低空机载LiDAR技术在水利工程测绘中的应用

张守好 张以文

水发规划设计有限公司 山东 济南 250100

引言

传统水利工程测绘主要基于离散点的平面坐标和高程信息获取，只能选取必要点位和代表点位进行测量，无法全部描述或者表达水利工程三维坐标信息。而机载LiDAR技术可以获取水利工程的三维坐标、颜色、反射强度、回波次数、纹理等信息，这些获取的信息综合起来就是所谓的点云数据，通过对点云数据的处理可以提取不同数据。下面将对低空机载LiDAR技术在水利工程测绘中的应用展开探讨和分析。

1 低空机载LiDAR的原理和特点分析

1.1 低空机载LiDAR的原理

低空机载激光雷达系统主要包括定位系统、惯导系统、数码相机、激光扫描等组成，该系统集成了主动传感中的脉冲信号来获取所测量物体的距离、粗糙度、反射率等信息，而集成的数码相机部分可以获取物体的数字影像，通过信息的处理和提取可以准确地获取高密度点云数据，经过加工后的数字地表模型可以直接用于工程建设、城市管理等[1]。

1.2 低空机载LiDAR的特点

低空机载激光雷达的辐射面积广，速度快，能够高效率的获得所测地区的高密度点云数据。高精度的定位系统和惯性导航系统让实时测量精度得以保证，另一方面该系统在植被覆盖及树木丛生的测区具有很强的穿透性，可以直接透过植被等获取更加丰富的三维坐标信息和影像信息。还有通过机载激光雷达获取的数据经过处理可以获得数字地面模型、数字高程模型、数字正射影像图、数字线划图、三维模型等多种成果。

2 低空机载LiDAR作业的技术流程

低空机载激光雷达作业的技术流程主要包括数据采集、数据预处理、成果输出和检核校验。首先在测区踏勘，根据作业目标要求进行航摄参数、航摄计划设计，而且在航摄之前在测区进行控制点及检查点的外业测量，下一步进行外业航摄、数据存储和所获取数据的复查，在此主要获取基站静态数据、定位和惯导数据、雷达数据及影像数据，然后对获取的数据联合解算、检校、预处理和质量检测，最后进行数据的最终处理和所需成果的转换输出[2]。

3 低空机载LiDAR在水利工程测绘中的应用

水利工程测绘主要为水利工程的综合治理提供基础测绘资料，主要包括地形图、断面、三维模型、洪水分析及预警等方面的内容。传统的水利工程测量方式在作业效率和精度方面存在制约因素，因此在水利工程测绘中利用低空机载激光雷达将会从效率和精度方面得以提升，接下来将从四个方面展开分析与探讨。

3.1 低空机载LiDAR在水利工程地形图测绘中的应用

通过航摄获取的点云数据，利用软件进行内业解算，并对点云对应的航带匹配，对平面坐标系和高程系进行整体转换，检查外业航摄的数据有没有遗漏及点云的精度是否满足要求，然后进行点云的自动分类，获得初步的地面高程模型。对获取的影像进行空三加密，经过匀光处理，拼接生成分幅的数字正射影像图，检查影像的地面分辨率、平面和高程精度是否满足设计要求，满足要求则进行数字线画图的采集，然后采用外业调绘相结合的方式生成最终可以为水利工程治理直接利用的地形图。

3.2 低空机载LiDAR在水利工程断面测绘中的应用

对于精度要求不是特别高的水利工程选址等可以采用低空机载雷达的技术实现断面测量。首先根据水利工程治理的区域地形，按照设计提供的中泓线以及所需要的断面线，通过已经获得的点云数据和数字高程模型内插求解断面线上的高程，将内插的高程数据单独设置图层，检查并剔除粗差，然后利用百图水利软件根据已经设置好的桩号和桩点来提取每条断面的数据，最后按照设计要求设置断面图的横、纵比例尺，检查校核无误后可以批量输出水利工程所需的断面数据和断面图[3]。

3.3 低空机载LiDAR在水利工程三维模型制作中的应用

三维模型在水利工程中的水闸、泵站、涵洞等水工建筑物的设计以及运营后期维护等有着广泛的应用，清晰的纹理表面让建筑物更加直观。通过获得的点云数据分类后将建筑物层单置，将正射影像图及数字线划图叠置后自动生成水工建筑物的顶部模型，利用相关的软件对建筑物的信息修改完善，根据已有的数据提取建筑物纹理，对于有些部位纹理图不够多的地方需要补充拍摄，保证建模所需的纹理数量，之后将建筑物的关键点进行匹配和裁剪，最后将纹理图贴到已有的模型，生成水工建筑物的三维模型成果图。

3.4 低空机载LiDAR在洪水分析及预警中的应用

随着近年来自然环境的变化，突发性的台风等恶劣天气增多，这对流域防洪造成很大的压力，如何提前模拟洪水过境的发展趋势并及时做出预警显得非常重要。通过机载激光雷达的技术获取洪水淹没区范围的数字高程模型，根据雨水的降雨时间、降雨量和汇水面积计算得到所形成下游坝体所承受的水量，一旦超过承受量后将会溃坝流向下游，利用相关软件通过水动力模型分析，将洪水经过下游村庄等的最大高程范围模拟展绘在数字高程模型图上，据此来确定恶劣天气下需要搬迁的范围、最佳逃生路线和安置点。因此，低空机载雷达测绘技术在洪水灾害分析预警中有着较大的应用前景。

