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摘要：為解決全站儀及RTK測量外業工作量大、測量工期長、特殊地形的局限性以及不利于勘測設計一體化問題，以及傳統航空攝影測量技術在水利勘測中無法獲取植被覆蓋下的地表三維信息和高程精度不易控制等問題，從無人機載lidar技術在水利行業中的應用現狀、機載LiDAR技術的特點及其優勢進行探討，并通過實例驗證了無人機載LiDAR機動性能好、環境適應能力強、精度可靠等優勢，其可應用于高精度DEM、大比例尺地形圖、橫斷面圖制作等，在提高效率的同時可降低成本。
關鍵詞：無人機載LiDAR；水利工程勘測；高精度DEM；大比例尺地形圖；橫斷面圖
無人機載激光雷達是在無人機航空平臺上，集成激光掃描系統、定位定姿系統（POS）、數碼相機和控制系統為一體的空間測量系統。該系統通過主動向地面發射激光脈沖來獲取多種地表信息（如點位信息、距離信息、地面反射物材質信息、回波次數等），可以獲取植被覆蓋下的地表高程信息，結合光學影像和準確的地表高程數據直接生成斷面圖、高精度數字高程模型（DEM）和數字線劃圖（DLG）等，可以為水利工程建設提供高精度的基礎測繪數據。新興的無人機載（簡稱機載）LiDAR技術解決了傳統攝影測量高程精度較差的問題，兩種技術優勢互補，將成為水利勘測的重要技術手段。
1機載LiDAR在水利行業應用現狀
機載LiDAR技術在水利行業中的應用領域有很多，起初大都是基于動態監測及災害管理，如海岸侵蝕監測、灘涂資源動態監測、山洪災害調查、洪水淹沒范圍調查、滑坡范圍圈定等［1］；隨著硬件設備的成熟和精度的提高，逐漸被應用于水利勘測中，為水利工程建設提供高精度的基礎測繪數據。國外機載LiDAR的應用起步較早，如Quaritsch及Adams等［2－3］采用該技術進行災害區域動態監測，Sturzenegger等［4］采用機載LiDAR數據對滑坡體進行不同尺度構造信息的提取，David等［5］將不同時期的激光點云濾波后生成DEM進而對河岸侵蝕進行評估。我國機載LiDAR技術起步較晚，近年來在水利行業的應用進行了有益嘗試，如：魏永強等［6］將激光雷達技術用于小流域暴雨山洪二維數值模擬研究，許寶華等［7］將該技術應用于潮間帶測量中（取得了優于10cm的地形高程測量精度），蔣金虎等［8］采用機載LiDAR制作DEM、DSM、DOM等基礎測繪產品進而為小浪底水利樞紐三維地理信息系統的開發提供基礎地理數據。
2機載LiDAR在水利勘測中應用的優勢
2.1水利勘測工作的特點
水利勘測工作一般具有如下特點；①測區范圍大，水庫庫區面積為幾十甚至上百平方千米；②測區形狀多為條帶狀，河道測區長度為幾十千米，而寬度僅為幾百米；③對測量精度要求高，通常情況下，可研階段需要比例尺為1∶2000的測量成果，施工時需要比例尺為1∶1000的測量成果，重點建筑物區域需要比例尺為1∶500的測量成果；④山區高差大，部分地區高差為數百米甚至上千米；⑤植被茂密，由于水利工程周邊一般溫度適宜、降水豐富而且人跡罕至，因此各類植被生長茂密，原始森林面積大；⑥人口稀少、交通不便，許多水利工程位置偏僻、遠離公路。
2.2機載LiDAR技術優勢
機載LiDAR是一種主動式對地觀測技術，具有自動化程度高、受天氣影響小、數據生產周期短、精度高等特點，在水利行業各領域（水資源、地質、移民、環境保護、水工、施工等）中都具有很大優勢。（1）受天氣影響小。機載LiDAR作為一種主動式的遙感技術，有不受天氣、光照等條件制約的優勢，在相對惡劣復雜的環境中依然能夠獲取高精度的地面空間信息。（2）獲取空間信息的速度快、效率高、作業安全。能在短時間內獲取大范圍地表三維空間信息，減少外業工作量，提高效率，同時解決危險區域測繪人員不能到達及不安全問題，使得作業的安全性得以保障。（3）有一定的穿透性。機載LiDAR發射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力，且有多次回波，能得到植被信息及地表三維信息，在植被茂盛的丘陵山地優勢明顯。（4）測量精度高。激光點云數據精度可達0.05～0.15m，尤其是高程數據準確性高，能滿足1∶500地形圖的要求。（5）產品多樣化。機載LiDAR能同時獲取點云和數碼影像，經處理后可提供豐富的產品，包括高密度點云、斷面、高精度數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）、數字線劃圖（DLG）以及數字地表模型（DSM）等，這些產品除了用于水利勘測設計外，對數字水利和水利BIM等信息化建設也具有強大優勢。
