无人机载LiDAR在水利工程测量中的应用探究

耿志盼 （安徽省水利水电勘测设计院勘测分院，安徽 蚌埠 233000）

0 前言

近年来，随着国民经济的发展、科技的进步，水利行业也在发生革命性的变化。传统的全站仪以及RTK测量虽然地面数据精度高，但是存在外业工作量大、测量工期长、特殊地形的局限性以及不利于勘测设计一体化等问题。目前遥感、航测、地理信息系统（GIS）等技术已经广泛应用于工程建设、防灾减灾、水资源管理、基础测绘等方面。在水利工程测量方面，除了传统的航空摄影测量技术，无人机航测有其独特的优势，它更加灵活、成本更低、现势性强、可快速获取高分辨率影像，在测绘行业的应用日益成熟。然而无人机航测受天气影响大，且在密林覆盖的山区丘陵地带也有其局限性，由于无法穿透树木，所以无法高精度地获取地面高程数据。机载激光雷达航测(LiDAR)是集成激光扫描、摄影测量、全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(IMU)等测绘高新技术的数据采集技术，能够直接得到高精度的三维坐标信息。LiDAR所装载的激光扫描仪可以发射很强的激光脉冲，在覆盖不是特别密集的区域，可以穿透树木获取数据，在一些密林山区有独特的优势。随着近些年来无人机技术的快速发展和大规模应用，将LiDAR与无人机进行结合从而实现高效率的数据采集，在将来必将成为新的趋势之一。

1 LiDAR技术介绍

LIDAR（Light Detection and Ranging）即激光雷达扫描技术，是二十一世纪以来摄影测量及遥感领域最具创新性的技术之一。LiDAR系统由高精度激光测距仪、高精度惯性测量装置（IMU)、动态差分技术的GPS装置（DGPS）和高分辨率成像装置（主要是数码相机）组成。激光测距仪通过发射和接收脉冲信号得到高密度和高精度的点云数据，与此同时，动态GPS系统确定传感器的空间位置 (经纬度)，IMU测量飞机的实时姿态数据，即滚动、仰俯和航偏角。数码相机得到清晰的地面影像，然后将点云数据和影像进行集合处理得到DEM和DOM等产品。

图1 LiDAR技术示意图

1.1 LiDAR技术特点和优势

①穿透能力强。LiDAR所装载的激光扫描仪能发射穿透能力很强的脉冲信号，在一定程度上穿透植被覆盖，且有多次回波，得到植被信息和真实的地面三维信息，在植被密集的丘陵山地优势明显。

②快速获取数据。LiDAR主动发射测量信号，不受太阳高度角以及天气影响，具备全天候数据采集能力，对于应急测绘和特殊地形非常有利。

③便捷高效。与传统航测相比，地面控制工作少，只需要少量地面控制基准站即可，且前期数据获取和后期成果制作自动化程度很高，点云数据去噪得到DSM数据，在经过滤波得到DEM数据，大大提高工作效率和速度。

④测量精度高。点云数据精度可达0.1m-0.5m，尤其是高程数据准确性高，能基本满足1:1000比例尺地形图的要求。

⑤产品多样化。LiDAR能同时获取点云数据和数码影像，经处理可提供丰富的产品，包括高精度数字地面模型（DEM），数字正射影像（DOM），数字线划图（DLG），以及数字地表模型（DSM）等，这些产品除了用于水利工程建设外，对数字水利和三维城市等信息化建设也具有强大优势。

1.2 误差分析

机载LiDAR系统特别是无人机载LiDAR组成复杂，所以误差来源也是多方面的。包括：①激光雷达测距误差；②IMU姿态角和姿态角误差；③GNSS定位误差（最主要的误差源之一）；④系统集成综合误差；⑤环境误差（如航线、飞行条件、植被覆盖、天气等）；⑥其他误差（如数码相机也会存在误差）等。所以，同无人机航测一样，前期准备和设计工作也是影响精度的重要环节。

1.3 LiDAR技术与航空摄影测量的比较

作为传统摄影测量技术的代表，航空摄影测量的技术与应用已经十分成熟，作为新兴技术，LiDAR技术在目前还无法挑战航测的地位，但由于其突出的优点，目前已经成为航空遥感的重要技术之一，具备在未来取代航测的潜力。

①基本原理不同。LiDAR技术是主动式扫描测量，逐点采集，直接获取地面三维坐标，而航测是被动式，间接获取。

②作业方式。LiDAR技术飞行计划相对复杂，理论上可全天候作业，相比航测飞行高度范围窄，一般有效范围在100～4000m。

③数据处理。航测技术相对成熟，在DEM、DOM、DLG生产技术上已经成熟，效率可控。而LiDAR技术在数据处理方面技术尚不成熟，但是自动化程度高，效率高。

④精度。航测成果平面精度高，可满足大比例尺成图要求，但是高程精度低，需要大量地面控制。Li-DAR技术高程精度大于平面精度，但存在二次误差，且处理技术不够成熟，不如航测容易控制质量。

