復(fù)雜山區(qū)河道地形機載Lidar數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

談?wù)Z 趙云毅 富博

摘要：為解決復(fù)雜山區(qū)地形傳統(tǒng)測量工作中存在施測難度大、效率低、成本高等問題，以烏東德庫區(qū)有人機載Lidar測繪項目為背景，對機載Lidar數(shù)據(jù)處理過程中的GNSS差分解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、各航帶間的激光點云吻合情況、點云數(shù)據(jù)分類等質(zhì)量控制進(jìn)行了分析，并對點云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了評價。結(jié)果表明：烏東德庫區(qū)有人機載點云數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制良好，其成果精度完全滿足生產(chǎn)需求。機載Lidar對復(fù)雜山區(qū)地形數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制良好。

關(guān)鍵詞：地形測量; 機載Lidar; 激光點云; 烏東德庫區(qū)

中圖法分類號：TV221.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.004

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0022 - 05

0 引 言

根據(jù)《2020年度金沙江下游梯級水電站水文泥沙監(jiān)測任務(wù)書》要求，需開展烏東德水電站庫區(qū)觀音巖壩址-烏東德壩址干流及其主要支流正常蓄水位回水范圍河段水道地形觀測工作。但是，由于烏東德庫區(qū)特殊的作業(yè)環(huán)境，運用傳統(tǒng)作業(yè)手段測量地形時存在效率低、成本大等問題，成果難以達(dá)到高精度和可靠性要求。

2020年，烏東德庫區(qū)地形測量為河道本底地形測量，對成果精度和可靠性要求高，同時由于其處于金沙江及其支流沿岸，在云南與四川交界的高山河谷、地形陡峭的特殊作業(yè)環(huán)境，采用傳統(tǒng)全站儀、RTK等傳統(tǒng)作業(yè)手段，很多區(qū)域作業(yè)人員無法到達(dá)，難以全面精準(zhǔn)獲取地形數(shù)據(jù)。同時外業(yè)測量存在較大安全隱患，因此亟待采用新技術(shù)、新方法解決以上作業(yè)難題。

本次測量工作采用機載Lidar測量技術(shù)。研究該技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)地形測量中的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制情況。機載Lidar測量具有效率高、受影響小、精度高、風(fēng)險小等優(yōu)勢，對于庫區(qū)地形測量具有較強實用性[1]，本文結(jié)合金沙江烏東德實際情況，全面介紹了機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程，并在各環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的檢驗方法，有利于數(shù)據(jù)處理過程中的質(zhì)量控制，使烏東德機載點云數(shù)據(jù)精度滿足生產(chǎn)需要。

1 概 述

1.1 技術(shù)簡介

機載Lidar測量技術(shù)是一種主動式對地觀測系統(tǒng)[2]，這種技術(shù)將激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性測量單元（IMU）/DGPS差分定位等技術(shù)集成于一體，具有作業(yè)效率高和受天氣影響小、精度高、作業(yè)風(fēng)險相對較低等特點，且該技術(shù)已在國內(nèi)外測繪領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用。此外，烏東德庫區(qū)植被稀疏、地物較少，也給該項技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了客觀條件，利用機載Lidar施測烏東德庫區(qū)陸上地形具有較強的適用性。綜上，將烏東德庫區(qū)水位抬升較大的烏東德壩址-拉鲊河段陸上地形采用機載Lidar方式作業(yè)。測量范圍見圖1。

1.2 質(zhì)量控制過程

質(zhì)量管理應(yīng)注重指揮和控制[3]，不能只重結(jié)果而輕過程。有人機載激光雷達(dá)生產(chǎn)質(zhì)量管理屬于全過程質(zhì)量管理，包括承接任務(wù)、組織準(zhǔn)備、技術(shù)設(shè)計、生產(chǎn)作業(yè)、過程檢查，直到產(chǎn)品交付使用。堅持預(yù)防為主的指導(dǎo)思想，所有生產(chǎn)均應(yīng)采取PDCA模式進(jìn)行。P（策劃）為提供結(jié)果建立必要的目標(biāo)和過程，D（實施）為實施過程，C（檢查）是根據(jù)方針、目標(biāo)和產(chǎn)品要求，對過程和產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)視和測量并報告結(jié)果，A（處置）是采取措施以持續(xù)改進(jìn)過程。

