機(jī)載LiDAR在山區(qū)水庫劃界應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)分析

于 強(qiáng)，文 彬

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003）

1 總體技術(shù)路線

針對(duì)山區(qū)水庫地形條件復(fù)雜特點(diǎn)，利用無人機(jī)主被動(dòng)遙感技術(shù)，獲取測區(qū)高分辨率光學(xué)影像及激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)充分利用正射影像的豐富光譜信息和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度三維坐標(biāo)信息，制作高精度DEM，基于DEM 和DOM 實(shí)現(xiàn)水庫的管理范圍與保護(hù)范圍精確劃定。總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 機(jī)載LiDAR水庫劃界技術(shù)流程圖

2 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 儀器檢校

2.1.1 相機(jī)檢校

目前無人機(jī)遙感系統(tǒng)使用多數(shù)為非量測數(shù)碼相機(jī)，非量測數(shù)碼機(jī)的內(nèi)方位元素和畸變系數(shù)未知，且不夠穩(wěn)定，不能直接進(jìn)行像位的解析計(jì)算，因此在使用前需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的檢校。所采用的相機(jī)幾何成像模型和畸變校正模型如公式（1）所示：

2.1.2 LiDAR掃描儀檢校

①讀入檢校場激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。②選取各條帶間的同名點(diǎn)，反復(fù)計(jì)算視準(zhǔn)軸偏差值Roll、Pitch 和Heading，生成新LAS 文件并檢查，滿足精度后輸出reg 格式檢校文件。③利用視準(zhǔn)軸檢校修正后的參數(shù)重新計(jì)算激光點(diǎn)云LAS 文件。④利用實(shí)測的激光控制點(diǎn)計(jì)算Range Offset 值，進(jìn)行距離檢校。⑤距離檢校完成后，進(jìn)行Torsion 與Pitch error slope 檢校。⑥整個(gè)測區(qū)，據(jù)實(shí)地檢測高程點(diǎn)進(jìn)行Elevation offset 修正。⑦計(jì)算最終激光點(diǎn)數(shù)據(jù)的絕對(duì)高程誤差。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

①點(diǎn)云航線解算。利用無人機(jī)獲取的地面基站GPS 和無人機(jī)載GPS數(shù)據(jù)融合差分解算，從而確定飛行軌跡，為后續(xù)航帶的拼接、精度檢查提供數(shù)據(jù)支持。②點(diǎn)云誤差剔除。激光點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)中存在異常點(diǎn)，即遠(yuǎn)大于飛行高度或測距值很小的異常數(shù)據(jù)，需要剔除。③激光點(diǎn)云的坐標(biāo)解算。通過對(duì)無人機(jī)GPS軌跡數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)，以及激光掃描鏡的側(cè)擺角度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，計(jì)算出各激光點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)。④坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。POS定位系統(tǒng)所提供的位置為WGS-84坐標(biāo)系，需要利用七參數(shù)轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系。⑤航帶接邊。利用無人機(jī)同步獲取的高分辨率影像可以消除航帶系統(tǒng)誤差，提高航帶相鄰區(qū)域數(shù)據(jù)的精度，滿足相鄰航帶地物間的連貫性。⑥數(shù)據(jù)濾波。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含屬于不同對(duì)象的點(diǎn)，需要通過濾波處理把地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)區(qū)分出來。⑦點(diǎn)云內(nèi)插。點(diǎn)云經(jīng)濾波處理后，在激光雷達(dá)未獲取到數(shù)據(jù)的位置，如建筑物底部，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)云缺失問題。因此，可以將對(duì)應(yīng)位置地面點(diǎn)的高程作為該位置的高程，從而建立完整的數(shù)字高程模型。

2.3 正射影像修正

由于航空影像中高架橋等產(chǎn)生的投影差較大，按上述生成的DEM 仍存在較大誤差，導(dǎo)致鑲嵌后的正射影像中存在明顯的幾何結(jié)構(gòu)錯(cuò)位問題，影響正射影像圖精度。針對(duì)上述問題，采用了一種基于OESM（Orthoimage Elevation Synchronous Model）模型的高分辨率航空影像鑲嵌修正方法，對(duì)制作出的DOM修正，使其符合成圖精度要求。

