无人机机载激光雷达在地质测绘与工程测量中的应用研究

无人机机载激光雷达在地质测绘与工程测量中的应用研究

张军

阿克苏市时代规划设计院有限责任公司沙雅县分公司，新疆阿克苏地区沙雅县，842200

摘 要：无人机机载激光雷达航测是一项集激光扫描、全球定位系统、摄影测量及导航系统为一体的现代化测绘技术，其融合了无人机技术与激光雷达技术诸多优势，能够快速直接获取被测量物体的高精度三维坐标信息，可对调查对象的整体变化和细节特征进行详细了解，有效提高了测绘作业效率和质量，对我国测绘技术乃至整个行业的发展都具有很大的帮助作用。鉴于此，本文首先简要分析了无人机机载激光雷达测量技术的特点，然后结合工程实例进一步探讨其在地质测绘与工程测量中的具体应用，旨在能推动我国测绘行业的持续性发展。

关键词：无人机；激光雷达；地质测绘；工程测量；应用

1无人机机载激光雷达测量技术优势

无人机机载激光雷达测量技术（LiDAR）是21世纪摄影测量和遥感领域极具创新性的一种测绘手段，该系统主要包括高分辨率成像装置、DGPS、IMU和高精度激光测距仪等装置，其在实践应用中主要借助GNSS基站和GPS卫星系统对地面物体实施扫描测量，在飞行方向的不断移动过程中分层获取全面详细的测绘信息。LiDAR在地质测绘和工程测量中主要体现出以下五个方面的应用优势：

（1）自动化程度高。无人机机载激光雷达技术在测绘作业期间实现了全自动化测量，且具备非常好的环境适应性，不太容易受外界天气变化的影响，在阴天或者太阳光线比较强的环境下也能够全天自动化作业，比较适用于山地工程测量作业。

（2）穿透能力强。该项技术在实际中主要以激光形式开展测量工作，激光雷达信号非常强，完全能够避免山坡及植物枝干的干扰，更好地保证了最终测量结果的精准性。

（3）便捷度高。对于一些地形复杂区域的测绘，传统测量技术的应用不仅大幅度增加了测绘人员的工作量，而且测绘难度更大，存在一定的安全隐患。无人机机载激光雷达技术的引入，有效规避了此类问题，为测绘工作提供了极大的便利[1]。

（4）测量结果精准度高。研究发现，LiDAR技术的缩放比例可以达到1:1000，测量精度非常高，通过适当增加外业工作量甚至能够达到“毫米级”精度控制。

（5）测量效率高。无人机机载激光雷达测绘过程中，通过获取三维点云数据，系统自动化处理之后即可快速建模，得到被测量物体相关信息，测量速度非常快。

2 无人机机载激光雷达在地质测绘与工程测量中的应用

2.1 工程概况

某地区测量范围大概为2平方公里，该区域地形地貌复杂，房屋建筑类型及其附属结构都相对比较多，高程特征点采集难度大，经过多方面综合考虑，最后选用无人机机载激光雷达实施测量，具体内容如下。

2.2 作业流程

本次测绘作业选用飞马D2000多旋翼无人机，并搭载D-Li－DAR500激光雷达系统，主要测量该区域不动产权籍调查底图。具体作业流程如下：

（1）勘测目标区域，收集相关资料。（2）处理测量区域数据信息，科学规划无人机飞行路线，确定地面基站架设方位。（3）利用无人机机载激光雷达系统对测绘区域实施激光扫描，收集测区数据信息。然后仔细检查无人机飞行路线，核查测量数据，查缺补漏，确保测量数据的完整性。（4）借助飞马无人机管家系统对采集数据进行分析处理，生成工作底图。

2.3 机载激光雷达测量系统

无人机机载激光雷达测量系统主要由以下几个部分所组成：

（1）激光测距仪。其主要作用是确定地面参考点与激光雷达信号间的距离。（2）GPS地面基站。确保无人机能够严格按照规划好的路线飞行作业。（3）CDD图像传感器。详细记录测量区域的具体地形地貌特征，为后期数据计算和成图提供真实可靠的参考。（4）INS惯性辅助系统。主要用于对扫描装置空间姿态参数的测量，保证扫描装置始终处在区域范围内[2]。

