准噶尔盆地南缘激光LiDAR航测质量控制及效果

田洪辉，李建华，杨万祥，魏晨成

1.中油勘探监理涿州有限责任公司 库尔勒分公司（新疆 库尔勒 841000）2.中国石油新疆油田分公司 勘探事业部（新疆 克拉玛依 834000）

0 引言

为给油气勘探开发提供高精度地理信息资料，2021年新疆油田在准噶尔盆地南缘整体部署了9 680 km2高精度地表信息采集激光LiDAR航摄项目，2021年及以后年度分期实施。

本项目地处准噶尔盆地南缘，行政隶属于乌鲁木齐、呼图壁、石河子、沙湾、奎屯等地区。工区地势南高北低，地表沟壑纵横、地形复杂；地貌类型多样，主要为河道、冲沟、峡谷、陡峭山地，山前带主要为村镇、厂矿、农田等，属于测绘困难区域[1]。

1 激光雷达技术简介

激光LiDAR航摄系统，由激光测距仪、GNSS、IMU、计算机控制导航系统、数码相机组成。激光扫描仪发射激光脉冲，遇目标物反射后，激光接收器记录返回激光脉冲，通过激光脉冲从发射到目标物反射回波的延迟时间，测定发射点到反射点之间的距离，获取具有三维坐标（X，Y，Z）和一定属性（反射强度等）的三维点云数据，通过点云生成DEM数据（数字高程模型）[2]，通过数码相机获取高清正射影像数据（DOM）[3]。

飞行采集结束后，对原始数据进行一系列处理，包括POS数据精密解算、点云分类[4]、影像校正拼接[5]、坐标系统转换、高程转换等工作，制作完成DOM和DEM数据体，将DEM数 据、DOM数 据 和GNSS数据融合，获得最终的三维空间数据。

2 难点分析

1）地质任务要求高。要求“提供高精度的浅表地层展布、断层以及地形地貌等信息数据，能精准分析工区的地层和岩性分布特征”。如何获得高清晰度、高精度三维空间数据，确保地质任务完成，是质控工作的重中之重。

2）受飞机空间和飞行安全限制，飞行过程中，航摄指标和飞行参数监督不能实时监控，质控难度大。

3）山地天气变化莫测，影响采集质量。工区面积大，南缘山地天气变化异常，大风、阴雨难以预测，云层厚度随时变化，相对航高850 m采集航摄资料，质量受天气影响大。

4）海量航测数据，实时监控采集质量难度大。每天的地面基站原始数据、POS数据、点云数据、影像数据等海量数据，数据预处理时间长，实时监控采集质量难度大。

3 激光LiDAR航摄质控过程

3.1 精细、优化分区质控

地形高程变化对影像分辨率和飞行安全有很大影响，合理、科学分区是获得优质航摄数据、安全施工的基础。

3.1.1 分区质控要点

1）考虑地面高差突变和地形特征，综合划分航摄分区[6]。

2）分区内的地形高差不大于¼相对航高。

3）分区内的地貌类型尽量一致。

4）每个分区布设至少一条构架线，保证数据的整体精度、一致性。

3.1.2 分区质控过程

通过认真踏勘工区，了解工区地表、地貌特征，依据30 m格网DEM（高程数字模型），分析地形起伏，高程变化，飞行安全条件，结合航摄采集要求，将A、B、C三个测区划分为14个子分区（图1），共布设240条航线，17条构架航线，航线总长度7 997 km。

图1 B区霍尔果斯背斜及以南剖面测区航线布设示意图

工区高程变化分析详细，分区合理，航线布设科学，构架线将子分区有机结合，为整个工区获取优质航摄数据奠定了基础。

3.2 相控点质控

相控点是直接为摄影测量控制点加密或测图需要在实地布设、测定的控制点。野外相控点目标选址的好坏、点位的准确程度、解算精度以及相控点的分布直接影响航摄质量。

3.2.1 相控点（地面检查点、标靶点）质控要点

1）选址：可以明确辨认的地物点或目标点，四周平坦，无明显反射物，周围黑白反差不大，避开有阴影地物以及弧形地物。

2）标志：对空视角好，避免被建筑物、树木等地物遮挡。

3）布设：采用红漆喷涂成“L”型，分布尽量均匀。

4）解算：相控点的平面坐标和高程采用实时差分定位（RTK）或者CORSRTK（网络RTK）方法测定[7]，关注RTK解算精度各项指标[8]。

3.2.2 相控点质控过程

全区布设地面相控点361个，标靶点35个（图2）。通过软件展点，相控点分布相对均匀，覆盖整个工区。现场抽查，相控点观测方法正确，操作仪器规范，选点合理。通过SSoffice软件，复算相控点GNSS采集原始数据，各项指标、解算精度[9]，满足规范要求，测量成果正确，为获取高精度三维空间数据提供了依据[10]。

