無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在航道整治工程中的應(yīng)用

江木春，韓亞民，林劍鋒

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430060)

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)將激光、光學(xué)技術(shù)、全球定位和慣性導(dǎo)航集成一體，運(yùn)用光學(xué)遙感技術(shù)進(jìn)行波段探測(cè)，獲取地面物體反射能量的大小與波譜的幅度、頻率與相位等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和定位，并對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行準(zhǔn)確判別，具有穿透植被、靈活性強(qiáng)、高精度以及作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)。在激光雷達(dá)的發(fā)展過(guò)程中，地面、車(chē)載、室內(nèi)和機(jī)載都是良好的平臺(tái)。隨著近年無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)平臺(tái)具有無(wú)需專(zhuān)門(mén)起降場(chǎng)、作業(yè)靈活、轉(zhuǎn)場(chǎng)方便和成本較低的特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)與激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在測(cè)繪領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)利用安裝在無(wú)人機(jī)上的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)地面的三維坐標(biāo)，生產(chǎn)相應(yīng)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理生成數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)等豐富測(cè)繪成果，能快速獲取大區(qū)域、大范圍的地表三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于應(yīng)急測(cè)量、林業(yè)資源調(diào)查、地形測(cè)繪、電力巡檢、公路勘測(cè)、地災(zāi)測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域[1]。

1 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪原理

無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)是一種全新的三維測(cè)量模式，通過(guò)激光雷達(dá)傳感器向地面發(fā)射激光脈沖，精準(zhǔn)檢測(cè)距離和平面高度，進(jìn)行三維立體構(gòu)圖，不易受大氣環(huán)境和太陽(yáng)光線(xiàn)的影響，可大幅提高數(shù)據(jù)采集的可靠性以及抗干擾能力，不僅探測(cè)精準(zhǔn)度高，而且空間分辨力強(qiáng)。通過(guò)對(duì)地面及其覆蓋物等目標(biāo)進(jìn)行三維掃描，利用多次回波技術(shù)在一定程度穿透地面植被，密集的點(diǎn)云透過(guò)植被縫隙打到地面上，精確獲取植被下方真實(shí)的地形信息，測(cè)量被植被覆蓋下的地形，或是因洪水、山體滑坡和崩岸等土壤侵蝕等隱蔽的信息。這些信息留在地貌上的蹤跡盡管被后期茂密的植被所覆蓋，但都能基于DEM和DSM進(jìn)行識(shí)別和提取，通過(guò)激光濾波算法生成高精度成果都能完整準(zhǔn)確地展現(xiàn)出來(lái)。無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量原理見(jiàn)圖1[2]。

2 航道整治工程測(cè)繪技術(shù)

2.1 常規(guī)測(cè)量技術(shù)

在航道整治工程中，上游航道兩岸多為懸崖峭壁和滑坡等，森林覆蓋廣，甚至是原始森林和無(wú)人區(qū)等，航道內(nèi)急流、礁石、淺灘密布，很多區(qū)域船只人員都無(wú)法安全抵達(dá)；中下游航道洲灘密布，淤泥淺灘和蘆葦?shù)戎脖幻?，毒蛇和毒蟲(chóng)等有害生物防不勝防。航道整治工程測(cè)繪一般采用航空攝影測(cè)量與人工測(cè)繪(如全站儀、GNSS-RTK)相結(jié)合的方法。航空攝影測(cè)量需要密集布設(shè)像控點(diǎn)，但因航道區(qū)域有難以抵達(dá)而無(wú)法布置有效的地面控制點(diǎn)的區(qū)域，影像對(duì)地表、植被、陰影和紋理特征有較高的要求，水域與洲灘接合部分分辨困難，成果接邊困難，航空攝影測(cè)量成果精度也相對(duì)較低，多用于大面積、小比例尺全范圍地形測(cè)繪，難以完全滿(mǎn)足項(xiàng)目需求。通常利用人工對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、航空攝影測(cè)量盲區(qū)或精度偏低的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)繪，人工測(cè)繪采集的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)于離散，大比例尺如1:500地形圖點(diǎn)間距一般為5 m左右，很難真實(shí)展現(xiàn)地形地貌，特別是重點(diǎn)地區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)域特征點(diǎn)、線(xiàn)和面的完整和真實(shí)信息。

2.2 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在航道整治測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

