基于機(jī)載LiDAR平臺(tái)進(jìn)行內(nèi)河航道測(cè)量系統(tǒng)研究的可行性和必要性分析

徐文財(cái)

(黑龍江省航道事務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150026)

1 項(xiàng)目研究的可行性

1.1 機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

(1)機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)的原理

如圖1所示，機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)的原理可表述為

圖1 機(jī)載激光測(cè)深原理示意圖

Rg=c△tk(θ)/2n

式中:Rg為水中激光的傳播斜矩；△t為回波時(shí)間差；c表示光在空氣中的傳播速度；k(θ)為入射角θ的光徑因子；n為水折射率，隨水環(huán)境的具體情況(如溫度、壓強(qiáng)等因素)的變化而有所不同，可沿光路積分計(jì)算。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，常不顧及海水深度與水質(zhì)問題，直接采用n=1.341代替。通過平面及深度歸算，求得各個(gè)激光測(cè)點(diǎn)的空間位置信息及其相對(duì)于某一深度基準(zhǔn)面的深度值。

(2)測(cè)深優(yōu)勢(shì)

機(jī)載LiDAR測(cè)深的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

①水測(cè)量能力較高。最大深度可達(dá)80 m，最小探測(cè)深度可達(dá)0.15 m，可實(shí)現(xiàn)船只無(wú)法到達(dá)水域的水深測(cè)量。在海水測(cè)驗(yàn)精度在15 cm之內(nèi)，滿足國(guó)際海道測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)IHO S-44的測(cè)深精度要求。

②測(cè)深效率與水深無(wú)關(guān)。常規(guī)的多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)幅一般為水深的7～8倍，而機(jī)載測(cè)深的測(cè)寬是固定的，僅與飛行高度及寬度比有關(guān)，在飛行高度為600 m的情況下，掃寬能夠達(dá)到320 m。

③測(cè)量效率高，測(cè)點(diǎn)密度大，測(cè)量成本低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在淺水中機(jī)載LiDAR測(cè)深的成本僅為多波束的6%～10%；多波束系統(tǒng)每小時(shí)可以測(cè)量0.5 km2水域，而機(jī)載LiDAR測(cè)深系統(tǒng)可以完成8～12 km2的測(cè)量任務(wù)，且測(cè)點(diǎn)密度能夠達(dá)到0.12 m×0.12 m(69 pts/m2)。

④可以高效地獲得水上水下一體化地形數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR測(cè)深通過近紅外激光獲得陸地及水面高程，藍(lán)綠激光探測(cè)水底，大大提高了水上水下一體化地形無(wú)縫拼接的效率。

表1 機(jī)載LiDAR測(cè)深系統(tǒng)與船載聲波測(cè)深系統(tǒng)優(yōu)劣比較

機(jī)載LiDAR測(cè)深系統(tǒng)與聲學(xué)測(cè)深相比，以航空平臺(tái)為載體的激光測(cè)深技術(shù)具有用人少，全天候、靈活性強(qiáng)、成本低，效率高、適用范圍廣、采集數(shù)據(jù)類型多、人員設(shè)備安全性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此具有較大的開發(fā)價(jià)值。目前全國(guó)交通、水利、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等行業(yè)擁有水上勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工、管理的單位和部門上千家，水上要素用戶更多，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來(lái)市場(chǎng)需求量會(huì)大增，市場(chǎng)前景看好。

1.2 可行性分析

目前，機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)雖然在國(guó)內(nèi)外已有研究并取得一定進(jìn)展，但是主要是面對(duì)近海區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于受海洋氣候和海水成分及海水壓強(qiáng)等影響，有關(guān)參數(shù)和模型一直沒有突破和完善，應(yīng)用受到影響，更談不到普及。而內(nèi)河，一是水域環(huán)境沒有海洋環(huán)境復(fù)雜，二是技術(shù)裝備和技術(shù)理論較以前有較大突破，尤其是無(wú)人機(jī)、GPS(或北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng))、高頻激光技術(shù)、高清相機(jī)以及三維建模理論成熟等快速發(fā)展為本系統(tǒng)研發(fā)提供了理論和技術(shù)保障，三是機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)從未在內(nèi)河水深測(cè)量中進(jìn)行過研究和應(yīng)用，這一領(lǐng)域空白較大，前景看好。四是合作單位、專家和測(cè)繪工程技術(shù)人員儲(chǔ)備充足，測(cè)量艇、測(cè)深儀、GPS、成圖軟件等試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)備齊全，五是有相關(guān)科研基金支持和自籌配套資金協(xié)助。

綜上，進(jìn)行該項(xiàng)目的研究是切實(shí)可行的。

2 項(xiàng)目研究的必要性

2.1 研究的目的

一是為了航道河床水深測(cè)量、公路橋梁勘測(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。二是進(jìn)行內(nèi)河水深測(cè)量技術(shù)性大變革，有望打破長(zhǎng)期依賴以艦船等水面移動(dòng)載體為平臺(tái)的聲學(xué)探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航域水深數(shù)據(jù)無(wú)接觸采集。三是提高航道測(cè)量生產(chǎn)效率，為數(shù)字航道建立提供技術(shù)支撐和服務(wù)保障。四是填補(bǔ)內(nèi)河水域測(cè)量在該技術(shù)方面的國(guó)內(nèi)空白。五是為相關(guān)工程問題的解決提供全新思路。