图2 相控点（标靶点）分布示意图

3.3 航测采集质量控制

受飞机空间和飞行安全影响，航摄采集质量实时监控难度大。对此，加强培训，强化飞行员和航摄员的质量意识。每天飞行作业前，认真检查航摄设备指标，飞行参数。飞行采集过程中，实时监控飞行指标，定时对飞行参数、航摄指标截屏并留存，掌握每个飞行任务的航摄质量。

3.3.1 动态校准

进入测区之前，检查系统各部分组件运行状态，飞一个“8”字做动态校准，确保进入测区平稳飞行，飞行参数满足施工要求（图3）。

图3 动态校准

3.3.2 航速控制

进入测区，航速要保持一致，在一条航线内飞机上升及下降速度变化不大于10%。

3.3.3 飞行姿态

俯仰角、侧滚角一般不大于2°，最大不超过4°，航线弯曲度（航线最大弯曲矢量与航线长度之比的百分数）不大于3%（图4）。

图4 飞行姿态实时监控

3.3.4 航迹数据分析

导出文本航迹文件（图5），检查飞行参数（航向、航高、航速），抽取俯仰角、侧滚角超过4°，按坐标展点检查；确保有效数据符合规范要求。

图5 航迹分析

3.3.5 自证照片（截屏）质控

检查POS面板、导航面板、航迹面板，GPS、Scanner、Camra等几个面板截屏。

1）相机状态栏关注曝光次数、丢失曝光数量、丢片数量等（图6）。

图6 相机状态

质控要求：飞机降落后要延长记录至少5 min才能关闭系统，确保数据完整。

2）INS-GPS状态栏的Yaw Accacury一栏，精度值必须0.075°以内。

3）扫描仪（Scanner）状态栏重点关注GPS同步，指示灯正常时才可采集（图7）。

图7 GPS信号和惯导系统的工作状态

3.3.6 消除天气因素影响

天气对飞行安全和航测影像质量影响极大。要与气象部门积极沟通，搜集计划飞行任务区域天气预报，实时掌控天气变化情况。阴雨、大风、云层厚度大、能见度小于5 km等天气禁止采集，云层遮挡造成阴影要求补飞（图8）。

图8 层遮挡阴影补飞效果

3.3.7 补飞或重飞

飞行采集期间及时对数据进行检查评价，发现有激光漏洞、影像缺失及时补飞，以下情况需要补飞或重飞：

1）POS系统局部数据记录缺失。

2）数据质量存在局部缺陷，影响点云的精度或密度。

3）飞行数据出现绝对漏洞。

施工过程中，认真检查飞行指标、航摄参数、影像清晰情况，对存在问题的数据，要求及时补飞或重飞，并予以落实。补飞统计如下：

1）A区无补飞。

2）B区共补飞26条航线，共409.1 km、218 km2、1 549幅影像。

3）C区共补飞14条航线，共107 km、55 km2、431幅影像。

4 数据预处理的质控

4.1 影像数据质控

4.1.1 质控关键点

影像片数是否与设计相符，是否覆盖整个测区，影像航向和旁向重叠度，影像画面质量。

4.1.2 质控过程

1）通过每日自检记录表，对比影像获取数据与设计航线数据。

2）通过每日影像列表文件，抽取拍摄坐标，展点检查漏拍，点位不均匀现象（图9）；从航线距、照片点距判断影像航向、旁向重叠度。抽查航线抖动较大区域，针对漏拍、云层遮挡、影像有阴影等航摄不合格的影像，及时要求补飞。

