基于機(jī)載LiDAR與無(wú)人船多波束的水陸一體化測(cè)量技術(shù)研究

梁 沖

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

傳統(tǒng)的水上測(cè)量方式除了運(yùn)用GPS等傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)采集地理信息外[1]，傾斜攝影測(cè)量、遙感技術(shù)在水利信息化中同樣發(fā)揮著重要的作用。航空攝影測(cè)量技術(shù)作業(yè)雖然快捷靈活，但其影像數(shù)據(jù)的獲取易受天氣、測(cè)區(qū)環(huán)境、作業(yè)周期等多重因素的影響。而且，水利水電建筑設(shè)施通常分布在山區(qū)地帶，對(duì)于處在植被密集的區(qū)域，該技術(shù)無(wú)法剔除植被所帶來(lái)的影響，同時(shí)水利水電工程建設(shè)對(duì)測(cè)繪成果要求比較高，大部分需要滿足1/2000精度，部分需要滿足1/1000或1/500成果精度，如果使用傳統(tǒng)的人工和航空攝影測(cè)量手段很難滿足工程的精度要求。機(jī)載LiDAR技術(shù)相比其他傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，可以快速、有效地獲取三維空間地理信息數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的水下測(cè)量方式主要通過(guò)有人船搭載測(cè)深儀和RTK-GPS組合測(cè)量手段或是直接人工水下測(cè)量，測(cè)量人員安全無(wú)法得到保障，而且傳統(tǒng)載人測(cè)量船只無(wú)法或不易到達(dá)危險(xiǎn)、淺灘、近岸等區(qū)域，當(dāng)在河谷狹窄地作業(yè)時(shí)，無(wú)法輕松完成轉(zhuǎn)向掉頭工作。由于水下被測(cè)物體不易觀測(cè)，測(cè)量過(guò)程受流速、水中障礙物等因素影響，無(wú)法準(zhǔn)確、高效地獲取被測(cè)物空間地理位置。而無(wú)人船多波束測(cè)量技術(shù)[2]可自動(dòng)化采集復(fù)雜水域下的空間三維地理數(shù)據(jù)，既可提高作業(yè)效率，也可保障人員安全。

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的水利行業(yè)期望進(jìn)行水陸一體化測(cè)量作業(yè)，水上部分隨著機(jī)載LiDAR發(fā)展變得越來(lái)越容易，水下部分隨著多波束技術(shù)的推廣已經(jīng)走進(jìn)大家的視野。因此，將兩者進(jìn)行有效結(jié)合，作為一種全新的水陸一體化測(cè)量手段加以應(yīng)用，快速高效地完成區(qū)域范圍內(nèi)水陸空間三維數(shù)據(jù)的全覆蓋。同時(shí)，也為水利工程三維設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)保障[3]。

1 機(jī)載LiDAR和無(wú)人船多波束的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

1.1 機(jī)載LiDAR相較于傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1.1數(shù)據(jù)測(cè)量方式

傳統(tǒng)航測(cè)測(cè)量方式屬于被動(dòng)式測(cè)量，依據(jù)地物的反射情況，被動(dòng)接受反射信號(hào)，自然光對(duì)其影響較大。而機(jī)載LiDAR是通過(guò)激光傳感器主動(dòng)發(fā)射激光束，依據(jù)反射回來(lái)的信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行解算，相較于傳統(tǒng)航測(cè)方法不會(huì)受到太陽(yáng)高度角的限制。因此，可以獲取更加完整的地理空間數(shù)據(jù)。

1.1.2數(shù)據(jù)采樣方式

傳統(tǒng)航測(cè)方法是以面狀形式進(jìn)行采樣，只能獲取二維影像數(shù)據(jù)，影像質(zhì)量高，平面精度優(yōu)于高程精度。而機(jī)載LiDAR將點(diǎn)、面兩種采樣方式進(jìn)行了結(jié)合，激光逐點(diǎn)高密度采樣獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)碼相機(jī)面狀采集二維影像數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR采用更加高效的數(shù)據(jù)獲取方式且高程精度更優(yōu)。

1.1.3植被穿透性強(qiáng)

當(dāng)測(cè)量植被茂密的高山峽谷地帶時(shí)，傳統(tǒng)航測(cè)方法無(wú)法剔除植被帶來(lái)的影響，當(dāng)植被之間重疊嚴(yán)重時(shí)，無(wú)法獲取地面地形數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR利用激光多次回波技術(shù)，可以較好地穿透植被間的縫隙，進(jìn)而探測(cè)到樹(shù)下真實(shí)三維地形，精確建立真實(shí)的地面高程模型。

