基于移動激光雷達技術的岸邊灘涂區(qū)域三維地形測量方法研究

白 顥 王澤瑋 莫書鵬 韋其全 吳小曼 陳朝陽

金景（海南）科技發(fā)展有限公司 海南 ?？?571158

1 概述

灘涂資源是重要的后備土地資源,具有面積大,分布集中,區(qū)位條件好,農(nóng)牧漁業(yè)綜合開發(fā)潛力大的特點,隨著海洋建設的發(fā)展,通過圍墾、引淡洗鹽,可較快形成農(nóng)牧漁業(yè)畜產(chǎn)用地,向海方向發(fā)展,可進一步成為開發(fā)海洋的前沿陣地。因此準確掌握灘涂資源和海岸帶狀資源的現(xiàn)狀和變遷十分迫切和重要。

灘涂地形地貌測繪一直是測繪領域的難點,受潮汐影響,測量作業(yè)非常時間有限,蘆葦植被茂密、淤泥較多,傳統(tǒng)的測量方式是由人工徒步在灘涂上測量,但是由于灘涂泥層較厚,承載能力差,潮溝遍布,泥沙松軟等存在一定的危險性、無法高效便捷的完成測量任務。無人機激光雷達技術無需提前布設標靶、能夠很好的穿透蘆葦?shù)戎脖?獲取高精度的地形地貌數(shù)據(jù)。因此,采用機載雷達灘涂測繪的方法需具備精度高,周期短等特點。

在灘涂、島礁等區(qū)域采用移動激光雷達技術進行三維空間地形數(shù)據(jù)獲取,從2010年之后,已經(jīng)被越來越多的學者提出并付諸嘗試[1]。目前通常情況下,針對大面積區(qū)域主要以機載大型激光雷達數(shù)據(jù)采集分析為主[2],同時也針對性的提出了基于機載移動雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)濾波與數(shù)字高程模型（DEM）的數(shù)據(jù)處理方法[3,4],該方法也在部分區(qū)域得到了實踐與嘗試[5]。隨著技術的發(fā)展,越來越多的無人化平臺得到了廣泛的推廣及應用,同時也拓展到了沿岸灘涂測量領域[6]。

2 移動激光雷達技術簡介

激光雷達系統(tǒng)（Light Detection and Ranging,簡稱 Lidar）主要由激光測距儀（Laser Scanner）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System,簡稱GPS）以及慣性測量單元（Inertial measurement unit,簡稱IMU）三個基本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成。移動激光雷達系統(tǒng)有多種載體方式,車載,船載,機載等,根據(jù)不同的用途及相關的作業(yè)要求選取相應的載體作業(yè)方式。LiDAR作為一種新興的測量技術,其高靈活性、高準確性、高安全性以及高效性等特點得到廣泛認可,在測繪、資源調(diào)查、環(huán)境檢測、三維城市建模、災害應急處理、重大工程建設、國土監(jiān)察等領域擁有獨特的優(yōu)勢。尤其是在地理信息領域方面,LiDAR技術的特點更能得到充分的發(fā)揮。

激光雷達系統(tǒng)各組成部分的主要功能如下:激光測距儀發(fā)射激光,記錄激光發(fā)射到物體并返回所用的時間、強度以及掃描角度等信息;GNSS系統(tǒng),記錄激光雷達系統(tǒng)的坐標信息;IMU（慣性測量傳感器）,記錄激光雷達系統(tǒng)的加速信息,角度信息。各傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過融合解算得到具有絕對地理位置信息的高精度三維點云數(shù)據(jù)。

激光雷達系統(tǒng)具有獲取數(shù)據(jù)精度高、速度快、范圍大、采樣密度高、直接獲取三維坐標、有一定的穿透性、多重回波及回波強度信息等特點。解決了山區(qū)、灘涂、戈壁、森林、海島礁等特殊地區(qū)建立高精度數(shù)字高程模型（DEM）的難題。隨著國內(nèi)外對激光雷達技術的應用日趨成熟,廣泛應用于森林調(diào)查,資源勘探,城市規(guī)劃,農(nóng)業(yè)開發(fā),環(huán)境監(jiān)測,防震減災,測繪和軍事等方面?？梢哉f其是測繪技術發(fā)展的一個里程碑。

3 移動激光雷達設備選型與數(shù)據(jù)采集處理方法

3.1 研究中所用激光雷達系統(tǒng)特點

移動激光雷達系統(tǒng)是由多種傳感器組成的復雜集成系統(tǒng),涉及衛(wèi)星定位導航與授時數(shù)據(jù)、慣性姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)等。最終形成的三維空間點云數(shù)據(jù)是在上述多種數(shù)據(jù)同步融合后聯(lián)合解算獲得的。隨著各部分傳感器的發(fā)展,移動激光雷達也向超小型、超便攜、高度集成的方向發(fā)展,從而實現(xiàn)了在多種有人與無人平臺上的搭載,尤其是滿足了小型無人機與無人船的搭載條件,大大提高了移動激光雷達系統(tǒng)的應用領域。

金景科技研發(fā)的超輕便攜式Scan Look LiDAR系統(tǒng),具有體積小,重量輕,便于攜帶等特點,可以在不同移動平臺間輕松切換,無論無人機、汽車、船、電動車還是肩背均可輕松作業(yè),使用LiDAR系統(tǒng)室外快速空間信息獲取可以全方位覆蓋。不論是測量、GIS、工程建設、導航規(guī)劃、數(shù)字存檔、三維建模,Scan Look都將節(jié)省大量的人力和時間。Scan Look在獲取空間地理信息時無需精確標瞄,外業(yè)團隊可大大縮減,可以全天作業(yè),可在城市峽谷、隧道、林蔭道等GNSS信號較差或沒有的地方獲取高精準的空間地理信息,輕松解決傳統(tǒng)方法無法測量的險灘泥沼、交通流量極大的道路等區(qū)域,可全方位獲取城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、農(nóng)田、森林、湖泊、庫區(qū)、景區(qū)、公路、鐵路、電力等行業(yè)所需三維空間地理信息,高效便捷精準,極大的拓展了行業(yè)應用領域!

