机载激光雷达在金沙江下游河道地形及断面测量中的应用

刘少聪 石光 陈细润

摘要：为解决水沙监测工作效率低、施测难度较大等问题，根据金沙江下游河道地形特点、水文泥沙观测精度要求，选择典型河段进行机载三维激光扫描技术和传统测绘技术手段地形测绘，对两种技术手段采集的成果数据进行精度统计、分析与评价。结果表明：在金沙江下游河道地形及断面测量中，机载激光雷达技术的平面精度和高程精度均能满足相关规范要求，可应用于金沙江下游梯级水电站地形和断面数据采集;但对植被密集树林地区，仍需要采用传统测绘技术方法进行补测。

关键词：机载激光雷达;河道地形;断面测量;水文泥沙监测;金沙江

中图法分类号：P332

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2020.05.002

1 研究背景

金沙江下游梯级水电站水文泥沙观测项目施测战线长，地形陡峭导致交通与食宿不便和作业环境复杂，历年监测多采用传统的光学仪器、GNSS等进行测绘作业，存在工作效率低、实施难度较大、机动性差、仪器设备安全和技术人员人身安全無法得到保障等诸多缺陷。

机载激光雷达（IIDAR）是集激光测距技术、差分定位技术（GPS）、计算机技术、惯性测量技术（IMU）于一体的空间测量系统[1]，包括激光发射和接受系统。激光器发射光脉冲，打到被测物体上并反射，被接收器接受，接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间，再转换为对距离的测量。结合激光器的高度和激光扫描角度，根据从GPS得到的激光器位置和从惯导仪器中得到的激光始发方向，就能准确计算出每一个地面光斑的坐标（X、Y、Z）。LIDAR传感器发射的激光脉冲能部分穿透树林遮挡，直接获取高精度三维地表地形数据。经过相关软件数据处理后，LIDAR数据可以生成高精度的数字地面模型、等高线等，应用于大范围的复杂地形的生产周期短、精度高、成本低、效率高，具有传统摄影测量和地面常规测量技术无法取代的优越性[2-3]。金沙江下游梯级水电站水文泥沙观测项目是通过河道断面法和地形法来监测水文泥沙冲淤，而金沙江下游河道陆上地形地貌较为简单，植被较为稀少，适合采用机载三维激光扫描技术进行陆上区域的地形测绘。

2 LIDAR在河道地形及断面测量中的应用

根据金沙江下游山区河道的地形地貌特点，同时考虑覆盖支流及汇合口、城区人工设施以及飞行困难度等，最终选取乌东德库区中上段，金沙江与龙川江汇合口干支流河段为试验区。该河段极具代表性，涵盖了金沙江下游山区河道陆上区域绝大部分地形地貌特征。干流为V形陡峭地形，支流汇合口为平坦U形河段;地物较为丰富，人工构筑物包括房屋、道路、台阶、梯坎、电力线等，自然地貌主要为耕地、草地、树林地、边滩等，地形类别包括高山区、平地等。图1为项目区地形地貌、植被分布图。

2.1 测量所需仪器设备

根据金沙江下游测区河道的地形地貌特点、项目任务需求，主要投入的仪器设备见表1。

2.2 项目实施

2.2.1机载激光雷达测量[4]

在金沙江乌东德库区（龙街段）流域，按照作业要求于2019年7月22日下午天气晴朗的条件下，利用八旋翼无人机搭载激光雷达扫描系统平台（搭载单镜头相机）飞行了2个架次，每个架次完成了4条航线的飞行任务。航摄时飞行参数见表2，航摄完成后，现场立即对数据进行预处理和质量检查，以确保数据可用。根据精度要求在试验区域内利用RTK采集了正射影像所需的65个像控点及检查点。

2.2.2 传统测量

根据试验区域的地形特点，在平地、高山区域采用不同的传统测量方式进行测量，具体情况见表3。在金沙江、龙川江完成了6个断面数据的施测。

2.3 精度要求

项目对采用传统测量方式（全站仪与RTK测量）与机载激光雷达扫描技术获取的数据进行比较，并计算中误差;对该河段区域中固定地物进行平面精度统计，按不同植被对平地、高山区域分别进行高程精度统计。比测内容包括地物特征点，地形图高程注记点、断面面积差等。

根据SL257-2017《水道观测规范》，比较分析表4列出的各类误差精度要求。

3 LIDAR测量成果与常规测量成果比较

3.1 特征点比测

3.1.1 正射影像特征点比测

利用正射影像图DOM中提取特征点[5]，与RTK测点进行坐标较差比较，见图2。

高精度检测中误差计算公式为式中，M为中误差值;△为影像坐标与RTK实测点坐标较差;n为点的个数;i为1，2，3，……。

采用随机法，选取正射影像特征点数据与RTK实测点比测，共选取115个点，较差数值分布见图3。较差绝对值分布见表5。精度统计见表6。

表5中X、Y方向误差均小于0.1 m;表6中水平方向5最大值为0.085 m，最小值为0.015 m，均在±1.5 m范围内，满足SL 257-2017《水道观测规范》要求。

