基于機(jī)載LiDAR的山區(qū)型水庫數(shù)據(jù)底板獲取技術(shù)研究
——以烏東德水庫為例

馬玉婷，趙林東，石永恩，談 語，馮國正

(長江水利委員會(huì)水文局 長江上游水文水資源勘測(cè)局，重慶 400020)

0 引 言

水庫數(shù)據(jù)底板是指水庫蓄水前的原始地形資料，是水庫庫容計(jì)算及庫容曲線核定[1-2]、淤積分析計(jì)算[3-5]、水資源管理[6-7]、防汛抗旱[8-9]、數(shù)字孿生水利[10-11]、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與整治[12-14]、庫區(qū)水域岸線規(guī)劃與利用[15-16]等的基礎(chǔ)資料，是水庫綜合效能發(fā)揮的基礎(chǔ)保障。目前，水庫數(shù)據(jù)底板獲取主要采用全站儀、RTK、航空攝影測(cè)量、三維激光掃描等方式進(jìn)行。水庫多建于山區(qū)，因此，研究山區(qū)型水庫數(shù)據(jù)底板獲取技術(shù)具有重要意義。山區(qū)地形復(fù)雜多變，群山起伏，溝谷縱橫，全站儀結(jié)合RTK是當(dāng)前水庫數(shù)據(jù)底板獲取的主要方式[17-19]。但是，采用全站儀、RTK測(cè)繪山區(qū)地形，具有效率低、人工走測(cè)難度大、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大等不足[23-24]。無人機(jī)航空攝影測(cè)量的發(fā)展極大地推動(dòng)了山區(qū)地形測(cè)繪技術(shù)進(jìn)步，且航空攝影測(cè)量具有操作簡(jiǎn)便，高精度、高分辨率、高效率等特點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用[20-22]，但采用航空攝影測(cè)量具有數(shù)據(jù)處理依賴作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)、自動(dòng)化程度低等不足，且航空攝影測(cè)量由于影像陰影、云影、植被遮擋等因素，可能造成數(shù)據(jù)精度損失大[25-26]。近年來，三維激光掃描技術(shù)也被逐步應(yīng)用于水利工程地形測(cè)繪領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)可根據(jù)作業(yè)環(huán)境及地形特征，選擇地面固定、車載、船載、機(jī)載等平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)[27-28]。由于山區(qū)地形坡度陡、水陸交通不便利，宜采用機(jī)載方式作業(yè)。機(jī)載LiDAR(Light Laser Detection and Ranging)是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，已成功應(yīng)用于山區(qū)水電工程地形測(cè)繪、山區(qū)水利測(cè)繪、山區(qū)河道地形測(cè)繪[29-30]。因此，本文以烏東德水庫為例，開展基于機(jī)載LiDAR山區(qū)型水庫數(shù)據(jù)底板獲取技術(shù)應(yīng)用研究，旨在為數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 機(jī)載LiDAR技術(shù)

本文采用有人直升機(jī)機(jī)載LiDAR技術(shù)開展山區(qū)型水庫數(shù)據(jù)底板獲取技術(shù)研究，利用機(jī)載LiDAR獲取數(shù)據(jù)生產(chǎn)4D產(chǎn)品(DEM為數(shù)字高程模型，DOM為數(shù)字正射影像，DLG為數(shù)字線劃圖，DSM為數(shù)字表面模型；簡(jiǎn)稱4D產(chǎn)品)。機(jī)載激光雷達(dá)掃描測(cè)量技術(shù)是集激光掃描技術(shù)、高動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)定技術(shù)、高精度動(dòng)態(tài)GNSS差分定位技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的新型遙感技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)由空中測(cè)量平臺(tái)、激光雷達(dá)掃描測(cè)距系統(tǒng)、POS系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)、控制單元等組成。機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)以飛機(jī)作為觀測(cè)平臺(tái)，激光測(cè)距系統(tǒng)作為傳感器，通過POS系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)載體定位確定載體姿態(tài)參數(shù)，能通過直接定位快速、準(zhǔn)確地獲取復(fù)雜地球表面三維空間信息。機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)需要激光雷達(dá)掃描測(cè)距系統(tǒng)和POS系統(tǒng)保持精確的同步時(shí)間，相互協(xié)調(diào)完成工作[31-34]。