3應用實例
3.1測區概況及數據采集
測區位于河南省信陽市固始縣，該縣南依大別山、北臨淮河，屬華東與中原交融地帶。測區為淮河南岸一級支流史灌河下游懸河段堤防工程，測區寬400m，總長21km，地貌分區處于淮河沖積平原，河道兩岸地形復雜，植被茂密。試驗采用的激光雷達系統型號為QLiDAR－H1350H1C，搭載在云影C200垂直起降固定翼無人機飛行平臺上。該系統集成了RIEGL＿VUX－1LR激光器，有效測距為1350m、測距精度1.5cm、最多能接收5次回波。集成天寶APX20慣導系統，該慣導系統俯仰角／橫滾角精度為0.006°、航向角精度為0.02°、采樣頻率達200Hz。相機采用索尼A7RⅡ全畫幅相機，鏡頭焦距為35mm，像元尺寸為4.5μm，像幅7952×5304（約4200萬像素）。機載LiDAR航測技術指標見表1。數據采集應嚴格按設計參數執行，選擇在晴天、風速小、無低云天氣飛行。無人機起飛前對安裝好的儀器設備進行檢查和調試，保證機載GNSS接收機能夠接收到7顆以上衛星，查看飛行參數、激光脈沖發射頻率和相機系統等是否正常；飛行過程中密切關注飛機姿態、天氣變化以保證數據質量和飛行安全；飛行結束后，現場進行軌跡解算和點云數據解析，并對數據質量進行檢查，若存在數據漏洞或質量不合格區域則及時補飛或重飛。
3.2原始數據處理及應用
對機載LiDAR航測原始數據，通過點云分類、航片空三加密、立測采集、正射糾正等處理，可用于高精度DEM、大比例尺地形圖、斷面圖、DOM等的制作，以滿足水利工程規劃、設計、施工等各階段的需求。
3.2.1高精度DEM制作
經數據預處理后的點云數據，雖然其精度、航帶間匹配參數等均滿足技術設計要求，但是由于點云本身并不具有它所表達地物的屬性信息，因此要獲取所表達地物的屬性，須對點云進行分類處理。通過分類，確定表達地面真實形態的地面點云，再由地面點云生成高精度數字高程模型（DEM）。為校核采用機載LiDAR點云制作DEM的精度，外業采用網絡RTK在測區均勻采集50個高程檢查點，檢查點DEM的高程插值最小誤差－0.08m、最大誤差0.12m、均方根誤差0.05m、標準差0.04m，總體誤差較小，能夠滿足大多數水利工程設計對DEM的精度要求。
3.2.2橫斷面提取
為解決采用傳統全站儀、RTK方法進行斷面測量時工作量大、效率低、不能獲取植被覆蓋區域地面高程的不足，筆者提出一種基于TIN模型自動提取初始斷面后，返回立體測圖模型中進行粗差剔除的高精度斷面半自動生成方法。該方法的基本流程為：首先，在對點云進行背景剝離獲取地面點云后，對點云進行人工精編，獲得高精度的地面點云；其次，采用具有保持地形特征點的不規則三角網模型（TIN）進行地形建模，通過三角網插值提取初始橫斷面圖，批量提取的斷面點能大部分貼合實際斷面，但是在有些關鍵點比如坡頂、坡底不是十分精確；最后，為解決工程上對斷面的高精度要求，將初始提取的斷面線返回立體測圖模型中進行粗差剔除，在立體模型上補充漏掉的點、剔除多余的點，從而得到高精度的橫斷面圖，圖1為提取的史灌河堤防某斷面圖。
3.2.3大比例尺地形圖制作
大比例尺地形圖制作方法：首先在立體模型上進行地物采集和高程點位置標繪，然后利用高精度DEM數據對高程點的高程值進行替換，最后將高程點導入立體模型逐一檢查，保證大比例尺地形圖中高程值的準確性。該制圖方法避免了激光點云錯誤分類導致粗差的產生，同時，充分發揮了攝影測量平面精度高和激光點云高程精度高的優勢。圖2為DLG疊加DOM成果圖。
4結語
機載LiDAR系統數據產品豐富、自動化程度高、獲取數據精度高、生產周期短，可穿透植被獲取地表高程信息，其優勢是其他測量手段無法比擬的，可應用于高精度DEM、地形圖、橫斷面圖制作等，在提高效率的同時可降低成本。隨著水利勘測設計行業的信息化、智慧化水平不斷提高，機載LiDAR系統提供的多元數據產品已在水利行業的諸多領域得到很好的應用，機載LiDAR系統必將在水利行業得到更加廣泛的應用。
作者：楊玉棟 裴書玉 單位：河南省水利勘測有限公司