質(zhì)量控制的關(guān)鍵是堅持各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查主要以自檢、互檢和專項檢查為主，體現(xiàn)預(yù)防為主的思想，在薄弱點環(huán)節(jié)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置檢查點進(jìn)行環(huán)環(huán)控制。實際生產(chǎn)過程中，在開展烏東德水電站庫區(qū)觀音巖壩址-烏東德壩址干流及其主要支流正常蓄水位回水范圍河段水道地形觀測項目實施前，2019年6月對烏東德庫區(qū)典型龍街河段進(jìn)行無人機Lidar航測比測，比測精度滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計書的要求;項目實施中，對部分河段采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行斷面與地形比測，對比測精度統(tǒng)計比較;在生產(chǎn)作業(yè)各工序環(huán)節(jié)中建立質(zhì)量檢查制度，明確質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，確定技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)要求，提出質(zhì)量控制方法，嚴(yán)格遵守上一工序必須經(jīng)過質(zhì)量檢查，認(rèn)可合格后方可流轉(zhuǎn)到下一工序的制度。

2 數(shù)據(jù)處理前的質(zhì)量控制

2.1 GNSS差分解算

航飛作業(yè)期間，在所有航飛作業(yè)地面基站同時架設(shè)2臺及以上GNSS設(shè)備，同步觀測并記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)TBC后處理，與2013年控制網(wǎng)點三維坐標(biāo)換算的距離與本次作業(yè)基線三維分量進(jìn)行比較，以檢核控制點穩(wěn)定性。假如控制點檢核結(jié)果不滿足要求，那么就在附近連續(xù)測出3個以上穩(wěn)定的控制點，重新解算本次作業(yè)基站坐標(biāo)[4]。

航攝采集回來的數(shù)據(jù)要進(jìn)行初步的航測數(shù)據(jù)檢查，主要包括基準(zhǔn)站GNSS數(shù)據(jù)、原始激光測距數(shù)據(jù)、機載GNSS與IMU數(shù)據(jù)，并要填寫航攝數(shù)據(jù)檢查報告。

機載GNSS數(shù)據(jù)與地面基準(zhǔn)站GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算（DGPS），通過點云軌跡解算軟件，查看衛(wèi)星觀測情況及軌跡總體觀測成果等參數(shù)，綜合評定差分解算是否符合要求。例如發(fā)現(xiàn)精度較低，刪除GNSS接收數(shù)據(jù)中多余的觀測數(shù)據(jù)，保留有用數(shù)據(jù)再進(jìn)行解算，以去掉不必要的干擾，提高解算精度。在實際生產(chǎn)過程中，若干基站數(shù)據(jù)成果不佳就會直接影響解算成果，甚至成果質(zhì)量不及單基站解算出來的成果，因此在解算時候若發(fā)現(xiàn)有精度不高的基站最好不參與解算。

2.2 DGPS/IMU聯(lián)合處理

將GNSS基站、流動站、IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行組合導(dǎo)航解算，得到航跡文件。解算完成后，查看處理精度報告，包括姿態(tài)、位置精度、IMU處理狀態(tài)、姿態(tài)和位置分離等，確認(rèn)無誤后輸出航跡文件;原始數(shù)據(jù)集成處理前，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的完整性和正確性詳細(xì)檢查，確保可以完整輸出航跡成果。

2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)

