李 慧

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

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。目前，水利工程测绘中地理信息的采集除运用GPS等传统的测绘技术外，主要依靠倾斜摄影测量、遥感等现代测绘技术。传统的测量手段如全站仪、RTK等虽然精度高，但在作业中需耗费大量的人力物力，效率低，工作周期长，不能满足大规模水利工程测量的需要，并且受地形局限性较大，为勘测设计一体化带来许多困难。航空摄影测量技术虽然有作业方式灵活、成本较低、成果更新及时等特点，但易受到天气情况、测区环境、作业时间等因素的影响，对于测区环境多以茂密植被、高山峡谷的水利工程而言，该技术获取的数据质量和精度有时无法满足工程需求，并且该技术无法穿透植被覆盖区获取高精度的地面高程数据。因此，亟需一种可靠的技术手段解决目前水利工程测绘中存在的问题。机载激光雷达技术作为一种快速的三维空间地理信息采集技术被广泛应用于各个领域，相比其他传统的航测技术有其特有的优势，成为除GPS、遥感、摄影测量等现代测绘技术之外的一种有效的地理信息采集技术[1]。

1 机载激光雷达技术简介

1.1 激光雷达技术

激光雷达(Light Detection and Ranging， LiDAR)是一种集激光发射和接收系统、惯性导航测量装置(IMU)和全球导航系统(GNSS)、供电模块和控制系统于一身的系统[2- 3]。根据测距原理不同，激光雷达主要分为脉冲式激光雷达和相位式激光雷达，一般在大比例尺地形测绘中脉冲式激光雷达更为合适[4]。激光雷达系统是以激光为信号源主动发射出脉冲激光束，当激光发射至地面不同地物上引起散射，其中一部分回波至激光雷达接收器，根据激光测距原理可以计算出地面目标点至激光雷达之间的距离。在植被覆盖度较高的地区，激光可在一定程度上穿透植被获取地面点云。激光雷达通过对地面的不断扫描，获取海量的点云数据，这些点云数据存储了地面目标点的三维坐标信息，通过成像处理获取精确的三维立体模型。

1.2 机载激光雷达

机载激光雷达是将激光雷达搭载在飞机上进行数据采集的。机载平台包括无人机和有人驾驶的飞机，目前工程中应用较广泛的是无人机激光雷达测量系统，具有结构设计美观、集成化和自动化程度高、机身小巧易携带作业等优势，适合多种地形测绘、地籍测量项目。机载激光雷达系统示意图如图1所示。机载激光雷达获取地面目标点三维地理信息数据具有快速、高精度、高密度、控制点少的特点[5]。该技术是对传统航空摄影测量技术很好的补充，在复杂地形测绘中具有独特的优势。目前，机载激光雷达技术被广泛应用于林业、电力等领域[6- 7]，也逐渐在水利工程测绘应用中取得较理想的效果[8- 12]。

图1 机载激光雷达系统示意图

2 数据处理关键技术

机载激光雷达在水利工程中的作业流程主要分为外业数据采集和内业数据处理两方面。外业数据采集包括前期准备、地面测量、航飞数据采集、数据预处理与质量检查。内业数据处理主要包括点云数据处理、测绘产品生产、成果精度质量检查。关键技术路线如图2所示。

图2 机载激光雷达关键技术路线图

2.1 前期准备

前期准备主要包括空域申请、收集气象资料和已有的一些测量成果、航飞范围确定、航线设计规划、现场踏勘以便确定起降场地等。通常在规划航摄路线时会根据工程任务书要求，确定航飞范围并对其适当外扩，以保证测区被完全覆盖。综合考虑设备性能、测区特点等因素规划航飞路线，设置飞行高度、航飞重叠度，选择合适的飞机起降点。

2.2 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。

2.3 航飞数据采集

按照航线规划设计进行航飞任务。无人机起飞以后，操作人员应时刻关注飞机的飞行情况、续航能力以及可能影响飞行的外部因素。机载激光雷达需分别在起飞前和降落后进行静态观测，防止GNSS与IMU系统记录不完整。