2 机载LiDAR在水利工程测量中的应用

随着国家对水利事业的重视和大力投入，各领域水利建设也迎来了发展的春天。同时随着水利信息化建设的推进，对获取准确、可靠空间三维数据的要求也越来越高。目前，水利工程的测量重要是用航空摄影测量、无人机航拍摄影测量等技术辅助传统的野外RTK和全站仪人工测量。但是，在南方山区等密林覆盖地区仍存在很多困难，如航测面临外业控制困难、加密选点困难、影像匹配困难、立体测图困难等问题，精度往往很难达到要求，而人工野外测量工作强度大、工期长、费用高，并且在很多特殊地形如悬崖深涧等作业困难。所以，新兴的无人机载LiDAR技术将很好的解决这一问题，并且在将来可能替代传统航测成为水利工程测量的主要技术手段。

2.1 数据采集与处理

机载LiDAR系统从数据采集到处理得到产品大概分为4个流程:航摄设计、数据采集、数据预处理、数据处理，流程如下图。

①技术设计

首先进行准备工作，设计航线。在保证精度的前提下，综合考虑仪器设备的性能、测区的地形条件和形状，对飞行航高、航向重叠度和旁向重叠度等一系列条件进行设计。其次是地面基站的选址和布设设计。还有对数据预处理要求的设计，例如原始数据的整理、对航带拼接要求。最后是数据检查的设计，如检查范围、项目、补飞和重飞的要求。

②数据采集

设计完成后，依据设计计划开始进行航飞工作。首先进行地面基站布设，进行控制点测量。在无人机起飞后，要注意实时监测无人机的工作情况，根据续航能力和外部因素及时调整。

③数据预处理

将得到的GNSS数据和IMU数据进行预处理。根据GNSS流动站和参考站数据进行差分解算，并将GNSS精确位置数据和IMU姿态数据合成。将得到的点云数据根据激光扫面数据、精确位置数据和姿态数据进行解算得到目标物的空间三维坐标。再对每条航带的点云数据进行平面和高程检查和校正，最后进行航带拼接。

④数据处理

将得到的点云数据进行分类处理，分类后的地面数据可以生成数字高程模型（DEM），以此为基础，结合获取的影像数据制作DOM、DLG等成果。

图2 作业流程图

2.2 应用

①快速获取数字高程模型

机载LiDAR技术能获取高密度、高精度的三维点云数据，通过点云分类、滤波，构建不规则三角网TIN，就可以快速提取DEM，其产品精度可以满足多方面需求。

②断面提取

横纵断面测量在水利工程测量中占有很大比重，利用处理后的点云数据和DEM成果，可以直接利用软件提取横纵断面。

③地形图制作

机载LiDAR技术能同时获取三维点云数据和影像数据，以DEM为基础生成等高线，利用点云数据提取高程注记，利用影像纠正和空中三角测量，快速采集地物要素数据，最后生成符合要求的DLG成果。在无外业像控点的情况下，可以快速制作精度达到1：2000地形图，大大节省了时间和成本。

④水下测量

LiDAR搭载多波束系统可以使用两种不同波长的激光束对水下进行测量。红光测量水面，绿光可以穿透水面测量水底，完全可以胜任大面积的水下地形测量工作，在水库测量作业方面优势明显。

⑤特殊地形测量

在一些人工作业困难的特殊地形（如采石场、悬崖峭壁），机载LiDAR可以忽略地形限制完成测图任务。目前而言，在覆盖茂密的密林山区，LiDAR技术是唯一可行的能获取地面高程数据的技术。

⑥水利信息化建设

LiDAR系统可以提供高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，可以为水利信息化建设提供宝贵的空间三维信息。它还可以为大型水利设施建设中土方量的计算、坝址选取、水库淹没区估算等提供有效的数据依据，并在水域监测、水体污染监控等方面发挥巨大作用。

3 总结和展望

机载LiDAR系统能够同时获取高精度、高密度的点云数据和高分辨率的影像数据，这些数据经过一些简单处理就能得到高精度的地面点云成果、DEM成果以及DLG成果。它不需要布设像控点，也无需构建立体像对，拍摄的高清数码影像判读容易，色彩更接近地物真实情况，地类分界明显，制图速度快、灵活性高、现势性强，在水利工程测量方面具有先天性的技术优势。但是目前也存在许多不足，如：数据处理量大、数据后处理技术相对落后、受目前无人机体积和重量的限制，无人机载LiDAR系统的精度有限，同时带宽较短，采集效率较低。随着众多科研单位和厂商的重点关注，相信在不久的将来，针对机载LiDAR系统的计算机软硬件研发将迎来跨越式进步，无人机技术和激光技术的持续快速发展也将为对其产生巨大的推动作用。