4 基于大疆禅思L1的工程应用及精度分析

4.1 大疆禅思L1作为机载低空LiDAR的介绍

大疆禅思L1是由深圳市大疆创新科技有限公司研发的一款集成Livox激光雷达模块、高精度惯导、测绘相机、三轴云台等模块的雷达机器，它可以搭载经纬M300 RTK实现机载低空LiDAR的外业数据采集功能，可以快速高效的生成高精度、高密度的点云数据，然后利用大疆智图软件进行内业点云数据的采集和处理，形成高智能的一体化内外业方案，可以实现24小时、高效率的工程现场三维模型重建。禅思L1主要包括云台接口、平移轴电机、激光雷达、测绘相机、俯仰轴电机和横滚轴电机等部分构成。大疆禅思L1的点云密度高，在有效飞行高度内，获取的点云密度最低也能优于100点/平方米；点云数据量大且反射强度特征信息量大，不同地物的反射强度差异大；激光穿透能力强，对茂密的植被具有较强的穿透性。外业操控可以通过DJI Pilot App来控制，不仅可以实现对云台相机的拍照、录像及回放等功能，还可以通过航线飞行来实现点云数据的采集，如果切换到相机界面，可以实时浏览禅思L1航摄的影像，也可以对航摄像机进行参数修正。操作界面中可以操控实时画面、相机参数、对焦模式、自动曝光锁定、相机设置菜单、拍照、录像、点云录制、拍摄参数设置、标定飞行按键等[4]。

4.2 大疆禅思L1的外业数据采集

首先将禅思L1正确搭载到飞行器上，然后启动飞行器和遥控器完成对频。打开DJI Pilot App软件，选择RTK服务类型，保证RTK处于固定解的状态，假如飞行区域的网络通信信号及遥控器图传信号非常差的时候，可以通过PPP-RTK的模式进行后处理。启动禅思L1后不要立即采集数据，要等到预热5分钟左右后提示负载惯导预热完成后再进行外业数据采集。选择App界面中的相机设置参数，根据当天的光线条件设置好保证相片的曝光正常。然后进入航线飞行界面并创建航线，设置点云密度、GSD、标定飞行及高度模式等。编辑点云测绘或者摄影测量参数，选择禅思L1相机，点击LiDAR Mapping完成页面各项参数的设置，一般情况下将激光的旁向重叠设置为50%以上，开启重复扫描模式，飞行高度设置为50-100m，飞行速度设置为5-10m/s，同时开启标定飞行，关闭畸变校正，保存建图航拍任务并将航线上传。待飞行任务结束后关闭飞行器，取出内存卡，将所航摄的点云文件和照片及其他采集的数据传输到计算机。

4.3 内业数据处理

大疆创新科技有限公司研发的DJI Terra可以对采集到的点云数据进行快速高效的处理。打开DJI Terra并新建任务，选择激光雷达点云处理，完成新建任务并保存。设置点云的处理密度和输出的坐标系，通常情况下选择2000国家大地坐标系。点击开始处理，等待全部点云数据处理完成，然后打开当前任务的文件夹，检查校核点云文件处理的精度等。

4.4 工程应用实践及精度分析

选取的测区为河道治理工程段，该地区的植被覆盖率在85%以上，且树木的基本高度在10米左右。按照前述步骤设置完成外业数据采集，其中雷达的回波模式为双回波，采样频率设置为240KHZ，航摄扫描模式为非重复扫描。利用DJI Terra进行内业处理，将得到的成果进行回波分析，其中蓝色为第一次回波，红色部分为第二次回波，其中第二次回波将植被茂盛的区域全部反射回来，如果采用禅思L1的三次回波功能，将会得到更好的处理效果。同时将LAS文件导入点云智慧进行后处理，可以一键处理获取测区的精细地形。

在测区范围内分别采用海星达iRTK挂接千寻位置服务和点云智慧进行精度分析。第一种检测方法首先将点云智绘生成DEM后导入GlobalMapper，提取30个检测点，其中检测点均匀分布在测区内，然后将点云智绘获取的检测点的平面坐标和高程导入海星达iRTK手簿内，进行放样实测的方式获得高程中误差为12cm；另一种检测方法在测区内均匀的选取30个检测点实测获取平面坐标和高程，将其导入GlobalMapper里和点云数据比对，然后使用LiDAR QC工具对比精度，其高程中误差为10cm。由此可见，利用大疆禅思L1搭载飞行器进行地形图测绘可以满足一定比例尺的精度要求。

5 结束语

低空机载LiDAR技术被广泛用于水利工程测绘中，它提供了一种全新的、高效率和高精度数据获取方式，而且可以根据不同的需求输出不同数据成果，极大地提高了外业生产效率。尤其大疆禅思L1的引入将会引起水利工程测绘的大变革，与传统的摄影测量具有独特的优势和效率，而且能够保证高程获取的精度，因此该项技术在水利工程的可行性研究、规划、勘察、设计、施工和运营管理等阶段都可以提供不同的数据支撑，这将为以后的水利数字化建设奠定基础。