基于机载LiDAR平台进行内河航道测量系统研究的可行性和必要性分析

徐文财

(黑龙江省航道事务中心，黑龙江 哈尔滨 150026)

1 项目研究的可行性

1.1 机载激光测深系统的优势

(1)机载激光测深技术的原理

如图1所示，机载激光测深技术的原理可表述为

图1 机载激光测深原理示意图

Rg=c△tk(θ)/2n

式中:Rg为水中激光的传播斜矩；△t为回波时间差；c表示光在空气中的传播速度；k(θ)为入射角θ的光径因子；n为水折射率，随水环境的具体情况(如温度、压强等因素)的变化而有所不同，可沿光路积分计算。为了简化计算，常不顾及海水深度与水质问题，直接采用n=1.341代替。通过平面及深度归算，求得各个激光测点的空间位置信息及其相对于某一深度基准面的深度值。

(2)测深优势

机载LiDAR测深的优点主要体现在以下几个方面。

①水测量能力较高。最大深度可达80 m，最小探测深度可达0.15 m，可实现船只无法到达水域的水深测量。在海水测验精度在15 cm之内，满足国际海道测量标准IHO S-44的测深精度要求。

②测深效率与水深无关。常规的多波束测深系统测幅一般为水深的7～8倍，而机载测深的测宽是固定的，仅与飞行高度及宽度比有关，在飞行高度为600 m的情况下，扫宽能够达到320 m。

③测量效率高，测点密度大，测量成本低。据统计，在浅水中机载LiDAR测深的成本仅为多波束的6%～10%；多波束系统每小时可以测量0.5 km2水域，而机载LiDAR测深系统可以完成8～12 km2的测量任务，且测点密度能够达到0.12 m×0.12 m(69 pts/m2)。

④可以高效地获得水上水下一体化地形数据。机载LiDAR测深通过近红外激光获得陆地及水面高程，蓝绿激光探测水底，大大提高了水上水下一体化地形无缝拼接的效率。

表1 机载LiDAR测深系统与船载声波测深系统优劣比较

机载LiDAR测深系统与声学测深相比，以航空平台为载体的激光测深技术具有用人少，全天候、灵活性强、成本低，效率高、适用范围广、采集数据类型多、人员设备安全性强等优势，因此具有较大的开发价值。目前全国交通、水利、农业、环保等行业拥有水上勘测设计、施工、管理的单位和部门上千家，水上要素用户更多，随着经济的发展，未来市场需求量会大增，市场前景看好。

1.2 可行性分析

目前，机载激光测深技术虽然在国内外已有研究并取得一定进展，但是主要是面对近海区域进行实验，由于受海洋气候和海水成分及海水压强等影响，有关参数和模型一直没有突破和完善，应用受到影响，更谈不到普及。而内河，一是水域环境没有海洋环境复杂，二是技术装备和技术理论较以前有较大突破，尤其是无人机、GPS(或北斗卫星定位导航系统)、高频激光技术、高清相机以及三维建模理论成熟等快速发展为本系统研发提供了理论和技术保障，三是机载激光测深系统从未在内河水深测量中进行过研究和应用，这一领域空白较大，前景看好。四是合作单位、专家和测绘工程技术人员储备充足，测量艇、测深仪、GPS、成图软件等试验检验设备齐全，五是有相关科研基金支持和自筹配套资金协助。

综上，进行该项目的研究是切实可行的。

2 项目研究的必要性

2.1 研究的目的

一是为了航道河床水深测量、公路桥梁勘测设计进行实际应用。二是进行内河水深测量技术性大变革，有望打破长期依赖以舰船等水面移动载体为平台的声学探测技术，实现航域水深数据无接触采集。三是提高航道测量生产效率，为数字航道建立提供技术支撑和服务保障。四是填补内河水域测量在该技术方面的国内空白。五是为相关工程问题的解决提供全新思路。

2.2 研究的主要内容及创新点

(1)研究的主要内容包括：

①利用机载激光测深系统进行水深与地形测量数据采集；②无人机航空摄影平台搭载高清摄像机进行航空摄影测量；③无人机搭载激光雷达进行过江电缆等跨河、临河建筑物的三维激光扫描及制图等。

(2)主要科技创新点包括：

①实施空地水一体化集成。利用无人机搭载集成激光扫描仪、POS定位定姿系统、高分辨率数码相机、嵌入式计算机于一体的系统设备，实施一键开启，自主采集和保存数据。可同时获取水深数据，地物地貌三维激光点云及真彩色影像，提供精确丰富的三维地理信息数据；②实现地类地物分类提取。利用专业软件将无人机获取的地物地貌三维激光点云数据按需求进行分类提取。可将水深、岸线，岛屿、跨河临河建筑物，航标、浮标等航道设施分类提取并表示在图纸上；③实现图形自由转换。利用软件的相应功能可实现二维图形和三维图形之间，三维可视化静态图形和动态图形之间的转换。

2.3 研究拟达到的技术水平及在国民经济发展中的作用

目前该项目在内河测深领域尚处于空白状态，研发技术水平拟定为国内领先，国际先进。随着项目在市场上的应用将极大的提高水上测量外业的生产效率，降低单位生产能耗，减少污染物的排放，减少水上作业安全事故的发生，对国民经济发展起到助推作用。

2.4 必要性分析

一是新时代发展的必然要求。新形势下科技创新发展已成为经济增长新高地，诸如5G无线网络上市、无人机广泛应用、新能源研发炙热等等高科技领域快速发展，绿色、环保、优质、高效已成为社会的主流趋势，高污染、高能耗、高成本，低效率等落后产能逐渐被淘汰，因此我们航道事业的发展也必须与时俱进，搭载科技高速发展的列车进行科技研发与投入，以推动航道事业创新性高质量发展。二是为我国交通水运高质量发展提供新动能。无人机载激光测深系统作为绿色环保创新型新技术，在交通水运基础设施建设和运营中能够发挥巨大作用。三是内河河流，尤其是内河封冻河流水深测量方式急需转变的必然要求。目前我国内河水域测量方式主要是船载超声测量方式，耗能高，效率低，受天气影响较大，可测水域受限，枯水期和浅水区测船难以到达。北方封冻河流开封江期间气温和水温较低，水上测量人员除克服寒冷气候带来的影响外，还要保证水上作业安全，因此不但增加了作业人员患职业病的风险，而且由于作业船舶荷载的加重，安全风险因素增加。而应用无人机载激光测深系统无需在水面作业，有效的克服了因上述因素带来的各种不足和安全风险。

综上，水深测量方式急需转变是行业发展的必然要求。

3 结 论

针对目前我国内河航道常规性水深测量方法数据采集时的效率低、强度大、成本高等问题，通过介绍了机载LiDAR测深原理、优势、设备，最大及最浅探测深度、测点密度及测深精度等关键技术指标，分析了国内航道测量技术急需更新换代和行业高质量发展的需要，基于机载LiDAR平台进行内河航道测量系统的研究是十分必要的、迫切的、可行的，并具有重要现实意义。