李庆松

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000)

1 概论

众所周知，无人机机载激光雷达技术作为一种新型的陆地快速三维空间地理信息数据采集技术[1]在各测绘行业特别是水利水电工程测绘中都已经得到了非常广泛的应用。随着多波束技术的发展，无人船搭载多波束[2]作为一种近年新兴的水下三维数据采集技术也越来越多应用在了河道测量、地形测量[3]、近海测绘、水库监测等水利领域。

而将无人机搭载机载激光和无人船搭载多波束进行有效结合，并作为一种全新的水陆空一体化三维测量技术加以应用，为解决区域范围内水陆地表三维数据全覆盖，促进水陆三维数据的无缝衔接提供了可能。同时，也为水利三维设计提供了基础保障[4]。

2 原理

2.1 无人机机载激光测量技术

无人机机载激光测量技术是一种以无人机为载体，集激光测距系统、全球导航定位系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)等测绘高新技术[5]为一体的陆地三维地理信息数据采集技术。具有灵活快速、高效便捷、低成本、精度高[6]等特点。

该技术通过GNSS系统提供飞行平台的位置同时地面架设基准站提供后差分(DGPS)数据处理所需的同步相对地理信息、激光雷达测距系统根据激光反射测定地物与雷达的距离、惯导提供的姿态数据，并利用相关数据预处理软件计算从而获取精确的地表地物三维地理坐标，再通过测区参数转换得到目标三维成果。

其工作原理和技术流程如图1所示。

图1 无人机机载激光工作原理和步骤

2.2 无人船多波束测量技术

无人船多波束测量技术是一种以无人船为载体，集GNSS定位、多波束和惯导于一体的水下三维地理信息数据采集技术。它具备组装简易、姿态校正快捷、携带方便、完整全面、测量精度高等优点。

该系统可通过岸上架设基准站提供动态实时差分(RTK)信号为无人船多波束测深平台提供准确实时定位(也可以通过船载GNSS定位系统提供多波束平台位置、岸基同时进行静态测量获取后差分数据处理所需的数据，类似于机载激光测量)，多波束测取换能器与地物的距离，并实时通过船上惯导进行姿态纠正，从而直接获得准确的水下三维地理坐标，再通过参数转换获取目标成果[7]。无人船多波束测量与无人机机载激光雷达测量的原理如出一辙，可称为“水下激光雷达”。

其工作原理和技术流程如图2所示。

图2 无人船多波束工作原理和步骤

2.3 无人机机载激光和无人船多波束协同作业

由于无人机机载激光和无人船多波束的工作原理相似，那么理论上就可以将二者进行协同作业。

其构思原理是：在岸上架设同一基站，基站同时开启静态记录和动态差分模式，静态数据采集可供无人机机载激光和无人船多波束GNSS定位同时使用，动态RTK也同步作为无人船GNSS定位使用。无人机和无人船进行半自动化或全自动化作业，两套系统共用同一基站，同时独立获取三维地理数据。

2.4 水陆空三维数据处理关键技术

2.4.1激光点云数据预处理

无人机机载激光获取的三维地理数据需要通过专业的预处理软件计算，从而获取WGS84坐标系下的LAS格式点云[8]，再应用测区的参数进行转换得到目标成果。其次，利用同时获取的水边线准确位置，剔除水域范围内的激光点云错误噪点。

2.4.2多波束点云数据预处理

无人船多波束获取的三维地理数据，同样需要经过声呐等改正[9]后获得包含噪点的原始点云数据。由于水下点云数据比较单一，除了部分噪点，其他基本为河床表面实际点云，为了使水下点云数据能和陆地激光点云数据同时进行自动化处理，必须对水下点云数据进行“粗去噪”。也就是，对低于真实河床底部的点云进行有目的的删除，同时对水域范围外的噪点进行直接圈除。

2.4.3水陆三维数据后处理

（1）地质灾害防治行业比较注重实际防治工程技术研究，但在理论和政策研究方面较弱，整体上缺少理论和政策规章支持，对地质灾害防治工作服务社会的领域和方向，没有很好的归纳和总结，缺乏全面具体的认识，政策引导性不强。

