小型机载激光雷达技术在水运勘察设计的应用

黄湘

摘要：文章从水运工程勘察设计的需求和工程实际应用出发，结合小型机载激光雷达技术在广西水运勘察设计中的应用优势，分析了小型机载激光雷达技术在水运勘察设计中的应用可能性，其成果可有效地应用于传统水运工程设计及BIM正向设计工作，提高了水运工程建设的质量、经济效益。

关键词：无人机;机载激光雷达技术;水运勘察设计

中国分类号：U612文献标识码：A

0 引言

激光雷达技术是当今测绘业先进的遥感测量手段，是利用激光技术探测地质环境信息的传感器的统称。与传统类雷达不同，激光雷达是以激光作为载波，能够快速、高精度地获取空间三维坐标和影像数据采集，主要应用在智能汽车、无人机、测绘、机器人等领域。该技术在采集地表数据方面具有传统测绘和航空摄影测量无法比拟的优势，主要体现在：

（1）精度高。激光雷达波长频率比普通雷达微波至少高2～3个数量级，能够在分子量级上对目标进行探测，有很高的分辨率。

（2）抗干扰能力强。激光不受布线电波干扰，而且激光束非常小，多路径效应小，能够探测低空目标。

（3）体积小、质量轻。传统微波雷达体积大、重量重，不易运输和维修，而激光雷达不仅结构简单，而且体积小、重量轻，便于维修和携带。

目前激光雷达常用的测距技术有三种，分別是激光飞行时间法、调频连续波法和三角法。其中激光飞行时间法是通过光脉冲在雷达与目标间的飞行时间算出距离，适用于长距离探测;调频连续波法是通过光的波动变化和发射、接收光谱的频率差异得出距离;三角法是通过几何三角定理计算光斑位移，适合于短距离测量。

1 小型机载激光雷达技术在广西水运勘察设计中的应用优势

水运勘察设计的港口码头、枢纽项目多为点状的工程区域，且广西大部分地区都是多山地貌，地形起伏较大，植被茂盛，由于GPS信号被遮挡、人员无法到达或全站仪无法通视等原因难以采集到所有地形特征点，传统的航空摄影测量又无法穿透植被采集到地面点的数据，外业数据采集难度较大。小型机载激光设备机动灵活，可以穿过植被间隙获取树冠、树枝、地面精确的三维坐标数据。

1.1 地理空间数据采集的优势

小型机载激光雷达系统具有精度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻的特点，不仅能够获得精准的测量数据，同时操作简单，便于携带，符合复杂地形测绘的需要。

1.2 BIM正向设计的应用优势

三维地形数据是BIM正向设计中必不可少的基础数据，机载激光雷达测量技术能有效克服植被影响，获取工程所需的DLG（数字线画图）、DEM（数字高程模型）及三维激光点云等基础地理信息数据，满足传统水运工程设计及BIM正向设计需要。

2 系统原理及技术路线

机载激光雷达技术是利用激光飞行时间法进行水运勘察的雷达技术，通过测得激光在目标与传感器之间的飞行时间，再结合飞行器的运行线路及速度信息，就能够精准地算出目标与传感器之间的间距，进而通过转换，得到直观的三维数据。机载激光雷达系统主要由GPS系统（包括机载GPS和地面基站GPS）、INS系统（惯性测量系统）、激光扫描测距系统、成像系统和飞行系统构成。其具体技术路线如图1所示。

3 工程应用

本研究以左江山秀船闸扩能工程为依托项目。山秀电站工程区域地形复杂，山高路险，植被茂盛，河道两岸的石头山十分陡峭，山峰山谷最大落差达300 m，而要获取满足初步设计、施工图设计需求的1：500、1：1 000测图比例地形数据，采用传统的全站仪测量或爬上去利用GPS-RTK采集几乎不可能实现，不仅效率低，而且测量人员安全也得不到保障。为了克服困难，项目组采用小型机载激光雷达技术进行测量。在进行现场勘察后，根据山区地形特点制定详细的航飞方案，利用大疆M600搭载SZT-R250三维激光移动测量系统进行地面数据采集。

