無人機(jī)LiDAR技術(shù)在水利崩岸應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用

李煜東

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著測繪遙感技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術(shù)不斷向著高精度、高分辨率、高時效性的方向發(fā)展。特別是在自然災(zāi)害發(fā)生時，一般傳統(tǒng)測量手段無法快速獲取有效、準(zhǔn)確的地理信息數(shù)據(jù)。無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)(LiDAR)作為一種先進(jìn)的主動式遙感觀測系統(tǒng)，可通過快速采集激光束在目標(biāo)地物上反射的回波數(shù)據(jù)獲取詳細(xì)的地物三維信息，憑借其高效、安全可控、機(jī)動靈活、測量精度高、受外界干擾性小等特點，能作為應(yīng)急搶險的先鋒，可快速獲取應(yīng)急搶險時的第一手地形數(shù)據(jù)資料，更好地服務(wù)于水利工程搶險測量的需要。當(dāng)災(zāi)害(如崩岸)發(fā)生時，如何快速有效獲取地形地貌數(shù)據(jù)，及時給出有效災(zāi)害評估結(jié)果及處置結(jié)果，對水利工程建設(shè)安全保障和快速應(yīng)急響應(yīng)、人員撤離及后期搶險救災(zāi)具有十分重要的意義[1]。

1 無人機(jī)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)

1.1 無人機(jī)激光雷達(dá)設(shè)備組成及原理

激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging，LiDAR)是一種通過發(fā)射高頻激光束來獲取地面信息的主動式遙感系統(tǒng)，它是激光測距、全球定位系統(tǒng)(差分GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)三種技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。其中，激光測距系統(tǒng)用于測量傳感器到地表反射點的距離，差分GPS能夠依靠地面基站GPS與激光雷達(dá)系統(tǒng)上的GPS進(jìn)行差分得到準(zhǔn)確的掃描中心空間位置，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠用于獲取掃描系統(tǒng)的空間姿態(tài)參數(shù)[2-3]。目前無人機(jī)平臺搭載的激光雷達(dá)憑借著其全天時作業(yè)、受天氣干擾小以及能夠快速生成掃描區(qū)域地形數(shù)據(jù)且成果精度高的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于應(yīng)急測繪任務(wù)中。

1.2 無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)突出優(yōu)點

機(jī)載激光雷達(dá)是一種主動遙感技術(shù)，通過接收激光在地表物體反射的回波獲取對象表面的三維信息，由此建立地表的三維模型。激光雷達(dá)具有快速性、穿透力強(qiáng)、全天時觀測、高精度等優(yōu)點。

(1)數(shù)據(jù)獲取效率高，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短。傳統(tǒng)測繪測量效率低下、人工成本高，單兵作業(yè)慢且很多地方無法到達(dá)，即使達(dá)到安全風(fēng)險過高，無法勝任應(yīng)急測繪的需要。與傳統(tǒng)航測成圖相比，無人機(jī)LiDAR測量時只許布設(shè)少量地面控制點，且航線布設(shè)要求的重疊率低，飛行時間更短，相同容量的電池作業(yè)時，其效率更佳。且激光雷達(dá)掃描時是環(huán)形掃描，掃描范圍更廣，因此同樣區(qū)域作業(yè)時，與傳統(tǒng)航測時間對比，可以節(jié)省一半時間，提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率;其次，成圖時間縮短，也節(jié)省了外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測的工作量，可很好地應(yīng)用于水利水電工程項目測繪任務(wù)中[4-5]。

(2)較大程度地克服了植被覆蓋的影響。激光良好的單向性使其能從狹小的縫隙中穿過，掃描植被茂密地區(qū)時，每發(fā)射一束激光脈沖，可分別獲得樹冠、樹干、地表灌木以及地面等多個反射回波[6]。雖然在植被密集區(qū)獲取的地面點數(shù)量會減少，但是通過合理設(shè)置航線、增加重疊度、增強(qiáng)發(fā)射功率和調(diào)整掃描角度等措施，仍然可以獲得滿足大多數(shù)項目要求的地面點密度。對點云進(jìn)行濾波和分類處理后，準(zhǔn)確輸出地面點和非地面點，再結(jié)合反射強(qiáng)度信息分類出地面、房屋、植被、建筑、橋梁、道路等要素。與傳統(tǒng)方法獲得的DEM相比，根據(jù)分類后的地面點生成的高精度數(shù)字高程模型，能反映出準(zhǔn)確真實的地面高程信息，提高了地形圖的準(zhǔn)確性[7-9]。水利水電工程測區(qū)常常植被覆蓋密集，獲取真實地面高程困難，因此，無人機(jī)LiDAR技術(shù)相對于傳統(tǒng)測量和航空攝影測量有無法比擬的優(yōu)勢。

