机载LIDAR提供的多元数据产品已在水利行业的诸多方面得到很好地应用，受限于设备价格高昂，早期机载LIDAR的普及度较低，随着技术的革新和商业化程度的提高，机载LIDAR必将在水利行业得到更加广泛的应用。