基于水利工程测绘中激光雷达技术的应用研究

周 媛

(海城市水利事务服务中心，辽宁 海城 114200)

1 激光雷达技术

激光雷达主要包括外业采集和内业处理两大流程，其中外业采集又细分成数据预处理、质量检查、数据采集、航飞准备和地面测量等环节，内业数据处理主要有成果精度质量检查、测绘产品生产和点云数据处理等，其关键技术路线如图1。

图1 激光雷达关键技术路线

(1)前期准备。主要包括现场踏勘(确定起降场地)、航线设计规划、航飞范围确定、已有测量成果与气象资料收集、空域申请等，一般会考虑目标要求合理规划航飞摄影路线、范围，为了能够完全覆盖测区还要适当地外扩。根据设备性能和测区特点等因素合理规划航飞路线，科学设置飞行高度、航飞重叠度和起降点。

(2)地面测量。主要包括参考面与地面基站的测量。前者是对获取的激光点平面高程数据利用特征点纠正，而特征点是提前布设的像控点或具有明显特征的点，在不同高程梯度区域内需要对高程特征点均匀分布；地面基站测量是在地面的高等级控制点上考虑航飞区间合理架设基站，以差分信号供飞机GPS使用，一般要在开始航摄前30 min打开地面基站，完成航摄任务后30 min内关闭基站，航摄期间要保持信号畅通且处于通电状态。实际测量过程中，通过激光点校正、参数调整等操作保证点云数据精度。

(3)航飞数据采集。无人机严格按规划航线飞行，飞行过程中要实时关注续航能力、天气情况和外部因素等。静态观测起飞前、降落后机载激光雷达状况，从而保证GNSS和IMU记录的完整性。

(4)数据预处理与检查。航摄完成后，要及时统计与检查点云采集密度、航摄区间与航线匹配度、数据采集范围等，以防点密度、航摄精度不符合相关规范或存在漏洞等情况的出现。

(5)点云数据处理。主要涉及点云分类、点云滤波和坐标转换等。点云滤波是对获取的点云数据应用Terra Solid软件和三角网原理进行滤波，考虑项目测区的植被覆盖及地形变化情况选择合适的阈值，通过阈值将地物和地面点云过滤分离。

(6)测绘产品生产。将点云数据去噪可生成DSM模型，在此基础上进行滤波可以生成DEM。然后将DOM与分类后的点云数据相结合提取出地物要素，以外业调绘数据和地物地貌为基础可以生成数字线画图成果DLG。

(7)成果质量检查。以激光雷达相关技术规范为标准检查DEM精度、地形图精度和点云精度。

2 激光雷达技术的应用

2.1 水利工程测绘面临的问题

2.1.1 作业环境

考虑到水利工程的特殊性，通常其测绘作业区处于植被覆盖茂密、高山峡谷地区，通信讯号差、通视条件弱、交通不便、天气变幻无常，以上因素都不利于测量工作的开展。

2.1.2 内业数据处理

一般水利工程所处的环境条件复杂且地理位置特殊，水利工程测绘工作受高程变化较大、水域覆盖面积广、植被覆盖度高等不利因素的限制，传统的航测技术不仅面临着控制点刺点模糊、内业影像匹配困难等问题，而且不利于野外控制作业，对成果质量和内业数据处理效率造成严重影响[1-3]。

2.1.3 成果精度

水利工程对测绘精度要求较高，大多数要求不小于1∶2000，部分坝址区甚至要求达到1∶500或1∶1000的精度要求，而传统的测量手段很难达到该比例尺精度要求。

2.2 技术比较分析

2.2.1 作业与成像

传统的航空摄影属于被动式测量技术，其摄影成像就是应用透视几何原理达到目的，而激光雷达是利用极坐标几何定位原理实现成像，采用主动式扫描测量的方式获取地面点的三维坐标信息。

2.2.2 作业范围与时间

激光雷达可全天时作业、可穿透植被获取地面信息且不受天气等因素的影响，但与传统航测相比其飞行高度较低。传统的航测技术受天气、光照、环境条件等因素影响较大。

2.2.3 数据的采集与展示

传统的航空摄影技术利用面状测量成果可以采集覆盖整个摄区的纹理、光谱等二维影像信息，而激光雷达技术则是逐点采样获取覆盖全区所有测点的反射强度信息、几何坐标等海量点云数据。