1.1.4外業(yè)測(cè)量和內(nèi)業(yè)處理方式

在進(jìn)行外業(yè)測(cè)量時(shí)，傳統(tǒng)航測(cè)方法需要布設(shè)大量地面控制點(diǎn)，無(wú)法在地形復(fù)雜、險(xiǎn)峻地區(qū)大量作業(yè)。而基于機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，僅需布設(shè)少量地面基站，供后期差分處理。在進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理時(shí)，傳統(tǒng)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)需要經(jīng)過(guò)大量外控和內(nèi)業(yè)處理手段，才能獲取地面三維信息。機(jī)載LiDAR利用其POS定位定姿系統(tǒng)，通過(guò)解算直接獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)水下測(cè)量的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.2.1安全系數(shù)高

在很多環(huán)境復(fù)雜未知的水域或近岸淺水水域，采用有人船或人員水下測(cè)量時(shí)，由于在水下會(huì)存在很多不確定因素，會(huì)對(duì)人員的人身安全造成極大的風(fēng)險(xiǎn)。而采用無(wú)人船進(jìn)行水下測(cè)量作業(yè)時(shí)，工作人員無(wú)需下水就可以完成作業(yè)，安全系數(shù)有效提高。

1.2.2重量輕，吃水淺

在很多高山峽谷地帶進(jìn)行測(cè)量時(shí)，山路崎嶇難走，無(wú)法將有人船只運(yùn)輸至此地進(jìn)行水下測(cè)量。而無(wú)人船體積小、船體輕便，可輕松實(shí)現(xiàn)船體運(yùn)輸、下放、回收等操作。相比有人船能到達(dá)更淺、更復(fù)雜的作業(yè)區(qū)域，有效地解決了淺水岸線區(qū)域難以測(cè)量的問(wèn)題。

1.2.3更智能，便維護(hù)

當(dāng)面對(duì)較為復(fù)雜的水域環(huán)境時(shí)，有人船難以嚴(yán)格根據(jù)布設(shè)的航線進(jìn)行測(cè)量，往往是蛇形走位，跑線質(zhì)量不佳。無(wú)人船操作系統(tǒng)更加人性化、智能化，操作簡(jiǎn)單，可自動(dòng)根據(jù)規(guī)劃路線實(shí)現(xiàn)自主航行測(cè)量，保證船只實(shí)時(shí)在線測(cè)量，獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量更高。無(wú)人船多波束測(cè)量系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，可快速拆裝，便于后期各硬件設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)。

2 機(jī)載LiDAR與無(wú)人船多波束水陸一體化作業(yè)

2.1 機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)

機(jī)載LiDAR技術(shù)是以無(wú)人機(jī)為載體，基于激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)直接測(cè)量被測(cè)對(duì)象的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4- 6]。其獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是對(duì)地形表面最直接的描述和表達(dá)(如圖1(a)所示)，是當(dāng)前最可靠、最高效的3D地理數(shù)據(jù)采集技術(shù)之一。具有免相控、高精度、省人工、高效率、多回波、透植被等特點(diǎn)。

該技術(shù)通過(guò)GNSS系統(tǒng)提供載體的空間位置，地面基站提供后差分?jǐn)?shù)據(jù)處理所需的同步相對(duì)地理信息[7- 8]。激光雷達(dá)的原理類似于電子測(cè)距儀，發(fā)射器發(fā)射激光(脈沖或連續(xù)波)，并捕獲反射能量，利用激光從發(fā)射到接收的時(shí)間，測(cè)定地物與雷達(dá)之間的距離，與此同時(shí)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供姿態(tài)數(shù)據(jù)。最后，使用GNSS/INS處理軟件，將GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中進(jìn)行解算，從而獲取高精度地物表面三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)測(cè)區(qū)控制點(diǎn)，量取偏差，評(píng)估點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度。機(jī)載LiDAR的工作原理和技術(shù)流程如圖2所示。

2.2 無(wú)人船多波束測(cè)量系統(tǒng)原理

無(wú)人船多波束水下地形測(cè)量系統(tǒng)是以無(wú)人船為載體，集GNSS定位、IMU、多波束聲學(xué)傳感器、多波束甲板單元、定向羅經(jīng)、表面聲速儀、聲速剖面儀等多種設(shè)備于一體的水下三維地形數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可快速獲取水下地形三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖1(b)所示)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)通過(guò)陸地上架設(shè)基站提供動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分信號(hào)為測(cè)深平臺(tái)提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)定位，基于換能器陣列向水底發(fā)射的寬扇聲波測(cè)量與被測(cè)物間的距離，并通過(guò)無(wú)人船上的慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行姿態(tài)糾正，從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)的水下地形三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其工作原理和多波束硬件系統(tǒng)組成如圖3所示。

2.3 機(jī)載LiDAR與無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)