OESM是利用數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型及正射影像對(duì)應(yīng)的外方位元素，根據(jù)共線條件方程解算出與當(dāng)前正射影像同步的可量測高程模型。利用OESM模型，根據(jù)測區(qū)內(nèi)主要高大建筑物類型特點(diǎn)，標(biāo)識(shí)出正射影像中高架橋等地物，檢測一條完全避開高大建筑物的路徑，完成正射影像的鑲嵌修正。

2.4 高精度DEM制作

2.4.1 基于光譜特性的點(diǎn)云優(yōu)化濾波方法

激光雷達(dá)點(diǎn)云包含精確的坐標(biāo)信息，無人機(jī)影像包含豐富的紋理信息，將兩者轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云與影像的快速融合。對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的一點(diǎn)V，假設(shè)其平面坐標(biāo)為（xV，yV），則點(diǎn)V在影像中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)可以根據(jù)下式計(jì)算得到：

激光雷達(dá)點(diǎn)云密度較小，得到點(diǎn)云在影像中對(duì)應(yīng)的平面位置后，可將該位置點(diǎn)的光譜信息賦予點(diǎn)云，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)既具有高精度的三維坐標(biāo)信息，又包含地物的光譜特征信息，從而提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可讀性，確保后續(xù)點(diǎn)云分類準(zhǔn)確性。

獲取到包含RGB光譜信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，依據(jù)公式（3）計(jì)算該點(diǎn)的歸一化植被指數(shù)nEGI，從而區(qū)分植被點(diǎn)與非植被點(diǎn)。點(diǎn)云經(jīng)過歸一化處理后，會(huì)增強(qiáng)植被點(diǎn)的信息，根據(jù)測區(qū)實(shí)際情況，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置nEGI 閾值為0.2，大于0.2 的為植被點(diǎn)，小于或等于0.2的則為地面點(diǎn)。

式（3）中：R、G、B分別表示每個(gè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)波段光譜值。

2.4.2 高精度DEM構(gòu)建基于光譜特性信息濾波得到的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插構(gòu)建三角網(wǎng)，格網(wǎng)間距0.50 m，柵格化獲取高精度數(shù)字高程模型。

3 水庫劃界應(yīng)用

（1）水庫管理范圍與保護(hù)范圍線劃定。水庫庫區(qū)管理范圍按照遷賠高程劃定，保護(hù)范圍按照校核洪水位高程劃定，利用制作的DEM 提取管理范圍高程線和保護(hù)范圍高程線，劃定出水庫庫區(qū)管理與保護(hù)范圍。（2）工程管理區(qū)管理與保護(hù)范圍線劃定。管理范圍以實(shí)際管理邊界為準(zhǔn)，實(shí)地采集劃定，保護(hù)范圍線不再單獨(dú)劃定。（3）特殊情況下的管理與保護(hù)范圍線劃定。①針對(duì)庫區(qū)局部闊葉林茂密區(qū)域因激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)量少導(dǎo)致精度不滿足劃界要求問題，采用GPS-RTK 配合全站儀進(jìn)行高程值放樣獲取管理與保護(hù)范圍線上各點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。②需按平面位置劃定管理與保護(hù)范圍的區(qū)域，按劃界標(biāo)準(zhǔn)和原則確定。③實(shí)際管理范圍大于按標(biāo)準(zhǔn)劃定的管理范圍時(shí)，按實(shí)際管理范圍劃定。對(duì)于已經(jīng)劃定的管理范圍、保護(hù)范圍大于上述標(biāo)準(zhǔn)的，不再進(jìn)行變更；小于上述標(biāo)準(zhǔn)的，按以上標(biāo)準(zhǔn)重新劃定。

4 結(jié)語

利用機(jī)載LiDAR 進(jìn)行水庫劃界的方法，充分利用正射影像豐富的光譜信息和點(diǎn)云數(shù)據(jù)高精度三維坐標(biāo)信息，制作高精度DEM，實(shí)現(xiàn)五個(gè)水庫的管理范圍與保護(hù)范圍精確劃定，發(fā)揮了低空無人機(jī)遙感技術(shù)高精度、高效率優(yōu)勢。