1.1 作業(yè)流程

機(jī)載LiDAR生產(chǎn)4D產(chǎn)品作業(yè)分為航攝準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果生產(chǎn)4個(gè)階段，作業(yè)流程見圖1。

圖1 機(jī)載LiDAR作業(yè)流程Fig.1 Airborne LiDAR operation flow chart

1.2 4D產(chǎn)品生產(chǎn)

1.2.1 DEM(數(shù)字高程模型)

利用分類后的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按一定格網(wǎng)間距插值，生產(chǎn)DEM。

1.2.2 DOM(數(shù)字正射影像)

DOM生產(chǎn)主要步驟如下：① 加載DEM成果，生成數(shù)字正射影像圖DOM；② 勻色勻光，逐一檢查各影像，調(diào)整色調(diào)，使影像色彩真實(shí)，并基本一致；③ 鑲嵌拼接，按照分幅的圖廓范圍外擴(kuò)10個(gè)像素來設(shè)定鑲嵌范圍，拼接成整幅的DOM。

1.2.3 DLG(數(shù)字線劃圖)

利用DOM編繪地物，利用地面點(diǎn)云生成等高線、提取高程注記點(diǎn)，人機(jī)交互修飾等高線，提取地物、地貌特征高程注記點(diǎn)。

1.2.4 DSM(數(shù)字表面模型)

DSM生產(chǎn)主要步驟如下：① 區(qū)域整理平差。結(jié)合POS數(shù)據(jù)提供的外方位元素，在每級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差；② 多視影像密集匹配；③ 三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建；④ 自助紋理映射，基于瓦片技術(shù)，將整個(gè)目標(biāo)區(qū)域分割成一定數(shù)量的瓦片，將每個(gè)瓦片進(jìn)行紋理貼附，生成DSM。

1.3 精度分析

1.3.1 DOM

DOM精度分析主要為平面位置分析，利用實(shí)地檢測(cè)地物特征點(diǎn)，與DOM影像中提取特征點(diǎn)進(jìn)行精度分析，計(jì)算如下：

(1)

1.3.2 點(diǎn)云平面

點(diǎn)云平面精度分析方法與DOM一致，計(jì)算見式(1)。

1.3.3 點(diǎn)云高程

在實(shí)測(cè)點(diǎn)附近提取點(diǎn)云對(duì)應(yīng)高程點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云高程精度分析，高程中誤差計(jì)算見式(2)。

(2)

2 實(shí)例分析

2.1 工程區(qū)概況

烏東德水電站位于四川省會(huì)東縣和云南省祿勸縣交界的金沙江下游河段，是下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩水電站4個(gè)梯級(jí)中的第1個(gè)梯級(jí)電站。烏東德水庫庫區(qū)全長252 km，選擇受蓄水影響，水位抬升較大的壩址-拉鲊河段進(jìn)行機(jī)載LiDAR地形測(cè)繪。壩址-拉鲊干流河段長165 km，主要支流包括龍川江12.5 km，勐果河3.4 km，普隆河13.0 km，鲹魚河5.7 km。該河段屬干熱河谷，高溫低濕，河谷深切、河床狹窄、岸坡陡峻，測(cè)區(qū)風(fēng)力大，水陸交通條件差，為保證航攝安全與航攝質(zhì)量，選擇有人機(jī)機(jī)載LiDAR進(jìn)行烏東德水庫數(shù)據(jù)底板獲取生產(chǎn)4D產(chǎn)品。

2.2 精度分析

2.2.1 DOM

DOM精度分布見圖2，DOM精度為0～0.09 m，主要集中在0～0.07 m，DOM中誤差為±0.04 m。SL 197-2013《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定1∶500～1∶2 000比例尺高山地地形圖平面位置測(cè)量允許中誤差為圖上±0.8 mm。按精度要求最嚴(yán)格的1∶500比例尺計(jì)算，實(shí)際平面位置允許中誤差為±0.40 m。由此可知，DOM精度滿足規(guī)范要求。

