无人机机载LiDAR的点云细节分析与特征提取

羌新春 张英明 秦 浩

（南通市江海测绘院有限公司，江苏 南通 226000）

江苏作为全国的海洋大省，海岸线长达954 km，滩涂面积达5 000 km2，坡度平缓，面积大、分布集中、区位条件好，是重要的后备土地资源。由于原有技术的限制和重视度不够，已有的沿海滩涂基础地理信息已经不能很好地满足社会经济建设的需要，传统的滩涂地形测绘基本都是通过人工跑滩结合RTK测量的方式进行，沿海滩涂多以淤泥质底质为主，且其露出范围受潮汐影响大，因此人工测量的作业效率低、安全风险大。随着电子技术和计算机软件技术的发展，无人机搭载激光LiDAR系统进行数据获取逐渐被电力、农业、环境、测绘等多个行业所广泛应用。

2018年7月，本文作者承担了江苏省测绘地理信息局的“无人机机载LiDAR在沿海滩涂地形测绘中的应用”科研项目，尝试利用LiDAR技术实现沿海滩涂地区的地形测绘，大幅度提高作业效率的同时获取高精度的基础地理信息成果。本研究项目正是基于以上背景，结合实际的项目生产，对无人机机载LiDAR在沿海滩涂地形测绘中的相关应用进行了更深入的探讨。

1 无人机机载激光雷达的组成

一款性能优异的无人机机载激光雷达系统，由高精度的激光测距仪、全球定位系统 （GNNS） 和惯性导航系统（IMU） 三种技术组成。激光测距仪是LiDAR的核心，主要利用激光的单色性好、方向性强、能量高、光速窄等特点，实现高精度的长度、目标距离等数据采集；全球定位系统（GNNS） 主要是利用GNNS的DGPS （载波相位差分GPS系统） 测量技术，通过后期的数据处理对位置进行修正，得到厘米级的位置信息；IMU获取的是机载LiDAR的姿态信息，即滚动、俯仰和航偏角，然后根据这些姿态信息与GNNS结合进行精密位移推算，并以此解算出物体的姿态。

2 项目的实施

长江南京以下12.5 m深水航道建设工程一期建设的内容就是对不满足12.5 m水深条件的通州沙、白茆沙进行防护和治理，其中白茆沙为水下暗沙，沙体滩面受由北向南的漫滩流冲刷，分布有多条串沟。滩面受潮汐影响较大，高程大致在-2.00～2.00 m （1985国家高程基准，下同） 之间，为典型的潮浸地带，淤泥较深，通过性困难，且大范围没有明显突出参照地物，部分区域只有在天文高潮位时才能实施水下地形测量且低潮位时人工无法跑滩，本项目尝试使用LiDAR技术进行数据获取。

机载激光雷达航测作业的生产环节，主要包括航飞权申请、航摄设计、航摄数据采集、数据预处理、激光数据分类、数字高程模型 （DEM） 制作、数字正射影像 （DOM） 制作、建筑物三维白模生产等环节。测区内的部分点云数据成果如图1所示。

图1 测区内的部分点云数据成果

3 LiDAR的点云细节分析与特征提取

按照传统的人工测绘方法只能获得宏观数据结果，但采用LiDAR系统技术可以避免植被阴影对周围物体测量造成的影响，而且得到的地表三维高精度点坐标十分密集，能够绘制出植被细节处，便于从微观角度分析项目结果。细节特征对比图如图2所示。

图2 细节特征对比图

从图2 （a） 、图2 （b） 可以看出，无人机机载LiDAR系统技术很大程度上弥补了滩涂地形中潮间带的测量空白，避免了由于受到各种因素作业船无法进到潮间带实施测量的问题，影像图肉眼可见的流槽宽度仅仅在0.2 m左右。将图2（c） 、图2 （d） 的低矮植被测量结果与其遥感影像图进行对比，可以看到，植被细节表现细致，通过LiDAR系统直接获取三维坐标，可以将滩涂的地物地貌完整的表示出来。细节特征局部放大图如图3所示。

图3 细节特征局部放大图

从图3 （a） 、图3 （b） 可以看出，无人机机载LiDAR采集的数据把抛石外侧的每一个细小石块都能完美地表现出来，进一步证明了无人机机载LiDAR技术可以用于常规的形体变形分析。

总之，利用LiDAR系统技术全面发挥了以往测绘在该类项目中的功能，细节展示更为明显，其微观成果精度更高，对深层次研究具有显著的推动作用，为准确分析数据提供依据。

4 结语

随着沿海大开发的战略发展，传统的滩涂地理信息数据获取已经不能满足工程建设的需要，无人机机载LiDAR应用于沿海滩涂地形测绘中的应用，能使应用传统测量技术产生的数据精度低和数据获取效率低的问题得到解决，从根本上改变了测量外业数据获取的方式。其含有反射物体颜色信息的海量点云数据，包含着地形地貌最基本的几何特性和纹理特征，对提取滩涂地形、地质等测绘领域有非常重要的使用价值。