2.2.4 生产成本与效率

传统的摄影测量技术往往需要人工处理航片，数据处理的自动化程度低、周期长、成本高。在后期数据处理时激光雷达技术基本可以自动完成，较传统的摄影测量技术能够大大降低生产成本，有效缩短生产周期，所以该技术具有广泛的使用前景。

2.2.5 测量精度

传统航测技术的平面精度高而高程精度较低，故需要大量的地面控制点。理论上，激光雷达技术的平面精度相对较低。

2.3 水利工程测绘中激光雷达技术的应用

水利工程测绘任务难度较大，作业条件特殊，测量环境复杂，常规的测绘技术难以达到测绘精度和精度目标。所以，激光雷达技术的应用可以有效提升测绘成果精度和作业效率，从而为按时完成作业任务以及工程设计提供保障和数据支撑。水利工程中激光雷达的测绘优势体现在如下几点：

2.3.1 不受作业条件限制

激光脉冲的穿透力很强，高强度激光约束能够穿透狭小的缝隙打到树干、树冠、地面和灌木丛等，并进一步产生多个反射回波。对于采石场、滩涂沼泽、悬崖峭壁、高山峡谷等地形特殊的作业地区，可以不受地形地貌的限制进行数据采集；激光没冲能够穿透植被并非特别茂密的植被，通过点源数据获取、分类、滤波处理等分开地面和非地面点，并将房屋、桥梁、道路等依据点云强度信息实现精准分类；对于植被茂密的地区激光雷达获取的点云数量会减少，但通过发射功率、航线充电率和扫描角度的调整，所获取的点云也能符合实际工程要求，对于密林山区的测绘具有显著优势，这也是能够获取山区密林地面高程的重要技术[4-5]。

2.3.2 成果数据精度高

激光雷达获取的点源数据能够达到0.1～0.5 m 的精度，特别是高程具有更高精度，可以达到1∶1000 的精度要求。经过滤分类，利用点源数据可以生成精度更高的DEM模型，DEM模型较传统的测绘技术可以更加精准地反映微地形变化。

2.3.3 实现全天候作业

激光雷达可以进行24 h作业，不受天气和太阳角等条件的限制，在很大程度上缩短了作业周期，降低了成果精度和工程进度受不利天气的影响，大大提高了测绘作业效率，在水利应急测绘等领域具有广泛的应用前景。

2.3.4 作业周期短、效率高

作业过程中激光雷达仅需少量的地面基站，对旁向与航向的航线重叠率要求较低，使得数据采集效率大幅度得以提升。相对于传统的航测技术，可有效羧酸后期成果输出、外业调绘、数据处理和产品生成时间，从根本上解决了测绘成果精度要求高、前期工期紧的问题。

2.3.5 成果丰富、可操控性好

激光雷达通过回波信号接受、激光波速发射等一系列主动式操作处理来提取地面信息，航测过程中操作人员一般只需做好前期准备工作，后期数据获取与处理基本能够自动完成，操作便捷且对操作员要求较低。基于点测量的传统测绘手段只能生成常规DLG成果，获取的地面信息有限。激光雷达可以快速获取大量高精度点云数据，若将数码相机搭载到激光雷达平台上，还可在获取地面数字影像的同时获得点云数据，经内业数据处理生成数字线划图、正射影响、地面模型和地表模型等，综合应用DOM和DEM模型能够用于水库淹没范围线和库容的计算、断面提取等，其测绘成果比较丰富，能够为水利工程提供数据支撑。

3 结 论

激光雷达测绘技术具有成果精度高、作业效率高、成果丰富、全天候作业等独特的优势，逐渐被应用于水利工程测绘领域。未来随着科技的发展和硬软件设备的研究应用，激光雷达技术的发展潜力巨大，尤其是在防洪抗旱、抢险救灾、河道监管等水利行业多个领域，以及多样数据生产、多源数据获取与处理等方面具有广泛的应用前景。本文详细分析了激光雷达的应用优势、技术特点和测绘原理，可为水利行业或其他领域中该项技术的推广应用提供一定支持。