2.4 外业部分

（1）测区勘探：对被测量区域范围内的地形地貌及建筑物情况进行实地探测。（2）架设基站、测量基站坐标、合理设计无人机飞行路线：结合现场实际情况科学布设地面基站，合理设置基站间距、方位和数量，保证无人机飞行测绘期间能够同步接收GPS信号，确保飞行航线能够做到整个测绘区域的全方位覆盖。（3）激光扫描：利用机载激光雷达全面扫描测量区域，收集相关数据信息。该工程无人机飞行高度设置为100m，飞行速度为10m/s，相机重叠率航向为60%，旁向为23%，激光雷达重叠率为50%，点云密度58个/m2。（4）数据下载：无人机返航后，组织工作人员对所有飞行数据进行仔细检查，包括飞行航线，确保测量数据的完整性，然后借助飞马无人机管家进行数据处理。

2.5 内业部分

内业工作是相对于外业部分而言的，外业部分的主要工作内容是采集数据，内业部分的主要任务是对这些数据进行处理。该项目工程采用飞马无人机管家系统对采集数据实施解算，剔除精度不达标的数据，最终形成工作底图，具体操作如下：

（1）原始数据：POS采集数据、GNSS基准站数据及激光点云数据。（2）点云生成：对POS数据进行分析解读，提取其特征，融合解算POS数据和激光点云数据，进一步转换生成las格式点云。（3）高程转换：通过基准站2个不同坐标系下的坐标拟合得到高程异常，并在此基础之上加上所有点云数据，结合以往数据资料开展高程精化检验和坐标转换操作，确保检验结果符合规定标准

[3]。（4）点云处理：该步骤主要包括点云融合与纠偏处理，将所有数据中的航带重叠点和低噪点去除，并分类点云，为测绘作业的有序开展提供非常直观清晰的画面，便于后期测量期间地物的识别，同时对点云处理成果进行标色处理。（5）内业采集：参照上述标准，对点云数据进行采编、绘图，最后得到工作底图。

2.6 机载雷达激光测量精度分析

无人机机载激光雷达在地质测绘与工程测量中的应用，测量点精度主要受目标物体反射面、物体表面粗糙程度、仪器误差、扫描仪电机的转动和镜头的震动等诸多因素的干扰。

本次测绘过程中共设置了148个外业测量点，通过对比分析激光点云图坐标和地面点坐标，得知机载激光雷达技术在工程测量中体现出非常好的应用性能，地面实物点坐标与激光点云图坐标误差很小，最大误差为8．1cm，最小误差仅为1cm，粗差率为4．5％，中误差为4．7cm，处于设计标准范围之内。

外业数据采集期间，工作人员对54条边长进行了详细的记录统计，同时将统计结果与激光点云图中相对应的边长进行对比分析，结果显示，激光点云图中边长中误差为4.4cm，粗差率为4.2%，完全符合工程测量质量控制要求。

结果表明：在地质测绘与工程测量工作中融入无人机机载激光雷达系统，大大降低了人工劳动量，较传统测绘技术有效提高了数据采集效率，提高了测绘结果精确度。

结束语

总而言之，无人机机载激光雷达系统不仅采集精度高、作业效率高，且机动性也更好，激光点云标色处理后能够为工程测量作业提供非常可靠的参考资料。即使测量数据存在少许偏差，也可通过及时补测或者人工外业采集辅助来提高点云数据整体精度。除此之外，无人机机载激光雷达技术的应用不太容易受外界环境和天气的干扰，房屋遮挡部分也可被雷达覆盖捕捉，短时间内即可获取海量信息。

参考文献

[1]唐敏，张钦文.无人机机载激光雷达作业效率及精度提升方法研究[J].现代制造技术与装备，2022，58(04):72-74.

[2]江木春，韩亚民，林剑锋.无人机机载激光雷达测绘技术在航道整治工程中的应用[J].水运工程，2022(04):157-160+165.

[3]冀晓彤.矿山工程测量中无人机机载激光雷达的应用效果分析[J].世界有色金属，2021(21):19-20.