2.4 数据预处理与质量检查

在航摄任务完成以后应及时对采集的数据范围、航线和航摄区间的匹配度、点云采集密度进行统计和检查，防止出现航摄存在漏洞或精度、点密度不符合相关规范的情况。

2.5 点云数据处理

点云数据处理主要包括坐标转换、点云滤波、点云分类等。点云滤波是基于不规则三角网原理通过TerraSolid软件对获取的点云数据进行滤波，根据项目测区的地形起伏情况和植被覆盖情况选择合适的阈值，通过阈值将地面点云和地物点云过滤分离。

2.6 测绘产品生产

通过对机载激光雷达获取的点云数据进行去噪，即可获得数字表面模型(Digital Surface model， DSM)，在此基础上进行滤波，即可获得数字地面模型(Digital Elevation model， DEM)。通过分类后的点云数据与DOM结合可提取出地物要素，根据地物地貌和外业调绘数据可进行数字线画图(Digital Line Graphic， DLG)成果的生产。

2.7 成果精度质量检查

成果的质量检查主要包括：点云精度检查、地形图精度检查、DEM精度检查，检查标准主要参考激光雷达相关技术规范。

3 机载激光雷达技术在水利工程中的应用

3.1 水利工程测绘面临的困难

(1)作业环境

由于水利建设工程项目的特殊性，测绘作业区一般地处高山峡谷、植被覆盖茂密地区，通视条件差、天气变幻无常、交通不便、通讯信号差，这些都对测量工作的开展十分不利。

(2)成果精度要求

原始WENO-CU6-M2格式及其改进A和改进B的结果以局部Lax-Friedrichs通量在200个网格点上解得, 图4是t = 0.2时刻的密度和速度曲线及局部放大. 原始WENO-CU6-M2格式具有良好的激波捕捉特性(图4(a)), 但也在x≈0.57的接触间断处产生了微小的振荡(图4(c)). 然而, 其改进格式抑制了这些振荡, 表现为给出的接触间断如原始格式一样锐利. 图4(b)和图4(d)的速度曲线也显示了改进A和改进B减小了伪振荡.

水利工程项目对于测绘成果的精度要求较高，一般需要满足1∶2000比例尺精度，部分坝址区还需要满足1∶1000比例尺或1∶500比例尺成果精度。如果用传统测量手段很难满足工程的精度要求。

(3)内业数据处理

水利工程通常所处的地理环境特殊且复杂，植被覆盖度高、水域覆盖面积广、高程变化较大等特点对于水利工程测绘工作的开展十分不利。传统的航测技术不但面临外业控制困难，还存在内业影像匹配困难、控制点刺点模糊等问题，严重影响内业数据处理的效率和成果的质量。

3.2 机载激光雷达技术和传统航空摄影测量技术的比较

(1) 成像和作业原理

传统的航空摄影测量技术是利用透视几何原理实现成像的，属于被动式测量技术。而机载激光雷达采用主动式扫描测量方式，根据极坐标几何定位原理成像，获取地面点的三维坐标信息。

(2) 作业时间和作业范围

机载激光雷达不受天气等因素的影响，可穿透植被获取地面信息，可全天时作业，但飞行高度相比传统航测的低。传统的航测技术受光照、天气、周围环境等因素影响较大。

(3) 数据采集方式和呈现形式

传统的摄影测量手段采集的数据覆盖整个摄影区域，是基于面状的测量成果，是包含纹理、光谱等信息的二维影像数据。机载激光雷达技术通过逐点采样，获取的数据是覆盖整个测量范围的海量点云数据，包含每个点的几何坐标和反射强度信息。

(4) 精度

传统航测技术的平面精度高，高程精度相对较低，因此需要大量的地面控制点进行控制，而机载激光雷达技术理论上高程精度优于平面精度。

(5) 生产效率与成本

传统摄影测量技术后期数据处理时自动化程度较低，在航片处理时通常需要人工干预，因此生产的周期较长，成本较高。机载激光雷达技术后期数据处理基本能实现自动化处理，生产周期相比传统的航空摄影测量技术大大缩短，生产成本低，因此该技术也越来越受测绘市场的青睐。