圖2 DOM精度分布Fig.2 Accuracy distribution of DOM

2.2.1 點(diǎn)云平面

點(diǎn)云平面精度為0～0.45 m，主要集中在0～0.35 m，點(diǎn)云平面中誤差為±0.14 m(圖3)。SL 197-2013《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定1∶500～1∶2 000比例尺高山地地形圖平面位置測(cè)量允許中誤差為圖上±0.8 mm。按精度要求最嚴(yán)格的1∶500比例尺計(jì)算，實(shí)際平面位置允許中誤差為±0.40 m，由此可知，點(diǎn)云平面精度滿足規(guī)范要求。

圖3 點(diǎn)云平面精度分布Fig.3 Accuracy distribution of point cloud plane

2.2.2 點(diǎn)云高程

點(diǎn)云提取高程點(diǎn)與野外檢測(cè)點(diǎn)較差分布見圖4。由圖4可知，點(diǎn)云高程較差呈正態(tài)分布，數(shù)學(xué)期望值接近零，點(diǎn)云高程無系統(tǒng)偏差。點(diǎn)云高程精度為-0.35～0.35 m，點(diǎn)云總體高程中誤差為±0.12 m。SL 197-2013《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定1∶500～1∶1 000比例尺高山地地形圖高程注記點(diǎn)允許中誤差為±1/3h(h為基本等高距)。按精度要求最嚴(yán)格的1∶500比例尺地形圖計(jì)算，高山地基本等高距為1 m，1∶500比例尺地形圖高程注記點(diǎn)允許中誤差為±0.33 m，由此可知，點(diǎn)云高程精度滿足規(guī)范要求。

圖4 點(diǎn)云高程差分布Fig.4 Difference of point cloud elevation correction

點(diǎn)云高程精度與地表覆蓋物、地形坡度相關(guān)。不同地表覆蓋類型點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)見表1。不同地形坡度點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 不同地表覆蓋類型點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)

表2 不同地形坡度點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)

由表1可知，不同地表覆蓋類型點(diǎn)云高程中誤差近乎相等，可見地表覆蓋類型對(duì)點(diǎn)云高程精度影響甚微。由表2可知，隨地形坡度增加，點(diǎn)云高程精度隨之降低，但降低幅度較低，精度均優(yōu)于±0.13 m。

3 結(jié) 論

利用機(jī)載LiDAR技術(shù)，進(jìn)行烏東德水電站庫區(qū)數(shù)據(jù)底板獲取技術(shù)應(yīng)用研究，構(gòu)建LiDAR生產(chǎn)4D產(chǎn)品工藝流程，得到結(jié)論如下。

(1) 對(duì)不同地表覆蓋類型、地形坡度產(chǎn)品進(jìn)行精度評(píng)定。DOM精度±0.04 m；點(diǎn)云平面、高程精度均優(yōu)于±0.15 m。數(shù)據(jù)精度滿足山區(qū)型水庫數(shù)據(jù)底板成果要求。

(2) 形成了航攝準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果生成的機(jī)載LiDAR技術(shù)生產(chǎn)4D產(chǎn)品作業(yè)流程，為山區(qū)型水庫數(shù)據(jù)底板獲取提供新的解決方案，對(duì)機(jī)載LiDAR生產(chǎn)作業(yè)具有參考價(jià)值。

(3) 機(jī)載LiDAR技術(shù)可快速準(zhǔn)確獲取地面點(diǎn)云、DOM數(shù)據(jù)，構(gòu)建地表模型，生成地形圖、斷面圖及三維可視化成果，豐富了成果表達(dá)，建立的水庫數(shù)據(jù)底板信息檔案為水庫綜合效能發(fā)揮提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(4) 采用機(jī)載LiDAR技術(shù)降低野外作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，提升外業(yè)工作效率，提高測(cè)量精度，適用于山區(qū)水庫數(shù)據(jù)底板獲取。