基于机载LiDAR与无人船多波束的水陆一体化测量技术研究

梁 冲

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

传统的水上测量方式除了运用GPS等传统测绘技术采集地理信息外[1]，倾斜摄影测量、遥感技术在水利信息化中同样发挥着重要的作用。航空摄影测量技术作业虽然快捷灵活，但其影像数据的获取易受天气、测区环境、作业周期等多重因素的影响。而且，水利水电建筑设施通常分布在山区地带，对于处在植被密集的区域，该技术无法剔除植被所带来的影响，同时水利水电工程建设对测绘成果要求比较高，大部分需要满足1/2000精度，部分需要满足1/1000或1/500成果精度，如果使用传统的人工和航空摄影测量手段很难满足工程的精度要求。机载LiDAR技术相比其他传统航测技术更具优势，可以快速、有效地获取三维空间地理信息数据。

传统的水下测量方式主要通过有人船搭载测深仪和RTK-GPS组合测量手段或是直接人工水下测量，测量人员安全无法得到保障，而且传统载人测量船只无法或不易到达危险、浅滩、近岸等区域，当在河谷狭窄地作业时，无法轻松完成转向掉头工作。由于水下被测物体不易观测，测量过程受流速、水中障碍物等因素影响，无法准确、高效地获取被测物空间地理位置。而无人船多波束测量技术[2]可自动化采集复杂水域下的空间三维地理数据，既可提高作业效率，也可保障人员安全。

随着测量技术的发展，越来越多的水利行业期望进行水陆一体化测量作业，水上部分随着机载LiDAR发展变得越来越容易，水下部分随着多波束技术的推广已经走进大家的视野。因此，将两者进行有效结合，作为一种全新的水陆一体化测量手段加以应用，快速高效地完成区域范围内水陆空间三维数据的全覆盖。同时，也为水利工程三维设计提供基础保障[3]。

1 机载LiDAR和无人船多波束的应用优势分析

1.1 机载LiDAR相较于传统航测技术的应用优势

1.1.1数据测量方式

传统航测测量方式属于被动式测量，依据地物的反射情况，被动接受反射信号，自然光对其影响较大。而机载LiDAR是通过激光传感器主动发射激光束，依据反射回来的信号，通过相应参数进行解算，相较于传统航测方法不会受到太阳高度角的限制。因此，可以获取更加完整的地理空间数据。

1.1.2数据采样方式

传统航测方法是以面状形式进行采样，只能获取二维影像数据，影像质量高，平面精度优于高程精度。而机载LiDAR将点、面两种采样方式进行了结合，激光逐点高密度采样获取三维点云数据，数码相机面状采集二维影像数据。机载LiDAR采用更加高效的数据获取方式且高程精度更优。

1.1.3植被穿透性强

当测量植被茂密的高山峡谷地带时，传统航测方法无法剔除植被带来的影响，当植被之间重叠严重时，无法获取地面地形数据。机载LiDAR利用激光多次回波技术，可以较好地穿透植被间的缝隙，进而探测到树下真实三维地形，精确建立真实的地面高程模型。

1.1.4外业测量和内业处理方式

在进行外业测量时，传统航测方法需要布设大量地面控制点，无法在地形复杂、险峻地区大量作业。而基于机载LiDAR技术进行测量时，仅需布设少量地面基站，供后期差分处理。在进行内业处理时，传统倾斜摄影测量技术需要经过大量外控和内业处理手段，才能获取地面三维信息。机载LiDAR利用其POS定位定姿系统，通过解算直接获取三维点云数据。

1.2 无人船测量系统相较于传统水下测量的应用优势

1.2.1安全系数高

在很多环境复杂未知的水域或近岸浅水水域，采用有人船或人员水下测量时，由于在水下会存在很多不确定因素，会对人员的人身安全造成极大的风险。而采用无人船进行水下测量作业时，工作人员无需下水就可以完成作业，安全系数有效提高。

1.2.2重量轻，吃水浅

在很多高山峡谷地带进行测量时，山路崎岖难走，无法将有人船只运输至此地进行水下测量。而无人船体积小、船体轻便，可轻松实现船体运输、下放、回收等操作。相比有人船能到达更浅、更复杂的作业区域，有效地解决了浅水岸线区域难以测量的问题。

1.2.3更智能，便维护

当面对较为复杂的水域环境时，有人船难以严格根据布设的航线进行测量，往往是蛇形走位，跑线质量不佳。无人船操作系统更加人性化、智能化，操作简单，可自动根据规划路线实现自主航行测量，保证船只实时在线测量，获取的数据质量更高。无人船多波束测量系统采用模块化设计方案，可快速拆装，便于后期各硬件设备的保养维护。

2 机载LiDAR与无人船多波束水陆一体化作业

2.1 机载LiDAR测量技术

机载LiDAR技术是以无人机为载体，基于激光探测及测距系统、全球定位系统和惯性导航系统直接测量被测对象的3D点云数据[4- 6]。其获取的点云数据是对地形表面最直接的描述和表达(如图1(a)所示)，是当前最可靠、最高效的3D地理数据采集技术之一。具有免相控、高精度、省人工、高效率、多回波、透植被等特点。

