机载激光雷达扫描航测系统在中小河流流域治理中的应用

张效锋

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230022）

无人机平台具有无需专门起降场、作业灵活、转场方便和成本较低的特点，已经广泛应用于各行各业中，其中水利行业基础测绘也是应用场景之一。本文主要结合流域治理项目引入了机载激光雷达扫描航测系统，机载激光雷达扫描航测系统属于集惯性导航、全球定位以及传感器等功能于一体的空间测量系统。该系统主要是在飞机中搭载控制单元、数码相机、惯性导航系统、GPS 接收机以及激光扫描仪等装置，单架次航摄可同时获取影像数据和点云数据，从而为外业获取基础测绘数据提供了快速、高效、准确的技术手段。

1 机载激光雷达扫描航测系统

1.1 飞行平台

机载激光雷达扫描航测系统主要为搭载双传感器同时作业的手段进行外业航测，因此对飞行平台的荷载、速度、航程都要有严格的要求，保证航测系统的安全稳定性、高效准确性。本文引用的机载激光雷达扫描航测系统的飞行平台为云影X5 系列垂起复合翼飞行平台，飞行平台的相关参数见表1。

表1 飞行平台主要参数表

1.2 双传感器航测技术

机载激光雷达扫描航测系统主要是同时搭载激光扫描仪和相机传感技术来完成外业基础测绘数据的高效获取，避免了同一测区反复航测带来的风险高、效率低、成本高等不利影响。机载激光雷达扫描航测系统同时搭载双传感器进行数据采集，双传感器主要包括激光扫描仪和工业级飞思相机，可同时获取植被覆盖下的地表点云数据与正射影像数据。其中激光扫描仪采用的是国内外顶级品牌RIGEL，测距可达920m，测距精度毫米级，同时搭载的PhaseOne 工业级相机，1 亿像素，可获取高分辨率图像信息。

2 案例应用与分析

2.1 项目概况

秋浦河位于安徽省池州市境内，原名秋浦江，长江中游支流。上源有两支：一源出仙寓山，二源出祁门大洪岭，两源于香口附近交汇，经七里、矶滩、高坦、殷汇，从池口入长江。秋浦河流域综合治理工程是一项以防洪护岸为主，兼有流域生态修复和沿岸人居环境提升功能的综合治理项目。其中治理主河道长度108km，各支流长35km。可研阶段测量的主要任务是为全工程区施测1∶2000 带状地形图和断面图，地形图面积约90km2，水下占比10.2km2。

2.2 数据获取

鉴于项目急、工期紧、地形复杂等特点，传统测量模式无法满足要求。为了保证数据获取的高效性及准确性，采用了机载激光雷达扫描航测系统，单架次飞行过程中可同时获取影像数据和点云数据。根据要求本次共设计23 个架次，航摄分辨率为5cm，航摄重叠度为旁向80%，航向60%，激光雷达扫描频率为100kHz，飞行高度约400～500m。

2.3 数据处理与成果输出

2.3.1 影像数据处理

机载激光雷达扫描航测系统数据处理主要包括影像数据处理和点云数据处理，影像数据处理主要采用pix4d 软件进行影像后处理及输出，其中关键部分在于野外的相控点布设、采集及内业刺点。通过内业数据处理可最终获得数字正射影像（DOM）与数据高程模型（DEM），其中数字高程模型是基于相片建模产生，无法获取植被覆盖下的地表高程。

2.3.2 激光雷达数据处理

雷达扫描数据可通过激光雷达后处理软件（POSPac 与RiPROCESS）进行点云预处理，后期通过相关点云分类软件进行点云分类，从而可获取地表点云数据，获取的地表点云数据可直接应用基础测绘地貌处理及相关应用，如直接生成地表高程模型等。内业地形图绘制可直接利用雷达获取的植被覆盖下的地表高程数据。

其中点云数据分类的准确性是内业制图精度把握的关键，需要在分类过程中针对不同的地形采用适合的分类参数，才能准确地分类出地形中的高低植被、建筑物、地表等相关点云数据。平原和丘陵地区可采用通用的分类参数进行分类，但是山区的分类参数需进行特殊的设定。一般主要是对山区进行地形角度预判，然后再根据预判角度进行提升，此外还要对迭代角度、最大建筑物尺寸等相关参数进行设定，通过不断地叠加设定来确定满足相关地形分类的最优参数。

2.4 精度分析

航测成果精度的可靠性验证是重要环节之一，本次主要是利用无人机机载激光雷达扫描航测系统进行了外业基础测绘信息数据的采集，为了验证无人机采集数据成果的可靠性，精度检查的主要技术手段是分别选择在丘陵、山地以及相对平坦的水泥路面等地形条件下，或在植被分布较为茂密区域、植被分布相对稀疏的区域、以及裸地区域内，借助RTK 测绘技术对检查点进行均匀采集，裸露的地表采集点主要是检查相机数据成果精度的可靠性，植被分布茂密区域的检查点主要是来验证雷达数据的穿透性及可靠性，另外，通过采集房角、路拐等具有明显特征点的相关点位数据来验证影像的平面精度，数据精度统计见表2。

表2 数据精度统计表

通过整体精度分析可知：检查点的平面中误差和高程注记点中误差都分布在允许中误差范围之内，超过2 倍中误差检查点数都不高于5%。整体平面中误差为±0.22m，雷达获取的高程中误差为±0.16m（该项目高程数据主要采用雷达扫描数据），测图比例尺为1∶2000，根据相关规范要求，本次机载激光雷达航测系统所获取的相关基础测绘信息数据成果满足地形图测图要求。

3 总结

机载激光雷达扫描航测系统应用于水利行业基础测绘外业数据的获取已经满足精度要求。地形图测绘主要是测绘地形地貌与地物分布及属性特征，通过无人机载Lidar 系统获取的点云数据及数字高程模型可方便解决地形地貌测绘问题，地物绘制可直接利用数字正射影像解决，人工进行少量修饰即可。例如，等高线遇建筑物、斜坡等特征地形时需通过人工判别方式进行修饰。通过软件自动生成等高线结合人工地物绘制基本解决了地形图的测绘工作。此外，通过机载激光雷达扫描航测系统可同时获取点云数据与数字正射影像数据，这也提高了外业航测效率。通过此操作方法将测绘模式从全野外测绘转至到内业测图结合野外调绘，大大提高了工作效率、保证了测绘精度、降低了外业劳动强度，为水利测绘基础数据的快速、高效、准确获取提供了有力的技术支撑与保障■