在航道整治工程中有很多測(cè)繪盲區(qū)和危險(xiǎn)地區(qū)，利用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)可以輕松完成。配合地面基站，能完成大區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，且只需要少量地面控制點(diǎn)，點(diǎn)云高程精度優(yōu)于10 cm，點(diǎn)云密度大于16點(diǎn)/m2。測(cè)量三維現(xiàn)實(shí)世界，采集數(shù)據(jù)精度高、受天氣條件影響小、效率高、后續(xù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單。不但自動(dòng)化程度高、層次細(xì)節(jié)豐富，而且還能進(jìn)行夜晚作業(yè)，完成植被提取、DEM提取、精細(xì)化結(jié)構(gòu)建模等傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量完成不了的工作，節(jié)省大量人工作業(yè)時(shí)間，有效保障測(cè)量人員安全。通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)及同步拍攝的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合多波束測(cè)得的水下高程數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型，可以提取所需多種數(shù)據(jù)，大大提升設(shè)計(jì)效率。得到高精度的DEM、DSM、DOM、植被、地表地貌和地物分布等豐富的地表信息，為設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)和管理人員直觀(guān)高效地完成圖上方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作，并指導(dǎo)施工作業(yè)，有效判別施工是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，以及項(xiàng)目完成后監(jiān)測(cè)和運(yùn)行情況，極大地提高了工作效率、節(jié)約了勞動(dòng)成本。

3 實(shí)施步驟

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要是獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)程，根據(jù)航道測(cè)量范圍設(shè)計(jì)航飛路線(xiàn)和航高。無(wú)人機(jī)航飛選擇在水位最低的時(shí)候進(jìn)行，這時(shí)洲灘或礁石等暴露面積最大。多波束水深測(cè)量選擇在水位最高的條件下進(jìn)行，盡量縮小多波束測(cè)量盲區(qū)范圍，這時(shí)多波束測(cè)量與無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)得的洲灘成果互相重疊區(qū)最大，數(shù)據(jù)全覆蓋，且相互檢核。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與其他各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行處理和計(jì)算，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波去除噪聲，獲取每一個(gè)激光點(diǎn)的空間坐標(biāo)和每張影像外方位元素，設(shè)置合理的激光點(diǎn)云采集密度參數(shù)，平衡點(diǎn)密度和高密度點(diǎn)云帶來(lái)的數(shù)據(jù)關(guān)系，滿(mǎn)足工程需要。經(jīng)過(guò)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以分辨出大量地物，并根據(jù)航道整治工程成果要求轉(zhuǎn)換成工程坐標(biāo)系。多波束數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)提純與篩選，有效去除粗差數(shù)據(jù)，并與處理好的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。

3.3 成果制作

成果制作主要包含DEM、DSM和DOM等的制作，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按地面、水工建筑物、淺灘和礁石、植被、水體和大堤漫灘等類(lèi)別完成分類(lèi)。對(duì)自動(dòng)識(shí)別困難的地物進(jìn)行人工分類(lèi)提??；露出水面的淺灘、崩岸、滑坡、礁石和水工建筑物等重點(diǎn)分類(lèi)，通過(guò)自動(dòng)和人工方法結(jié)合進(jìn)行精細(xì)分類(lèi)；分類(lèi)后的數(shù)據(jù)制作的地形地貌，一些植被點(diǎn)和建筑物點(diǎn)容易被分類(lèi)為地面點(diǎn)，一些小的地形不連續(xù)部分被平滑或去掉，需要人工除去噪聲點(diǎn)。處理好的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合同步相機(jī)拍攝的影像，處理影像外方位元素，在影像拼接線(xiàn)兩側(cè)尋找合理的勻光點(diǎn)，保證影像圖面質(zhì)量，生成DEM和DOM。

將處理好的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與多波束數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD Civil 3D制作曲面模型，對(duì)于地形較為復(fù)雜及需要表現(xiàn)局部地區(qū)細(xì)節(jié)特征的淺灘和水工建筑物等重點(diǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)中的等高線(xiàn)、特征點(diǎn)、特征線(xiàn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)描繪，生成反映地形起伏特征和地表形態(tài)的曲面模型[3]。

4 工程實(shí)例驗(yàn)證

黑沙洲水道位于長(zhǎng)江下游安徽省境內(nèi)銅陵市和蕪湖市之間，東經(jīng)117°59′～108°07′，北緯31°08′～31°18′，上起板子磯，下至高安圩，航道里程475～489 km。長(zhǎng)江中的黑沙洲、天然洲將河道分成南、中、北3個(gè)水道，其中南水道為現(xiàn)行主航道，是長(zhǎng)江下游安徽省內(nèi)重點(diǎn)礙航淺水道之一。為了解決黑沙洲水道目前航道存在的“通而不穩(wěn)”的問(wèn)題，鞏固已建航道整治一期工程效果，黑沙洲水道航道整治二期工程航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為6.0 m×200 m×1 050 m(水深×寬×轉(zhuǎn)彎半徑)[4]。