差分解算后獲得的是WGS84坐標(biāo)系坐標(biāo)，需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，以得到項目需要的1954年北京坐標(biāo)系。因此，為確保轉(zhuǎn)換精確，需要獲取坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于金沙江下游河道落差大，高程變化大，需采用布爾薩七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型分段解算，利用參與坐標(biāo)參數(shù)解算的控制點進(jìn)行參數(shù)內(nèi)符合精度驗證，利用未參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的控制點進(jìn)行參數(shù)外符合精度驗證[5]，精度驗證見表1。

3 數(shù)據(jù)處理后質(zhì)量控制

3.1 各航帶間激光點云吻合情況檢查

各航帶間的激光點云吻合情況檢查是對激光數(shù)據(jù)拉剖面（斷面）觀察，檢查兩個航帶之間同名激光點的高差和位置偏移，從而確定其誤差。具體吻合情況見圖2。圖2（a）中兩條航線數(shù)據(jù)明顯分開，說明這兩條航帶數(shù)據(jù)吻合不好。圖2（b）中兩條航線數(shù)據(jù)基本重合，說明兩條航帶數(shù)據(jù)吻合很好。如果兩條航帶數(shù)據(jù)吻合不好，使用TerraMatch軟件對批處理后的工程數(shù)據(jù)依次進(jìn)行平面差、高程差調(diào)整。在航帶平面差調(diào)整中，調(diào)整后的地物要與參考面測量中的地物完全重合，否則需要重復(fù)以上步驟重新調(diào)整，直到滿足要求為止。高程相對調(diào)整的結(jié)果要達(dá)到小于15 cm的數(shù)據(jù)精度指標(biāo)要求，否則會影響到后續(xù)處理的精度。在航帶高程絕對調(diào)整中，要查看生成報告中的平均誤差是否達(dá)到數(shù)據(jù)精度指標(biāo)要求[6]。

3.2激光點云分類

激光點云分類是對激光點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的主要工作內(nèi)容[7]。地面點分類主要由3個過程組成：①使用Lidar360軟件的分類算法自動進(jìn)行分類，通過設(shè)置建筑物尺寸、迭代角度、迭代距離等相關(guān)參數(shù)，計算分類地面點;②對算法自動分類的地面點以及非地面點進(jìn)行細(xì)化處理，一般選擇TIN濾波、二次曲面濾波、坡度濾波等進(jìn)行二次算法自動分類;③在前兩步基礎(chǔ)上進(jìn)行人工截取剖面，細(xì)化分類，如圖3所示。在人工進(jìn)行細(xì)分類時，需使用影像數(shù)據(jù)成果DOM或DSM輔助進(jìn)行激光分類和質(zhì)量控制;分類后激光點云要求平地較平坦，無明顯突出的點出現(xiàn);山地坡度過渡平滑自然，無明顯突變的點出現(xiàn);高速公路、河流等與周圍的地物相比，高度變化較明顯，但無孤立明顯突出的點出現(xiàn)。

激光點云分類的質(zhì)量檢查就是檢查裸地表、建筑物和植被等數(shù)據(jù)是否按當(dāng)前工程項目要求劃分到相應(yīng)的分類中。具體檢查方法是通過剖面（斷面）采用人機交互進(jìn)行檢查，如圖4所示。為了更直觀、更準(zhǔn)確地進(jìn)行檢查，需通過對激光點云進(jìn)行著色，疊加航片進(jìn)行檢查，確保分類成果更加準(zhǔn)確無誤。

3.3 點云精度統(tǒng)計

在項目實施過程中，為了檢查機載Lidar實施過程中各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，最終成果是否滿足生產(chǎn)需要，采集了斷面點、碎部點、地形特征點、水涯線特征點等作為檢查點，檢查點由全站儀和RTK兩種設(shè)備采集，檢查內(nèi)容包括碎部點檢測、斷面檢測、地形檢測等。

3.3.1 精度要求

根據(jù)CH/T 8024-2011《機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，機載Lidar數(shù)據(jù)獲取點云高程精度應(yīng)滿足表2的要求。