機(jī)載LiDAR與無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)的工作原理比較類似，需要經(jīng)過(guò)作業(yè)準(zhǔn)備、路徑設(shè)計(jì)、基站架設(shè)、系統(tǒng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等階段。其中在基站架設(shè)過(guò)程中可共同使用地面基站采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行水陸點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算。兩者獲取的都是高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)處理階段都可以通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、去噪、配準(zhǔn)等技術(shù)手段將水陸點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終獲取三維空間全覆蓋測(cè)量數(shù)據(jù)。其協(xié)同作業(yè)流程如圖4所示。

3 項(xiàng)目實(shí)踐

遼河干流位于遼寧省境內(nèi)，全長(zhǎng)538km，在遼河流域上已建多個(gè)調(diào)蓄水庫(kù)。水庫(kù)的建設(shè)在引調(diào)水、汛期庫(kù)區(qū)下游安全等方面具有舉足輕重的作用。對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量，獲取庫(kù)區(qū)水上水下高精度三維地理數(shù)據(jù)，可為水利規(guī)劃、庫(kù)容計(jì)算、壩體監(jiān)測(cè)、科學(xué)研究等方面提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為遼寧省全面推進(jìn)智慧水利現(xiàn)代化建設(shè)提供重要的基礎(chǔ)保障。本項(xiàng)目將固定翼無(wú)人機(jī)搭載AS900HL激光雷達(dá)和無(wú)人船搭載MS400P多波束技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行水陸一體化三維地理數(shù)據(jù)的采集，從三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、處理、輸出和精度檢驗(yàn)等方面進(jìn)行闡述，證明該技術(shù)在水利工程測(cè)量中的應(yīng)用具有可行性，為未來(lái)在同類項(xiàng)目中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

3.1 技術(shù)路線

本次項(xiàng)目以來(lái)遼河流域中某水庫(kù)庫(kù)區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天環(huán)境良好，風(fēng)速滿足測(cè)量條件，測(cè)量過(guò)程嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求。

(1)作業(yè)準(zhǔn)備階段，在無(wú)人機(jī)起飛前進(jìn)行姿態(tài)糾正進(jìn)行八字形環(huán)繞以減少慣導(dǎo)系統(tǒng)的累計(jì)誤差，無(wú)人船采用同樣的操作流程。

(2)通過(guò)姿態(tài)校準(zhǔn)使各項(xiàng)測(cè)量指標(biāo)滿足要求后，且在試飛環(huán)節(jié)無(wú)問(wèn)題時(shí)，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和錄入。無(wú)人機(jī)進(jìn)行2個(gè)架次、無(wú)人船作業(yè)1.5h最終完成庫(kù)區(qū)水上水下數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

圖3 多波束工作原理與硬件系統(tǒng)組成

圖4 機(jī)載LiDAR和無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)流程圖

(3)基于機(jī)載LiDAR獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行POS解算，多波束水下數(shù)據(jù)基于聲剖數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)表面建立等相關(guān)信息通過(guò)專業(yè)技術(shù)軟件進(jìn)行計(jì)算處理。由于受環(huán)境條件影響，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在大量噪點(diǎn)，本文基于統(tǒng)計(jì)濾波、半徑濾波算法對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行剔除，剔除結(jié)果如圖5所示，分別為去噪前和去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)壩體上的毛刺噪點(diǎn)已經(jīng)剔除。

圖5 點(diǎn)云去噪處理

(4)將兩者去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終輸出完整的庫(kù)區(qū)水上水下三維地理數(shù)據(jù)如圖6(a)所示，并基于布料模擬算法[9]，動(dòng)態(tài)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)濾除地面點(diǎn)，輸出三維地形數(shù)據(jù)，由于激光雷達(dá)具有穿透性，被數(shù)木所遮擋的地理位置同樣可獲取到相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖6(b)所示。

圖6 濾除非地面點(diǎn)

3.2 精度校驗(yàn)

基于RTK在現(xiàn)場(chǎng)打點(diǎn)或收集現(xiàn)有的控制點(diǎn)，導(dǎo)入去噪后的水上水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)，量取其平面中誤差為0.044m，滿足1∶500地形圖測(cè)圖中誤差要求。由此可知，基于機(jī)載LiDAR與無(wú)人船多波束獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度可靠，水陸一體化測(cè)量技術(shù)切實(shí)可行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)載LiDAR和無(wú)人船多波束測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹，與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)對(duì)比分析，并基于水庫(kù)工程項(xiàng)目實(shí)踐，證明該技術(shù)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高、密度大，其成果可滿足最終的生產(chǎn)需求，為水利工程項(xiàng)目提供了更加豐富、可行的測(cè)量手段。雖然該技術(shù)在獲取水利信息方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也有如下不足：

(1)針對(duì)不同點(diǎn)云場(chǎng)景需調(diào)試相應(yīng)的去噪?yún)?shù)，因此濾波技術(shù)自動(dòng)化程度有待于提高。

(2)需要進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，如語(yǔ)義分割、庫(kù)容計(jì)算、滑坡預(yù)警等，為此點(diǎn)云處理算法的研發(fā)成為該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。