浅谈机载激光雷达技术在水利工程测量中的应用

浅谈机载激光雷达技术在水利工程测量中的应用

李美青

天津晨源工程勘察设计有限公司  天津   300000

摘要：水利工程是我国重要的基础建设工程，测绘技术贯穿于水利工程建设全过程。针对机载激光雷达技术的特点,阐述该技术在水利工程测量项目的实际应用情况,介绍了机载激光雷达航飞前的准备、航飞后的数据处理分析,可为类似工程提供借鉴。

关键词：机载激光雷达;水利工程;测量

引言

水利工程测量贯穿于水利工程勘察、建设、运营全过程。在勘察阶段需提供高精度地形图,建设施工阶段需精密放线及土方测量,运营阶段需进行变形监测。目前传统水利工程测量还是用全站仪进行放线、监测,RTK进行地形测量,传统测量中需配置大量的人力物力,作业效率低,工作时间较长,并受地形环境因素影像较大,为测量工作带来许多困难。随着科技的发展,无人机特别是低空无人机已经慢慢走向各行各业。低空无人机操作简单、易学易掌握、对天气和起飞降落场地要求低、智能化程度高,在无人机上搭载激光雷达不仅能获取清晰的影像还能获取高密度地面三维点云,真实还原地貌特征。

1机载激光雷达测量技术概述

机载激光雷达系统集成了GNSS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备。其中GNSS提供实时定位服务,IMU提供高精度惯导,激光扫描仪利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息,数码相机能获取高清晰的影像资料,最后经过软件系统处理而得到沿一定条带的地面区域三维点云与成像结果。机载激光雷达是主动发射激光,探测地物回波特征而确定地表的信息数据,不受天气及太阳光照影响,理论上可以进行24h不间断数据采集,对于应急和气象条件差的地区的作业比较有利,并且激光能够穿透薄的云雾,获取目标信息,其激光脚点直径相对较小,具有多次回波特性,能够穿透枝叶间的细小空隙,得到树干、树枝、地面及地面低矮植被等多种高程数据,有效克服植被影响,精确探测真实地形地面的信息。

2水利工程测量的影响因素

2.1工程测量设备

在水利工程测量工作中，合理选用工程数据测量设备，有利于获得准确的测量数据，在水利工程施工过程中，管理人员和设计人员需要详细的检测和实验测量设备的使用性能和使用方向以及使用流程等，如果设备产生问题，需要及时更换设备，也可以调整设备数据，避免利用不准确的测试数据，从而保障工程质量。

2.2工程测量技术

在水利工程施工测量中还要保障数据测量设计的科学性。当前在测量工作中，测试人员通常是根据施工要求测量简单的数据。没有综合考虑社会因素和经济成本因素以及建筑技术因素等，不利于降低水利工程施工成本，也不利于保障水利建筑的稳定性。

3机载激光雷达技术在水利工程测量的实践应用

3.1航飞准备

无人机激光雷达航测在作业前要对测区范围进行巡视,检查高压线,地形起伏等情况,然后进行航线规划、相控布设及测量。本测区地形起伏较大,为保证数据精度均匀采集数据时需要仿地飞行,应提前用摄影镜头先飞一个粗略的DSM影像,为后续仿地飞行中规划航线做准备,本项目用大疆P1镜头,航线高度200m先进行地面摄影测量,再用大疆智图快速处理生成带粗略高程数据的DSM影像为无人机仿地飞行做准备。大疆M300在平面上可进行免相控作业,但高程上暂还不能保证精度,还需地面做少量地面相控点控制精度,本项目相控均匀分布测区,大概间距为500m,地面喷绘“L”形,测量采集外角。

3.2地面测量

地面测量主要包括地面基站测量和参考面测量。地面基站测量通常是根据航飞范围将基站架设在地面的高等级控制点上，为飞机的GPS系统提供差分信号。通常地面基站要在航摄开始前30min开机，在航摄任务完成后30min内关机，中间需一直保持通电状态且信号畅通。参考面测量主要是通过特征点对获取的激光点的平面高程数据进行纠正。特征点一般为具有明显特征的点或者是提前布设的像控点，对于高程特征点需在测区的不同高程梯度区域内均匀分布。通过改正参数对激光点的平面高程数据进行纠正，提高点云数据的精度。

3.3航飞数据采集

现场航飞时选好合适的起飞点主要保证遥控器和飞机的通讯信号,由于激光雷达原理是激光回波,与普通航测不一样不局限于关照强度,阴天和晚上都可以起飞。在选好起飞点后首先遥控器上规划航线,本项目航线参数设置为仿地航高90m(L1镜头根据其性能航高一般设置为80~120m),航速为8m/s(一般不超过10m/s),重叠率50%(平原地区重叠率可降低),遥控器中雷达参数回波模式设置为三回波(多回波穿透效果更好),采样频率设置为160kHz,扫描模式为重复扫描,模型上色功能打开。遥控器规划航线时可同时打开飞机电源键,飞机上的RTK模块尽早得到固定解,飞机挂载的雷达禅思L1镜头需静置5min进行预热。由于本次执行的是仿地任务,航线高度可能比起飞点高度还低,为确保安全需先手动操作无人机飞行至安全高度再上传任务,飞机按照规划航线自动完成航线任务并在航线起始点进行惯导校准,飞行时注意遥控器与飞机的通讯,并时刻观察雷达L1镜头实时采集的点云数据是否正常。

3.4数据处理

飞行任务完成,将镜头里的SD卡取出,在电脑中读取DCIM的文件,打开大疆智图软件,在新建任务里选择激光雷达点云处理,添加飞机导出的文件,选择工程项目的坐标系,在参数设置中要打开点云精度优化,重建结果选择las及PCD格式,然后点击开始处理,等待点云成果生成,蓝色部分为第1次回波,绿色部分为第2回波,红色部分为第3次回波,可以看到3次回波将树木茂盛的地区地面绝大部分都反射了出来。将大疆智图生产的las文件导入到数字绿土LiDAR360软件中对数据进行滤波、去噪,并利用前期做的相控进行坐标、高程的转换,获取每一个激光点正确的空间坐标,根据现场地形实际情况设置合理的地面点提取参数,根据规范的成图规定自动生成所需高程点及等高线,将大疆智图生产的PCD点云文件导入山维科技EPS三维测图软件进行建筑物及地物的绘制,导出来的数据统一在CAD软件编辑处理即可完成1幅完整的数字化地形图。

3.5平面精度分析

根据《水电水利工程测量规范》规范,应用全站仪进行实地采集建筑物轮廓点数据与机载激光雷达生成的地形图上建筑物轮廓位置进行对比分析,激光雷达数据平面精度满足规范要求。

结束语

水利工程测量中,机载激光雷达技术只需少量地面控制即可完成定位,节省了大量外业工作量且减少了外业安全隐患,对于无人区等困难区域的数据采集非常有利并且处理数据的软件自动化程度都很高,只需要极少时间和少量人工编辑就能完成。从目前技术能力和生产实践来看,机载激光雷达技术能够满足生产1∶1000比例尺及一些平原地区更大比列尺的产品精度要求,但山区及一些隐蔽点要求10cm以下乃至毫米级的精度,对于机载激光雷达技术而言实现还比较困难,山区植被对激光的穿透性有一定的影响,相对航高一样的情况,植被越密集的地方,地面上的激光点越少,反之就越多,地面激光点越多成图精度也就越高,项目生产中一定要根据雷达镜头的参数及树林的茂密程度选择合适的航高进行扫描测量。

参考文献

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