工程局部重點(diǎn)區(qū)域包括心灘梳齒壩工程、天然洲左緣上段護(hù)岸工程、天然洲右緣護(hù)岸加固工程、右岸新港一帶護(hù)岸加固工程和左槽內(nèi)潛壩加固工程等(圖2)。黑沙洲上及長(zhǎng)江大堤漫灘地植被茂盛，多為常綠闊葉林、低矮灌木、稻田及蘆葦?shù)??；跓o(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)監(jiān)測(cè)航道洲灘地形并結(jié)合水下地形多波束測(cè)量，對(duì)航道岸坡、洲灘、水工建筑物和水下地形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，直觀(guān)了解重點(diǎn)區(qū)域地形演變、泥沙淤積沖刷和水工建筑物的施工等三維情況，對(duì)于航道前期整治效果及后期整治方案、施工和維護(hù)提供詳實(shí)的基礎(chǔ)成果。航道整治前、整治中和整治后地形演變呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，基于周期性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析匯總出航道整治工程區(qū)內(nèi)及附近地形的演變特征。以精化洲灘地形曲面數(shù)據(jù)，生成真實(shí)反映洲灘的曲面模型，對(duì)整治效果的沖刷和淤積情況進(jìn)行分析。通過(guò)建立各個(gè)時(shí)期地形曲面，對(duì)各時(shí)期地形曲面模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算并對(duì)其進(jìn)行高程分析、渲染等，更加直觀(guān)地顯示航道整治過(guò)程中各時(shí)期地形演變情況，多角度達(dá)到對(duì)航道地形空間監(jiān)測(cè)的目的[5]。

圖2 黑沙洲水道航道整治二期工程

航道整治過(guò)程中，洲灘沖刷或淤積情況因時(shí)間較短而變化不大，采用航空攝影測(cè)量和人工測(cè)量方法(精度偏低或高程點(diǎn)位密度小)無(wú)法真實(shí)反映沖刷或淤積情況。采用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)不但高程點(diǎn)精度高，而且點(diǎn)位密度大，可以有效監(jiān)測(cè)洲灘細(xì)微的變化(圖3)。施工中水陸交界處的水工建筑物以及淤積或沖刷形成的泥灘等重點(diǎn)區(qū)域上人工測(cè)繪存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。特別是洪水季節(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)洲灘隱藏在植被下的崩岸滑坡現(xiàn)象，當(dāng)處理后的成果發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工調(diào)查，可避免事故的發(fā)生，做到安全度汛。

圖3 無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)及多波束測(cè)量位置

2016年3月—2020年9月的航道整治過(guò)程中，在整治前、整治中和整治后，及汛前、汛后多次對(duì)黑沙洲水道航道整治二期工程局部重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪和多波束測(cè)量，并對(duì)多次測(cè)量成果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明測(cè)區(qū)陸域地形變化不大，但經(jīng)過(guò)洪水期后，黑沙洲水道部分岸邊淺灘及水下地形發(fā)生變化，北水道進(jìn)口右側(cè)局部沖刷，左側(cè)則出現(xiàn)淤積情況，北水道中段整體變化不大。南水道進(jìn)口右側(cè)局部出現(xiàn)淤積；中段局部發(fā)生少量的淤積或沖刷，其中心灘梳齒壩工程上游端局部沖刷出現(xiàn)減緩跡象，下游端局部則出現(xiàn)淤積平穩(wěn)情況；左槽內(nèi)潛壩加固工程局部出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象；南水道下游航道的局部也出現(xiàn)淤積情況。航道整治達(dá)到了預(yù)期目的，局部須重點(diǎn)關(guān)注[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

1)無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)作業(yè)效率高、非常適合大范圍的航道整治工程測(cè)繪，不但無(wú)需專(zhuān)門(mén)起降場(chǎng)、作業(yè)靈活、轉(zhuǎn)場(chǎng)方便、成本較低，而且作業(yè)效率高、成果精度高、成果類(lèi)型豐富，作業(yè)不受光線(xiàn)影響，點(diǎn)云密度高，能完整表達(dá)出植被、建筑物、地表點(diǎn)等全要素地物特征，大大減少外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作，保障安全生產(chǎn)。

2)無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)主動(dòng)測(cè)量能透過(guò)植被縫隙獲取地面真實(shí)的地形信息，完全替代人工測(cè)量，對(duì)于植被茂密地區(qū)、露出水面的洲灘和水工建筑物比人工測(cè)量方式更能準(zhǔn)確快速地獲取地形信息。經(jīng)過(guò)與實(shí)測(cè)高程檢點(diǎn)比較，激光點(diǎn)云高程精度達(dá)10 cm，且點(diǎn)云更加密集，對(duì)地形細(xì)節(jié)的表達(dá)更加精確，結(jié)合多波束水深測(cè)量，用于航道整治工程方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、施工監(jiān)測(cè)及整治后效果評(píng)價(jià)。