(3)基于激光點云生成的測繪產(chǎn)品成果類型多，三維激光點云數(shù)據(jù)以及DSM、DEM、DLG可廣泛應(yīng)用于工程的規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)管理、三維建模等。生成的高精度DEM結(jié)合DOM影像可以直接獲取水文斷面、壩址和庫區(qū)縱橫斷面、土方斷面等信息，更加準(zhǔn)確計算出水庫淹沒范圍線和庫容[10-12]。

2 無人機(jī)LiDAR技術(shù)在測繪應(yīng)急保障中的應(yīng)用

2.1 背景及概況

2021年5月16日，西江河段某江心島正在建設(shè)的水利工程項目現(xiàn)場，江心島上有一處邊坡堤岸發(fā)生崩岸滑坡險情。整個崩岸長度約為150m，寬約90m，項目施工現(xiàn)場立即安排警戒人員劃分警戒處，現(xiàn)場施工人員撤離該危險地區(qū)。項目現(xiàn)場相關(guān)負(fù)責(zé)人安排我司測量人員進(jìn)行快速測繪獲取險情段具體災(zāi)害風(fēng)險程度及第一手測繪地理信息資料。我司攜帶相關(guān)作業(yè)設(shè)備第一時間到達(dá)現(xiàn)場，迅速組裝好無人機(jī)后，航飛獲取本工程地段的正射影像圖、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)獲取飛行作業(yè)時間約3h。

2.2 設(shè)備簡介

大黃蜂BB4四旋翼無人機(jī)為華測定制版，慣導(dǎo)系統(tǒng)為Honeywell HG4930，采樣頻率為600Hz；激光掃描儀的型號為RIEGL_VUX_UAV，最大脈沖頻率為550KHz，掃描角度為330°。AS-900HL激光雷達(dá)參數(shù)見表1。

表1 AS-900HL激光雷達(dá)測量系統(tǒng)主要參數(shù)

2.3 航飛設(shè)計與實施

無人機(jī)在進(jìn)行航測之前，需要做好相關(guān)準(zhǔn)備工作。首先，需要根據(jù)測繪任務(wù)、范圍區(qū)域向當(dāng)?shù)厮鶎倏沼蚬茌牪块T進(jìn)行空域申請與報備；其次，踏勘現(xiàn)場環(huán)境確定起飛場地，把航飛范圍導(dǎo)入三維地球軟件，查看最高和最低海拔高度，確定分區(qū)和設(shè)計航高，利用航線規(guī)劃軟件進(jìn)行航線布設(shè)。

準(zhǔn)備工作完成后，架設(shè)好基站，安裝好激光雷達(dá)設(shè)備，進(jìn)行通電和開機(jī)。雷達(dá)數(shù)據(jù)采集前需要打開靜態(tài)基站獲取同步觀測數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)后差分，在作業(yè)前需要對激光雷達(dá)進(jìn)行靜置，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后即可開始，一般3～5min。按照設(shè)計好的航線進(jìn)行飛行作業(yè)，作業(yè)時間為25min。

為了準(zhǔn)確、高效、及時地獲取災(zāi)害現(xiàn)場第一手可視化資料，本任務(wù)實施過程中還進(jìn)行了攝影測量作業(yè)以便獲取正射影像。采用的設(shè)備為大疆精靈4RTK，飛行作業(yè)時間為40min。測繪作業(yè)實施的飛行航線如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)航線和正射影像航線示意圖

2.4 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

采集完數(shù)據(jù)后，將所有相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入并進(jìn)行解算。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理是對激光雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的整理過程，通過整合GNSS原始數(shù)據(jù)、地面站數(shù)據(jù)以及IMU數(shù)據(jù)生成地面激光點云，用于后續(xù)的地面處理和分類。圖2表征了一般情況下激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理流程。