3.1.2 点云特征点数据比测

从点云中提取特征点数据与RTK测点进行坐标较差比较，采用随机法共选取86个点，较差数值分布见图4。较差绝对值分布见表7。精度统计见表8。

表7中点云数据X、Y方向误差均小于0.4 m;表8中水平方向S最大值为0.42 m，最小值为0.001 m，均在+1.5 m范围内，满足SL 257-2017《水道观测规范》要求。

3.2 地形图高程注记点比测

比测河段按地形类型分为平地（坡度为2°）和高山地（坡度为50°），按植被类型可分为滩地、耕地、草地和树林地。在考虑地形类型和植被类型因素前提下，进行高程注记点与高程中误差统计。

3.2.1 高程注记点比测

（1）平地边滩区域。将全站仪或RTK实测数据与点云数据中同一位置（或最近点）进行比较，将二者较差进行高程注记点的高程中误差统计，详见图5，青色的为实测点，红色的为点云中提取点。 该区域机载三维激光高程注记随机选取142点，较差分布见图6。较差绝对值分布见表9。精度统计见表10。

表9中点云数据高程误差均小于0.4 m，表10中高程误差最大值为0.307 m，最小值为-0.303 m，均在+0.33 m范围内，满足《水道观测规范》要求。

（2）平地耕地区域。该区域机载三维激光高程注记随机选取501点，较差分布见图7。较差绝对值分布见表11。精度统计见表12。

表11中点云数据高程误差均小于0.3 m;表12中高程误差最大值为0.265 m，最小值为-0.266 m，均在+0.33 m范围内，满足《水道观测规范》要求。

（3）高山草地区域。该区域机载三维激光高程注记随机选取681点，较差分布见图8。較差绝对值分布见表13。精度统计见表14。

表13中点云数据高程误差均小于0.4 m，表14中高程误差最大值为0.328 m，最小值为-0.311 m，均在+0.33 m范围内，满足《水道观测规范》要求。

（4）高山树林地区域。该区域机载三维激光高程注记随机选取437点，较差分布见图9。较差绝对值分布见表15。精度统计见表16。

表15中点云数据高程误差均小于0.4 m，表16中高程误差最大值为0.320 m，最小值为-0.320 m，均在+0.33 m范围内，满足《水道观测规范》要求。

3.3 断面图面积差

利用试验河段机载三维激光点云数据进行断面截取与全站仪、RTK实测固定断面数据进行面积差比较。断面布设如图10所示，利用EPS点云模块在二维窗口上直接提取计划线上的点云数据，详见图11。

综合各地形地貌共选取6个断面进行比测，各断面相对面积差如表17所示。表17中断面面积差均小于2%，满足《水道观测规范》要求。

3.4 体积比较

将传统数据与点云数据分别导入Arcgis软件，计算参考面960 m时两种测量方式下相同范围内的体积值，统计表见表18。利用相对体积差计算精度，体积差精度为0.3%。

利用Arcgis软件将传统数据与点云数据分别生成数字高程模型（DEM），制作两种数据下DEM差值分布图即冲淤分布图，见图12。

4 结论

（1）经精度分析与评定，机载三维激光扫描技术比测平面精度在0.42 m以内，优于《水道观测规范》要求的1.5 m;比测高程精度均在0.32 m以内，优于《水道观测规范》要求的+0.33 m;平面和高程均满足河道地形测量有关规范要求，满足金沙江下游梯级水电站水文泥沙监测项目任务的相关技术要求。该技术可以应用于金沙江下游梯级水电站地形和断面数据采集中，但对植被密集树林地区仍需要采用传统测绘技术方法进行补测。

（2）机载三维激光扫描技术在平地区域比测精度优于高山区域精度，坡度越大机载激光雷达测量误差越大。

参考文献：

[1] 王玲玲.载激光雷达技术在山区高速公路勘测设计中的应用[J].公路交通科技，2010（7）：115-117.

[2] 隋立春.LIDAR遥感基本原理及其发展[J].测绘科学技术学报，2006，23（2）：128-129.

[3]郑金水.LIDAR技术及其应用[J]科技信息，2007（6）： 28.

[4] 许小芳.载激光雷达技术在高速公路勘测设计中的应用[J].道路桥梁，2014（3）：603-604.

[5]杨海全，余洁，秦昆，等，基于LIDAR数据地物提取研究[J].测绘通报，2006（12）：9-10.

（编辑：唐湘茜）

作者简介：刘少聪，男，工程师，主要从事河道勘测工作。E-mail： 510595509@qq.com