无人机机载LiDAR在沿海滩涂大比例尺地形测绘中的应用

郭春海，张英明，丁忠明

(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5000 km2，沿海滩涂多以淤泥质底质为主，坡度平缓，分布集中，物种丰富[1-3]。近年来，沿海大开发如火如荼地进行，在工程建设的各个阶段，都离不开大比例尺地形图的数据支持。特别是对于通过措施改变周边地貌环境的工程，工程结束后需通过定期的监测数据对比，评价工程实施后的效果。

白茆沙整治建筑物是南京市以下长江12.5 m深水航道建设工程的一个分部工程。该工程位于苏通大桥下游约12 km，距长江口35 km，地质组成主要以淤泥质的浅滩为主，具有典型的沿海滩涂特征。整个工程区域由白茆沙头部潜堤、白茆沙南堤、白茆沙北堤、南侧丁坝和北侧护堤丁坝组成，受建筑物对水流的影响，涨落潮时水情较为复杂，进行常规的水下地形测量具有较大的危险性。

本文在高潮位时进行常规的水下地形测绘的基础上采用无人机搭载数码相机和轻便型LiDAR对范围内的滩涂进行了数据采集，并绘制了大比例尺地形图。项目生产过程中的关键技术为：①按照滩涂的特点进行航线的参数计算和航线布设[4-5]；②以六旋翼无人机作为运载测量平台，将LiDAR、数码相机及控制单元进行有效集成，进而进行影像和高程数据的采集；③针对滩涂点云数据的特点，在开源软件CloudCompare(CC软件)的基础上进行二次开发，实现滩面数据的正确提取。

1 外业实施

本文项目的数据采集采用大疆M600 Pro六旋翼无人机飞行器作为测量运载平台，搭载北科天绘AP-3500 LiDAR系统(该系统将机载LiDAR测量系统和索尼微单相机高度集成，在采集激光点云数据的同时获取影像数据)进行点云数据、影像数据、POS数据等原始数据的采集，同时采用海星达H32 RTK进行人工验潮及部分特殊地区的高程采集，用来对获取的点云数据精度进行评价。按照合同和规范的要求，地面分辨率0.1 m，由于沿海潮间带的底质对激光的反射率较弱等原因，考虑到无人机的续航能力和潮位因素，航向重叠度为50%，旁向重叠度为80%[6-10]，采用编制的航摄参数计算软件计算得出外业飞行参数。综合其他因素本次作业设计飞行高度为120 m，共构架航线56条，进行了8个架次的飞行作业任务，航飞总长度20 km，像片总数约为270张。采集了人工无法到达的淤泥深陷地带数据，填补了测区数据采集的空白，实现滩涂地形全覆盖测绘，实际作业天数仅为1 d，相较于常规测量方法，大大缩短作业周期，最大限度上保留了地形图的现时性、时效性及专用性。外业测量情况如图1、图2所示。

2 数据整理

内业主要对航摄获取的原始数据进行POS解算等预处理、激光点云分类等后处理工作。

在Inertial Explorer中将基准站静态GPS数据，以及飞行设备的GNSS数据、IMU数据进行组合导航解算，得到航迹文件。解算完成后，查看处理精度报告，包括姿态、位置精度、IMU处理状态、姿态、位置分离等，确认无误后输出航迹文件[11-12]。

LiDAR数据的处理主要分为3步：原始数据格式转换、点云去噪分类和高程数据文件生成。3个步骤分别在PointProcess、CloudCompare软件中完成。LiDAR原始数据记录脉冲发射角度、脉冲发射与返回的时间、脉冲返回强度、回波的次数等信息，在PointProcess加载激光原始数据RXP文件及航迹文件，设置系统检校参数、坐标变换矩阵，根据激光点反射率及距离进行粗滤波过滤噪点，并将其转换为LAS点云通用格式。本文在此项目中为了确保点云精度，将扫描角度120°以外的角度进行滤波[14]。采用Terra Solid进行点云质量检查，主要检查以下几点：

(1) 点云数据是否覆盖整个测区。

(2) 航带之间是否有重叠(不小于50%)，是否有漏洞。

(3) 航带拼接误差是否满足后期处理需求(一般控制在0.5 m以内，大于0.5 m时，返回预处理重新解算)。

最终的点云数据成果如图3所示，影像数据采用Smart3D软件进行处理并最终制作正射影像图，本文不作详述，成果如图4所示。

沿海滩涂植被稀少且低矮，采用目前的主流点云数据处理软件提取滩面高程并不理想。为了快速有效地对点云数据进行分类，获取真实的滩面高程数据，本文项目在开源点云处理软件CloudCompare框架上进行了插件开发。程序处理的主要思想是对去噪后的点云数据分块，基于滩涂地形特点(局部范围内高程变化不大)对每一块数据设置阈值，提取阈值范围内的点作为高程点，数据前后比较如图5所示。本文项目参与检查的野外实测的高程检查点共39个，经检查，测区的高程中误差为0.057 m，精度指标均满足国家1∶1000比例尺航空摄影测量相关规范要求。

3 地形图编绘

在AutoCAD 2010平台上使用CASS10.1地形地籍成图软件，调用绘图数据文件，将数据文件中的每个点展在图上。经处理后的点云文件数据密集、高度冗余，将数据输入南方CASS后按照相应比例尺的要求进行了抽稀处理。手动勾绘等深线，等高距为1 m。利用成图系统将水下地形图和陆地地形图进行拼接，生成完整的符合要求的水陆地形图。图内各要素及地物符号严格按图式规定进行绘制编辑。绘制和编辑工作完成后，清除所有定义后未经引用的线型、块、层等，以使图形文件内存占用空间最小。提交的成果如图6—图8所示。

4 结 语

目前，采用无人机搭载轻便型LiDAR系统在国内的公路设计、输变电线路设计等领域均有诸多应用，使用载人航空LiDAR系统进行沿海滩涂、海岛礁的1∶10 000比例尺测图略有尝试，利用无人机搭载轻便型LiDAR系统进行大面积滩涂大比例尺测图还鲜有报道。本文项目尝试利用此技术在沿海滩涂进行大比例尺地形图测量，结果表明，无人机低空激光测量精度明显优于船载测量，测量互差超限的比例大大降低，特别是在测绘人员无法进入、适航水深条件不足的潮间带区域，本文方法更有效快捷。但是由于不同底质对激光的反射率不相同，在进行航线设计时需兼顾反射率低的区域(一般是退潮后含水量较高的沙体)，必要时加大旁向重叠度。再有对于大范围测区内局部的低洼地(如流槽等地貌)在低潮时仍有适量的水体存在，因此有必要对低洼地采用常规的测量方式进行数据获取。以上这些信息需相互补充，充分挖掘各自的优势，才能取得理想的效果。