2.2 研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

(1)研究的主要內(nèi)容包括：

①利用機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水深與地形測(cè)量數(shù)據(jù)采集；②無(wú)人機(jī)航空攝影平臺(tái)搭載高清攝像機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量；③無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行過江電纜等跨河、臨河建筑物的三維激光掃描及制圖等。

(2)主要科技創(chuàng)新點(diǎn)包括：

①實(shí)施空地水一體化集成。利用無(wú)人機(jī)搭載集成激光掃描儀、POS定位定姿系統(tǒng)、高分辨率數(shù)碼相機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)于一體的系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)施一鍵開啟，自主采集和保存數(shù)據(jù)。可同時(shí)獲取水深數(shù)據(jù)，地物地貌三維激光點(diǎn)云及真彩色影像，提供精確豐富的三維地理信息數(shù)據(jù)；②實(shí)現(xiàn)地類地物分類提取。利用專業(yè)軟件將無(wú)人機(jī)獲取的地物地貌三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)按需求進(jìn)行分類提取?？蓪⑺睢毒€，島嶼、跨河臨河建筑物，航標(biāo)、浮標(biāo)等航道設(shè)施分類提取并表示在圖紙上；③實(shí)現(xiàn)圖形自由轉(zhuǎn)換。利用軟件的相應(yīng)功能可實(shí)現(xiàn)二維圖形和三維圖形之間，三維可視化靜態(tài)圖形和動(dòng)態(tài)圖形之間的轉(zhuǎn)換。

2.3 研究擬達(dá)到的技術(shù)水平及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用

目前該項(xiàng)目在內(nèi)河測(cè)深領(lǐng)域尚處于空白狀態(tài)，研發(fā)技術(shù)水平擬定為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)際先進(jìn)。隨著項(xiàng)目在市場(chǎng)上的應(yīng)用將極大的提高水上測(cè)量外業(yè)的生產(chǎn)效率，降低單位生產(chǎn)能耗，減少污染物的排放，減少水上作業(yè)安全事故的發(fā)生，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到助推作用。

2.4 必要性分析

一是新時(shí)代發(fā)展的必然要求。新形勢(shì)下科技創(chuàng)新發(fā)展已成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新高地，諸如5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上市、無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用、新能源研發(fā)炙熱等等高科技領(lǐng)域快速發(fā)展，綠色、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、高效已成為社會(huì)的主流趨勢(shì)，高污染、高能耗、高成本，低效率等落后產(chǎn)能逐漸被淘汰，因此我們航道事業(yè)的發(fā)展也必須與時(shí)俱進(jìn)，搭載科技高速發(fā)展的列車進(jìn)行科技研發(fā)與投入，以推動(dòng)航道事業(yè)創(chuàng)新性高質(zhì)量發(fā)展。二是為我國(guó)交通水運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展提供新動(dòng)能。無(wú)人機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)作為綠色環(huán)保創(chuàng)新型新技術(shù)，在交通水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中能夠發(fā)揮巨大作用。三是內(nèi)河河流，尤其是內(nèi)河封凍河流水深測(cè)量方式急需轉(zhuǎn)變的必然要求。目前我國(guó)內(nèi)河水域測(cè)量方式主要是船載超聲測(cè)量方式，耗能高，效率低，受天氣影響較大，可測(cè)水域受限，枯水期和淺水區(qū)測(cè)船難以到達(dá)。北方封凍河流開封江期間氣溫和水溫較低，水上測(cè)量人員除克服寒冷氣候帶來(lái)的影響外，還要保證水上作業(yè)安全，因此不但增加了作業(yè)人員患職業(yè)病的風(fēng)險(xiǎn)，而且由于作業(yè)船舶荷載的加重，安全風(fēng)險(xiǎn)因素增加。而應(yīng)用無(wú)人機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)無(wú)需在水面作業(yè)，有效的克服了因上述因素帶來(lái)的各種不足和安全風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，水深測(cè)量方式急需轉(zhuǎn)變是行業(yè)發(fā)展的必然要求。

3 結(jié) 論

針對(duì)目前我國(guó)內(nèi)河航道常規(guī)性水深測(cè)量方法數(shù)據(jù)采集時(shí)的效率低、強(qiáng)度大、成本高等問題，通過介紹了機(jī)載LiDAR測(cè)深原理、優(yōu)勢(shì)、設(shè)備，最大及最淺探測(cè)深度、測(cè)點(diǎn)密度及測(cè)深精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，分析了國(guó)內(nèi)航道測(cè)量技術(shù)急需更新?lián)Q代和行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需要，基于機(jī)載LiDAR平臺(tái)進(jìn)行內(nèi)河航道測(cè)量系統(tǒng)的研究是十分必要的、迫切的、可行的，并具有重要現(xiàn)實(shí)意義。