3.2 激光雷達數(shù)據(jù)采集與處理方法

移動激光雷達的數(shù)據(jù)采集與處理涉及到多個類型數(shù)據(jù)的獲取和解算融合,圖1列出了LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的基本框架流程。在數(shù)據(jù)獲取過程中主要包含下列幾個步驟:1）基準位置基站架設;2）移動系統(tǒng)GNSS連續(xù)位置點與實時姿態(tài)（IMU）數(shù)據(jù)獲取;3）激光傳感器掃描數(shù)據(jù)獲取;4）時間同步數(shù)據(jù)獲取等。

圖1 移動激光雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與處理流程圖

基礎數(shù)據(jù)獲取完成后,進入數(shù)據(jù)預處理解算流程,經(jīng)過GPS差分、IMU數(shù)據(jù)緊耦合、移動軌跡點生成、激光三維點云數(shù)據(jù)融合解算等,最終獲得具有絕對地理信息坐標的三維點云空間信息數(shù)據(jù)。在此預處理數(shù)據(jù)的基礎上,進一步針對岸邊灘涂區(qū)域數(shù)據(jù)獲取的要求進行濾波、植被去除以及DEM數(shù)字高程模型生成等處理。

4 工程測試區(qū)域及結果分析

4.1 測試區(qū)域概況

此次工程測量區(qū)域主要位于長江入?？跒┩繀^(qū)域,受潮汐影響較大,作業(yè)前需提前查閱潮汐表資料制定相應的作業(yè)計劃。部分區(qū)域蘆葦分布密集,覆蓋范圍較大,傳統(tǒng)測量方式與航拍影像測量均無法得到可靠的高程數(shù)據(jù)。結合激光雷達系統(tǒng)非接觸式及數(shù)據(jù)穿透特點,可以極大的降低灘涂區(qū)域三維高程數(shù)據(jù)獲取的難度,顯著提高數(shù)據(jù)普查效率。

4.2 測試數(shù)據(jù)成果分析

本研究中針對沿岸灘涂區(qū)域的三維地形測量,采用了無人機激光雷達為主,船載激光雷達為輔的綜合數(shù)據(jù)獲取方式。數(shù)據(jù)獲取中采用規(guī)劃航線的形式進行數(shù)據(jù)自主采集,在預處理三維點云數(shù)據(jù)的基礎上,經(jīng)過點云去燥、算法自動識別分離地面點與植被、提取地表面三維點云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）自動生成,最后自動完成高程地形圖的數(shù)據(jù)構建。

4.3 成果精度驗證分析

沿岸灘涂三維空間數(shù)據(jù)獲取中,最為關鍵的指標為最終數(shù)字高程模型（DEM）中所獲取的高程精度的可靠性,這也是沿岸灘涂區(qū)域定期調(diào)查與災害防控中最為重要的核心數(shù)據(jù)指標。在本次研究中,共選取28個高程驗證點進行數(shù)據(jù)復核,圖2為復核點分布示意。表1為全部驗證點數(shù)據(jù)高差驗證結果。綜合上述復核點數(shù)據(jù),去除2個高程數(shù)據(jù)異常點,最終獲得驗證精度關鍵指標如下:高差綜合平均數(shù)為-0.08m,統(tǒng)計平方根差0.081m,統(tǒng)計標準差為0.082m。依據(jù)沿岸灘涂高程測量標準,要求高程測量復核精度滿足三分一等高距（灘涂測量中等高距要求為1m）,即0.33m左右。本次研究中采用的移動激光雷達數(shù)據(jù)分析方法獲取的高程總體精度均在8cm左右,大大優(yōu)于灘涂區(qū)域的測量要求,完全符合工程實際應用的要求。

圖2 灘涂測量區(qū)域高程復核點分布示意

表1 高程復核點編號及測量高差列表

5 結論

沿岸灘涂區(qū)域通常地形復雜,氣候條件復雜,江心洲區(qū)域難以抵達,同時區(qū)域內(nèi)受潮汐陣風影響顯著。然而,沿岸灘涂區(qū)域的三維地形調(diào)查,特別是高程調(diào)查又對岸邊災害防控,環(huán)境演變分析等國家民生重要領域起到至關重要的作用。本研究中創(chuàng)新性得采取移動激光雷達系統(tǒng),利用無人平臺進行數(shù)據(jù)獲取,有效避免了數(shù)據(jù)獲取困難的問題,同時利用激光雷達數(shù)據(jù)的植被有效穿透能力,采用激光點云自動濾波與分離算法,高校獲取灘涂區(qū)域點表面數(shù)據(jù),進而獲取精準的沿岸灘涂區(qū)域數(shù)字高程（DEM）模型。經(jīng)過區(qū)域內(nèi)若干點位的高程測量復核,最終驗證移動激光雷達系統(tǒng),特別是基于無人平臺的LiDAR系統(tǒng)是沿岸灘涂區(qū)域進行三維地形測量的高效手段,可以完全替代傳統(tǒng)的人工測量方式,極大提高了測量的效率和精度,同時避免了傳統(tǒng)測量方式中可能出現(xiàn)的測量人員安全風險,具有極大的社會推廣價值和經(jīng)濟效益。