根據(jù)SL257-2017《水道觀測規(guī)范》規(guī)定，對精度要求較高的水道變化沖淤分析等專用水道地形圖測繪基本精度應(yīng)滿足表3的要求。

3.3.2 碎部點平面精度檢測

通過RTK設(shè)備采集得出碎部檢測數(shù)據(jù)與機載檢測數(shù)據(jù)的點分布個數(shù)情況[8]，如表4所示，可以看出點云平面精度均小于1.5 m，滿足河道規(guī)范要求。

3.3.3 碎部點高程精度檢測

GNSS-RTK地形點分布如表5所示。

RTK校核點與點云數(shù)據(jù)較差高程中誤差如表6所示。

從表6可以看出點云高程中誤差在平地區(qū)域小于0.14 m，在丘陵區(qū)域小于0.20 m，在山地區(qū)域小于0.27 m，在高山地區(qū)域小于0.31 m，該精度均高于《水道觀測規(guī)范》中的規(guī)定，能滿足金沙江烏東德庫區(qū)陸上測量需要。

3.3.4 斷面精度檢測

烏東德庫區(qū)（烏東德壩區(qū)-拉鲊河段）干流及支流均布設(shè)固定斷面，斷面分布情況見表7。各斷面機載三維激光點云數(shù)據(jù)與全站儀、RTK實測數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面面積比精度統(tǒng)計及斷面中誤差統(tǒng)計，如圖5所示。

從圖5可以看出，固定斷面面積比均小于2%，滿足河道規(guī)范要求，三維點云數(shù)據(jù)可用于烏東德庫區(qū)陸上固定斷面成果。

3.3.5 地形精度檢測

在項目實施過程中，為檢測地形精度是否滿足沖淤計算要求，分別在龍街與拉鲊河段采集地形檢測點、機載三維激光點云與全站儀實測數(shù)據(jù)，分別計算各體積及相對中誤差，具體情況見表8。

從表8可以看出，相對體積均小于2.5%，滿足河道水利規(guī)范要求，可用于烏東德陸上地形成果。

4 結(jié) 語

機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜且非常重要，需要豐富的知識和經(jīng)驗，其質(zhì)量控制更顯得尤為重要。質(zhì)量控制是為了通過監(jiān)視質(zhì)量形成過程，消除生產(chǎn)流程中各環(huán)節(jié)可能引起不合格或不符合要求的影響因素，通過采取一系列作業(yè)技術(shù)和方法，將各種影響質(zhì)量的問題減至最少，貫穿于質(zhì)量產(chǎn)生、形成和實現(xiàn)的全過程中。機載Lidar測量技術(shù)，在處理復(fù)雜山區(qū)地形勘測工作中，體現(xiàn)出了較高效率、精度和成果質(zhì)量。通過各種測量技術(shù)的對比研究，可以初步確定機載Lidar測量技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)的地形測量中發(fā)揮了積極作用。

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（編輯：唐湘茜）

Quality control of airborne Lidar data in complex mountainous terrain

TAN Yu，ZHAO Yunyi，F(xiàn)U Bo

（Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources

Commission，? Chongqing 400020， China）

Abstract： In order to solve the difficulties， low efficiency and high cost in the traditional survey of complex mountainous terrain， this paper takes the Lidar project in Wudongde Reservoir Area as the background， the quality control of GNSS differential decomposition， coordinate conversion parameters， laser point cloud coincidence among airborne Lidar bands and point cloud classification are analyzed， and the accuracy of point cloud data is evaluated. The results show that the quality control of manned-airborne point cloud data processing in Wudongde Reservoir Area is good， and the accuracy of the results can meet the needs of river-related work completely. Therefore， Airborne Lidar can control the quality of complex mountain terrain data well.

Key words： topographic survey; airborne lidar; laser point cloud; Wudongde Reservoir Area