圖2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，檢查數(shù)據(jù)范圍足夠、無航攝漏洞、軌跡解算、WGS84轉(zhuǎn)20000國家大地坐標(biāo)系參數(shù)準(zhǔn)確無誤后，生成所有點云文件las格式。導(dǎo)入Microstation數(shù)據(jù)處理平臺，采用Terro Solid軟件進(jìn)行點云濾波、地面點云分類處理、高程點檢核等一系列處理。同時將正射影像導(dǎo)入Pix4D軟件進(jìn)行全自動處理，得到DOM。將點云與正射影像疊加得到賦色后的彩色點云，可以更加直觀反映出此次發(fā)生險情江心島上的全部地貌。如圖3所示。

圖3 激光點云和正射影像賦色后的激光點云模型圖

2.5 數(shù)據(jù)成果精度對比分析

將解算完的點云同正射影像進(jìn)行融合后對比，觀察地物棱角與賦色后的點云平面位置，可以看出，正射影像與激光點云匹配良好，說明本方案采集的數(shù)據(jù)點平面精度正確，符合平面位置要求。一般地，激光采集點云高程精度難以保證工程測量精度需求，特別是植被覆蓋茂密地區(qū)。因此，本任務(wù)也對此做了相關(guān)驗證，用于檢核LiDAR點云的高程精度。在項目外業(yè)數(shù)據(jù)采集中分別采集了平坦水泥路面、草地、樹林等不同地方的RTK數(shù)據(jù)，均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi)。通過對比分析，采集的地面點高程偏差都在5cm左右，具體高程精度檢查報告見表2。

根據(jù)SL 197—2013《水利水電工程測量規(guī)范》中表3.0.5-5與GB/T 24356—2009《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》中4.3.3節(jié)、4.3.6節(jié)、5.5.1節(jié)b)條規(guī)定要求，點云檢查對比屬于同精度檢測，高程中誤差均應(yīng)小于±0.17m，從表2中可以看出，點云檢查結(jié)果均符合規(guī)范要求。

表2 地面點云高程精度檢查表 單位：m

3 崩岸塌方險情處理與分析

在崩岸塌方發(fā)生后，現(xiàn)場施工地已出現(xiàn)大面積坍塌區(qū)，沿河道路垮塌，具體災(zāi)害程度不明，項目現(xiàn)場相關(guān)負(fù)責(zé)人迅速啟動應(yīng)急預(yù)案，畫出警戒安全線，現(xiàn)場作業(yè)人員與車輛避開危險區(qū)。我司測繪技術(shù)人員第一時間現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，當(dāng)天通過第一時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析，此次崩岸塌方的土方量約為30584.81m3，周邊約9763.5m2區(qū)域處于不穩(wěn)定松軟區(qū)，岸坡滑動上下高度最大約為12.2m。將此次處理測繪成果信息提交給相關(guān)部門，用于研究分析崩岸發(fā)生的原因，并制定險情應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)行安全風(fēng)險評估后再進(jìn)行現(xiàn)場填土加固與維護(hù)。

4 結(jié)語

文章主要探討了無人機(jī)LiDAR技術(shù)應(yīng)用于水利搶險應(yīng)急測繪，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，利用無人機(jī)LiDAR技術(shù)可第一時間獲取災(zāi)區(qū)詳細(xì)準(zhǔn)確的測繪應(yīng)急資料。通過數(shù)據(jù)處理、比對、分析，其測繪成果可滿足工程任務(wù)的需求。在作業(yè)效率上，極大地提升了測量人員在應(yīng)急測繪中地效率，保障了人員及工程安全；在可靠性方面，激光點云與新型測繪攝影測量、遙感等方式相比，更適用于此類災(zāi)害分析與評估。

同時，利用好無人機(jī)LiDAR技術(shù)對專業(yè)人員能力要求高，惡劣天氣無法適用，對于應(yīng)急測繪保障來說，還需要借助其他的方式補(bǔ)充。隨著無人機(jī)雷達(dá)向長航時、高性能、普適性等方面不斷發(fā)展，LiDAR技術(shù)將在水利行業(yè)及應(yīng)急測繪保障中發(fā)揮巨大作用。