该技术通过GNSS系统提供载体的空间位置，地面基站提供后差分数据处理所需的同步相对地理信息[7- 8]。激光雷达的原理类似于电子测距仪，发射器发射激光(脉冲或连续波)，并捕获反射能量，利用激光从发射到接收的时间，测定地物与雷达之间的距离，与此同时惯导系统提供姿态数据。最后，使用GNSS/INS处理软件，将GNSS数据、IMU数据导入软件中进行解算，从而获取高精度地物表面三维坐标点云数据，再通过测区控制点，量取偏差，评估点云数据精度。机载LiDAR的工作原理和技术流程如图2所示。

2.2 无人船多波束测量系统原理

无人船多波束水下地形测量系统是以无人船为载体，集GNSS定位、IMU、多波束声学传感器、多波束甲板单元、定向罗经、表面声速仪、声速剖面仪等多种设备于一体的水下三维地形数据采集技术，可快速获取水下地形三维空间点云数据(如图1(b)所示)。

多波束测深系统通过陆地上架设基站提供动态实时差分信号为测深平台提供准确实时定位，基于换能器阵列向水底发射的宽扇声波测量与被测物间的距离，并通过无人船上的惯导系统实时进行姿态纠正，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内的水下地形三维点云数据。其工作原理和多波束硬件系统组成如图3所示。

2.3 机载LiDAR与无人船测量系统协同作业

机载LiDAR与无人船测量系统的工作原理比较类似，需要经过作业准备、路径设计、基站架设、系统校准、数据采集、数据处理等阶段。其中在基站架设过程中可共同使用地面基站采集的静态数据进行水陆点云数据的解算。两者获取的都是高密度、高精度的三维点云数据，因此在数据处理阶段都可以通过点云数据滤波、去噪、配准等技术手段将水陆点云数据进行融合，最终获取三维空间全覆盖测量数据。其协同作业流程如图4所示。

3 项目实践

辽河干流位于辽宁省境内，全长538km，在辽河流域上已建多个调蓄水库。水库的建设在引调水、汛期库区下游安全等方面具有举足轻重的作用。对库区进行系统测量，获取库区水上水下高精度三维地理数据，可为水利规划、库容计算、坝体监测、科学研究等方面提供必要的基础数据，为辽宁省全面推进智慧水利现代化建设提供重要的基础保障。本项目将固定翼无人机搭载AS900HL激光雷达和无人船搭载MS400P多波束技术相结合进行水陆一体化三维地理数据的采集，从三维点云数据的获取、处理、输出和精度检验等方面进行阐述，证明该技术在水利工程测量中的应用具有可行性，为未来在同类项目中的应用提供参考依据。

3.1 技术路线

本次项目以来辽河流域中某水库库区作为实验区域，实验当天环境良好，风速满足测量条件，测量过程严格按照相关规范要求。

(1)作业准备阶段，在无人机起飞前进行姿态纠正进行八字形环绕以减少惯导系统的累计误差，无人船采用同样的操作流程。

(2)通过姿态校准使各项测量指标满足要求后，且在试飞环节无问题时，即可进行数据的采集和录入。无人机进行2个架次、无人船作业1.5h最终完成库区水上水下数据采集任务。

图3 多波束工作原理与硬件系统组成

图4 机载LiDAR和无人船测量系统协同作业流程图

(3)基于机载LiDAR获取的原始点云数据进行POS解算，多波束水下数据基于声剖数据和动态表面建立等相关信息通过专业技术软件进行计算处理。由于受环境条件影响，获取的点云数据存在大量噪点，本文基于统计滤波、半径滤波算法对噪点进行剔除，剔除结果如图5所示，分别为去噪前和去噪后的点云数据，可以发现坝体上的毛刺噪点已经剔除。

图5 点云去噪处理

(4)将两者去噪后的点云数据进行融合，最终输出完整的库区水上水下三维地理数据如图6(a)所示，并基于布料模拟算法[9]，动态设定标准参数滤除地面点，输出三维地形数据，由于激光雷达具有穿透性，被数木所遮挡的地理位置同样可获取到相应的点云数据，如图6(b)所示。

图6 滤除非地面点

3.2 精度校验

基于RTK在现场打点或收集现有的控制点，导入去噪后的水上水下点云数据，量取其平面中误差为0.044m，满足1∶500地形图测图中误差要求。由此可知，基于机载LiDAR与无人船多波束获取的点云数据精度可靠，水陆一体化测量技术切实可行。

4 结语

通过对机载LiDAR和无人船多波束测量系统进行详细介绍，与传统测量技术对比分析，并基于水库工程项目实践，证明该技术获取的三维点云数据精度高、密度大，其成果可满足最终的生产需求，为水利工程项目提供了更加丰富、可行的测量手段。虽然该技术在获取水利信息方面具有其独特的优势，但也有如下不足：

(1)针对不同点云场景需调试相应的去噪参数，因此滤波技术自动化程度有待于提高。

(2)需要进一步挖掘数据的应用价值，如语义分割、库容计算、滑坡预警等，为此点云处理算法的研发成为该技术推广应用的关键。