图9 展点检查影像分布

3）通过质量检查报告（表1），检查影像数量、影像重叠度。

表1 A1分区影像质量检查报告

4）抽查：抽查部分影像清晰情况，尤其含标靶点像片的清晰度。抽查影像重叠度（航向、旁向重叠）（图10）。跟踪、落实不合格影像的后续补飞，确保飞行采集效果。

图10 抽查影像重叠度（航向重叠度62%）

4.1.3 质控小结

项目运行过程中，共获取33 642张影像，最终获取的原始影像清晰、层次分明、颜色饱和，反差适中，航向重叠、旁向重叠度满足设计要求；质量不合格的影像进行了重新补飞，确保整个项目的采集质量。

4.2 POS数据质控

POS数据是定位、定姿数据，是IMU/DGPS组合的高精度位置与飞行姿态测量系统。

4.2.1 POS数据质控点

航迹与基站的距离、POS解算精度、航高保持。

4.2.2 POS数据质控过程

1）检查航迹图（图11）、航高图、精度曲线图。

图11 航迹图分析

2）与设计航高差保持控制在15 m以内。B1区航高2 000 m，B3区航高2 800 m，检查本架次飞行航高与设计航高误差±15 m之内，满足规范和设计要求（图12）。

图12 B1区、B3区航高分析

3）按日期分析POS数据，使用POSPAC软件解算北、东、下方向位置均方根误差（图13）。

图13 POS数据解算质量报告

4.2.3 小结

通过对14份POS数据解算报告分析，检查每次飞行任务航迹图、航高图，POS解算误差指标、飞行航高保持等，各项指标均满足设计要求。

4.3 点云数据质控

4.3.1 质控点

点云密度、点云覆盖完整性、点云接边、点云航带间重叠度、航带间高差等。

4.3.2 质控方法

1）图件分析。从分区点云图件、整体图件入手，检查点云密度、覆盖完整性、航带高差（图14）及航带重叠情况（图15）。依据地面布设标靶点或检查点，检查航带间高差。

图14 点云航带间高差检查

图15 点云航带重叠检查

2）点云数据检查。使用软件检查每天飞行航线及每个细化分区的点云原始数据，计算相应点云密度（图16），航带重叠度。发现有激光漏洞、数据缺失，及时补飞或重飞。

图16 抽查点云密度为10.674点/m2

3）通过施工方质量检查报告（表2），检查每天航带的点云密度、航带重叠度、航带高差。

表2 质量检查报告

4）抽查部分航线或航飞范围的点云数据，检查航带重叠度、激光数据覆盖情况（图17）、点云密度等指标。

图17 抽查点云数据覆盖情况

5）落实补飞及重飞采集点云数据质量。

4.3.3 小结

按日期、飞行分区检查当日点云数据，对不合格区域细化分区、调整航高等措施进行补飞。检查结果：航带间高差、各分区点云密度、航带重叠度，点云覆盖完整，满足设计指标要求。

5 质控效果

野外数据采集，按照飞行任务、架次，及时分析检查影像数据、点云数据、POS数据。各项指标从日统计到分区统计均完成了设计要求。

1）影像质量：原始影像清晰、层次分明、颜色饱和，反差适中；航向、旁向重叠度均优于设计要求。

2）激光LiDAR质量：LiDAR点云均匀，覆盖完整，无漏洞。各分区点云密度均高于设计的8.27点/m2。

3）POS数据质量：数据接收正常,信号无周跳、失锁。POS数据经POSPAC软件解算后，北、东方向位置均方根误差，满足设计要求。

4）地面GPS基站:地面基站GPS接收卫星连续、无周跳、失锁等情况，数据完整。

6 结束语

1）激光LiDAR航测技术已成为高精度三维对地形观测的主要手段之一，通过激光LiDAR航测获取的三维数据体，能够实现地质露头的三维数字化，提供高精度的浅表地层展布、断层以及地形地貌等信息数据，精准分析地层和岩性分布特征。

2）航测三维空间数据已充分运用在辅助地震勘探优化施工设计、施工流程，复杂区域激发点优化设计，指导物理点放样、质量监控、环境管理、安全施工等方面，为实现精细、高效、优质地震勘探发挥积极作用。

3）航测三维数据体以其高清数字影像、高精度DEM模型，在油田地面工程建设、钻井选址、城市规划等方面亦可提供很大助力。