分别将经过预处理的激光点云数据和多波束点云数据加载至一起，使用激光后处理软件进行同时滤波[10]处理，去除地面或者空中的噪点，从而获得准确的水陆三维地表数据。

2.4.4任意点验证理论

对水陆三维地表数据进行任意提取，并进行实地陆地RTK和水下单波束检查。

3 项目实践

广东省河道地形测量是广东省河道水域岸线保护与利用规划的一个重要组成部分，对全省河道测量进行系统测量，获取高精度河床三维地理数据，可为水利规划、科学研究和工程建设等提供必不可少的基础数据，同时为我省全面推进水利现代化建设和全面落实河长制提供了重要的基础保障。本文结合四旋翼无人机搭载AS- 900HL激光雷达和无人船搭载NORBIT多波束相结合的水陆一体化全自动三维测量技术在该项目中部分河道的应用为例，从三维数据获取、数据处理、成果输出和精度验证等方面进行系统地阐述，证明该技术的切实可行，也为以后同类项目的推广应用提供了参考依据。

3.1 设备选择

陆地选用四旋翼无人机搭载激光雷达AS- 900HL，水下选用无人船搭载NORBIT多波束，如图3所示。

图3 无人机机载激光+无人船多波束系统

3.2 技术实施

本次选择西江干流水道鲤鱼洲及其附近水域进行实验，作业面积为1km2，其中陆地和水下约各占一半。实验当天天气晴朗，风速1～2级，实验环境良好。地面基站布置和观测严格按照相关要求执行，基站于作业前20min开始实时差分信号发射和静态记录。无人机机载激光系统和无人船多波束系统均按照规范要求进行操作和数据采集，并同时进行。

(1)作业前期，无人机进入航线前进行绕“8”飞行以减少IMU的误差累积，无人船开始纪录之前进行跑“8”字同样进行姿态改正。

(3)本次无人机机载激光测量时，同时搭载了相机(正射影像图的输出，方便水边线的确定)。激光雷达数据首先进行POS解算，再采用软件进行数据预处理从而获得全部的点云数据，该数据存在大量的噪点。利用正射影像图绘制水边线，水域范围内均为噪点，直接圈除。

(4)多波束数据处理采用专业软件进行预处理，通过建立动态表面和导入声剖数据进行计算处理，并进行删除低于准确高程面的点等粗去噪，从而获得与第(3)步一致的粗成果数据。同样利用前面获得的水面，圈除陆地范围内的所有噪点。

(5)将上述2项数据合并，在进行全自动化滤波，去除陆地植被上的点和空中噪点等，最后输出完整的水陆三维地表点云数据。滤波前后效果图如图4所示。

图4 滤波前后水陆三维成果对照

3.3 成果验证

(1)通过RTK动态实时差分数据处理的方式，对多波束数据进行单独去噪后处理后与静态后差分数据处理所获得的成果叠加后发现，二者几乎完全重叠，如图5所示，由此证明通过该2种方式均可以获得同样的数据成果。

图5

(2)利用RTK在陆地上随机、均匀抽查了21个高程点；利用单波束测取了一条航线，共提取了45个水下高程点作为多波束点云检查；具体位置分布如图6所示。

图6 RTK和单波束检查点分布图

所有检查点一一与最终水陆三维点云进行了比较，并对水陆高程点中误差进行了统计，结果为：±0.071m，满足1∶500地形图高程中误差要求(不大于±0.15m)，详见表1。由此可知，利用无人机机载激光雷达和无人船多波束协同作业获取的水陆三维点云精度可靠，该技术切实可行。

表1 水陆高程中误差统计表

4 结语

通过对无人机机载激光和无人船多波束水陆一体化三维测量技术的具体实践证明，该技术不仅测量精度高，而且可行性很强。它为未来水上水下更深入联合作业提供了有效的参考依据。作为目前获取最完整的水陆三维数据的一种测量技术，可为水利水电工程设计提供新思路新理念，同时也能推动GIS+BIM协同设计的快速发展。该技术在应用过程中也存在一定不足，其多波束水上作业受环境影响较大，水上安全和可视化远程遥控成为该技术下一步完善的关键。