3.1 航飞设计

3.1.1 地面基站

为了保证水运勘察数据的准确性，需要在飞行区域内安置一定数量的GPS基站，同时安置机载GPS，根据差分GPS技术要求，GPS基站与机载GPS距离应≤30 km。本项目工程测图测区为山秀水电站上游2.4 km至下游1.9 km，总面积约6.0 km2，在枢纽坝上布设1个基站即可满足要求。站点原则：架设在GPS D级控制点上;基站设备：中海达iRTK 5 X双频GPS设备，续航能力8 h以上;观测要求：GPS接收机数据采样间隔0.5 s，最小卫星数4颗，卫星截止高度角5°，量取GPS天线高，填写观测手簿等相关资料。

3.1.2 航线规划

按照作业要求，规划检校航线、数据采集航线，包括航带间重叠度、飞行高度、飞行速度、扫描仪扫描频率、扫描仪覆盖范围等的规划。具体的航线可以根据工程区域KML、DEM高程进行初步规划，在进行现场勘察后，由地表情况进行飞行高度、飞行速度等的进一步调整，以保证数据采集作业的安全性与有效性。

3.2 数据处理

数据处理包括数据预处理、点云数据处理和正射影像制作。预处理包括解算原始点云数据和原始影像两部分，将算好的轨迹数据（.POS）和扫描仪数据（.RXP）导入PointProcess进行点云数据融合，得到平行器精准的三维坐标。点云数据处理可以采用不规则三角网法，输入外业航飞记录参数，根据激光点反射率及距离进行粗滤波来过滤噪点，得到高精度位置信息的点云数据（.LAS），对点云数据进行地面点和非地面点分类，快速自动分离出精细的地面点。正射影像制作可以得到精准的影像，利用摄影测量系统参考点云数据，进行正射纠正和影像的无缝镶嵌。

3.3 精度分析

为评定无人机机载激光测量点云数据的准确性，测量项目组采用常规的GPS-RTK、全站仪在工程区域采集了5 844个地形点，这些地形点涵盖平坦的耕地、山秀大坝、建筑物、山上裸露石头及悬崖峭壁地形特征点等。

对点云数据进行分类处理后，除去非地面点后，获取了约104万个点云数据，与常规GPS-RTK、全站仪采集地形点数据进行比对分析，结果显示绝大部分地形点的精度符合1：500测图精度，高程中误差为12.6 cm。其中，有330个地形点的高程误差超过40 cm，主要集中在悬崖峭壁、房屋角顶以及陡坎处，还有一部分应该是植被完全覆盖区域，机载激光雷达无法通过缝隙穿透植被，或者被植被下方的水吸收后没有采集到数据，在拟合过程中产生的误差。

3.4 在水运勘察设计中的应用

利用小型机载激光雷达技术快速高效获取的三维地理信息数据，可用于研究工程区域的宏观地理环境，供各种空间查询及空间分析。通过精细化的三维实景模型及地形模型、高精度的DLG、高分辨率的DOM等多源数据相结合，可为水运工程从规划、设计、施工到运营各阶段提供可视化展示、管理、决策支持等基础数据，有效降低工程项目各阶段的数据生产、沟通成本，提高数据精度和工作效率，为BIM技术在工程全生命周期应用的各阶段提供良好的数据支持。

4 结语

小型机载激光雷达技术在水运勘察设计工作中应用前景广阔，不仅精准度高，而且抗干扰能力强，体积小，重量轻，便于携带和维修，能弥补传统水运勘察设计工作中的缺陷，有关单位应不断扩展、深化机载激光雷达技术在水运勘察设计中的应用，构建全要素三维场景模型，为BIM三维协同设计提供精细化的基础地理信息，实现两种新技术的优势互补，形成GIS+BIM的解决方案。

参考文献：

[1]徐祖舰，王滋政，阳 峰.机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉：武汉大学出版社，2009.

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[4]闻 平，王 冲，吴小东，等.水利水电工程设计中BIM与三维GIS集成技术研究[C].第二届全国岩土工程BIM技术研讨会论文集，2017.