3.3 机载激光雷达技术在水利工程测量中的应用优势

水利工程测量作业环境特殊，属于难度较大的测绘任务，利用常规的测绘手段很难满足工程进度、成果精度等要求。采用先进的机载激光激光雷达技术可以大大提高作业的效率和成果的精度，为工程设计提供有力的数据支撑，为作业任务能保质保量按时完成提供强力保障。该技术在水利工程测量中的应用优势主要凸显在以下几个方面。

(1) 不受作业环境的限制

由于激光雷达发射出的激光脉冲强度很高，具有很强的穿透力，发出的激光波束可以穿过狭小的缝隙，打到树冠、树干、灌木丛、地面等产生多个反射回波。对于地形特殊的作业地区，例如高山峡谷、悬崖峭壁、滩涂沼泽、采石场等地区，可忽略地形限制，顺利完成数据采集工作。对于植被覆盖不是非常密集的地区，激光脉冲可以穿透植被获取点云数据，通过对点云进行滤波和分类，将地面点和非地面点分离开，同时结合点云的强度信息可对房屋、道路、桥梁等不同的地物要素进行分类。对于植被较为密集的区域，虽然获取的点云数量会减少，但通过调整发射功率、扫描角度、航线重叠率等要素，通常获取的点云仍可满足工程任务对于地面点密度的要求，这对于测区很多为密林山区的水利工程测量来说凸显其独特的优势。目前，机载激光雷达是在山区密林获取地面高程数据唯一可行的技术。

(2) 可实现全天候作业

机载激光雷达是主动发射脉冲波束，不受天气、太阳高度角等因素影响，可实现全天候作业，极大提高作业效率，缩短作业周期。该技术减少了不利天气对于工程进度和成果精度的影响，可广泛应用于水利应急测绘等领域。

(3) 数据成果精度高

利用机载激光雷达测得的点云数据精度可达0.1～0.5m，特别是高程精度更高，可满足1∶1000比例尺地形图的要求。机载激光雷达获取的点云数据经过过滤分类，生成的DEM模型精度更高，相比于传统测绘技术获取的DEM能更好地反映出地形的微小起伏。

(4) 可操作性高

机载激光雷达属于主动式遥感测量技术，能够主动发射激光波束并接收回波信号，获取地面目标点的三维坐标信息。作业时人员通常只需准备好相关前期工作，后期数据获取和数据处理自动化程度高，对操作员要求不高，操作便捷。

(5) 作业效率高，工作周期短

机载激光雷达在作业时只需要少量的地面控制基准站，航线的航向和旁向重叠率要求较低，大幅度提高了数据的采集效率。与传统航测手段相比，后期的数据处理、成果输出、外业调绘等时间也大大缩短，节省了产品生产的时间，很好地解决了目前水利工程测绘面临的工期紧、成果精度要求高的难题。

(6) 数据成果丰富

传统的测绘手段是基于点进行测量，只能获取有限的地面点坐标信息进行常规的DLG生产。机载激光雷达可以快速地获取海量的点云数据，如果在机载激光雷达平台上搭载了数码相机，可以在获得点云数据的同时获取地面的数字影像，经过内业数据处理可获得数字地表模型、数字地面模型、数字正射影像、数字线划图等，将DEM和DOM模型结合还可以用于断面提取、计算库容和水库淹没范围线等，这些丰富的测绘成果为水利工程建设提供了数据支持和保障。

4 总结与展望

机载激光雷达技术是新兴的测绘技术，全天候作业、成果丰富、作业效率高、成果精度高等优势使得该技术在水利工程测绘领域得到了较好的应用。虽然机载激光雷达目前在实践中仍有不足之处，但随着技术的进步和硬件设备的完善，该技术仍有很大的发展潜力，特别是在多源数据获取和处理、多样数据生产等方面，以及水利行业的河道监管、防汛抗旱、水土保持监管、抢险救灾等多个领域具有很好的应用前景。本文通过对机载激光雷达的技术原理、技术特点和应用优势进行详细介绍和对比分析，以期为该技术在水利行业或其他领域的推广和应用提供参考。