水利工程機載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用

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【摘要】為更好地解決水利工程中的測繪問題，機載激光雷達(dá)技術(shù)最早在一些歐美國家得以應(yīng)用并推廣，直到20世紀(jì)90年代，我國逐漸引進并應(yīng)用。該技術(shù)由于集成了GPS系統(tǒng)以及激光測距系統(tǒng)、INS系統(tǒng)，因而在地球空間信息的獲取方面有良好的應(yīng)用效果。本文首先對機載激光雷達(dá)技術(shù)的特點和應(yīng)用領(lǐng)域進行探討，并進一步研究該技術(shù)在水利工程中的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】水利工程；機載激光雷達(dá)技術(shù)；應(yīng)用分析

引言

為提高水利工程測繪工作的質(zhì)量與效率，當(dāng)前應(yīng)加強對各類先進測繪技術(shù)與產(chǎn)品的應(yīng)用。機載激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)，能夠在較短的時間內(nèi)完成三維空間地理信息的采集，進而極大地提高了水利工程測繪工作的效率。此外，在電力工程、交通運輸行業(yè)以及國土資源調(diào)查等工作中，亦有該技術(shù)的應(yīng)用。

1機載激光雷達(dá)技術(shù)的特點與應(yīng)用領(lǐng)域分析

1.1技術(shù)特點

在應(yīng)用機載激光雷達(dá)技術(shù)開展水利工程的測繪測量工作期間，由于全球定位系統(tǒng)可以實時的為測繪人員提供飛行裝置的具體空間位置，所使用的激光掃描測距系統(tǒng)可以實時、準(zhǔn)確的測量被測物體與飛行裝置之間的相對位置。另外，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以實時顯示飛行裝置的姿態(tài)與軌跡等信息參數(shù)。因而，通過上述三種系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，可以實時、精確掌握地面物體的三維信息，進而為測繪工作提供更加全面的信息與參數(shù)。其中，圖1為機載激光雷達(dá)技術(shù)原理圖。相比于其他測繪技術(shù)與系統(tǒng)而言，機載激光雷達(dá)技術(shù)的特點與優(yōu)勢如下：①該技術(shù)的應(yīng)用能夠獲取到更加清晰的影像資料與信息；由于該技術(shù)應(yīng)用期間搭載了更加專業(yè)、先進的數(shù)碼相機設(shè)備，因而在信息獲取方面的能力更加強大；②該技術(shù)的應(yīng)用能夠獲取到高密度三維點云。在應(yīng)用機載激光雷達(dá)技術(shù)開展測繪工作期間，由于用到了激光回波探測原理，因而與傳統(tǒng)的航空測繪技術(shù)相比，該技術(shù)獲取到高密度三維點云的能力顯著提升；③自動化水平更高。從最初的飛行裝置設(shè)計，到后期的信息數(shù)據(jù)獲取，再到信息數(shù)據(jù)的處理，全過程信息的處理都應(yīng)用到自動化技術(shù)，因而效率與精確化程度非常高。同時，由于GPS技術(shù)的應(yīng)用，可以實時顯示出飛行裝置的軌跡，從而避免漏拍等問題的發(fā)生；④該技術(shù)使用過程中的信息獲取敏感性更高。LIDAR系統(tǒng)能夠穿透地表植被，從而獲取到地面點數(shù)據(jù)，其敏感性更高；⑤生產(chǎn)周期短。因為LIDAR系統(tǒng)能夠直接獲取到外方位元素，因而測繪過程中基本可以忽略地面控制點的影響。同時，采用DEM與DOM的生產(chǎn)，因而成圖效率能夠提高40%左右。相比其他測繪系統(tǒng)與技術(shù)，其工作周期大大縮短。但是，在應(yīng)用機載激光雷達(dá)技術(shù)期間，也存在一些問題：首先，很多地區(qū)對于航空設(shè)備的管制較為嚴(yán)格，對于飛行申報有嚴(yán)格的管控，審批時間相對長；其次，飛行過程受到外界惡劣天氣的影響，因而會對工期產(chǎn)生一定的不利影響；此外，在一些地形相對復(fù)雜的區(qū)域，數(shù)字模型的精確度與完整性很難得到保障；另外，傳統(tǒng)的數(shù)碼相機相幅較小、體積與重量較大，因而會給測繪工作帶來一定的麻煩。

1.2應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)前，機載LIDAR技術(shù)在水利水電行業(yè)、國土資源調(diào)查工作以及林業(yè)、公路、鐵路工程設(shè)計等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。一方面，該技術(shù)在林業(yè)方面的應(yīng)用較為廣泛，同時機載LIDAR系統(tǒng)最早也是在林業(yè)領(lǐng)域得以推廣，尤其在進行樹冠下部地形的測繪、樹高的測繪以及生態(tài)環(huán)境等測繪工作中，都能看到該技術(shù)的應(yīng)用；另一方面，機載LIDAR技術(shù)在水利水電工程建設(shè)方面的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在工程建設(shè)、河流監(jiān)控以及問題治理等方面，都可以利用機載LIDAR產(chǎn)生的DEM開展相關(guān)的測繪測算工作。其中，通過三角網(wǎng)高程值的應(yīng)用，可以為水利部門預(yù)測洪水災(zāi)害的范圍，并且可以根據(jù)測繪到的數(shù)據(jù)信息，進一步計算出水位的淹沒范圍和水災(zāi)的危害狀況，并以此為基礎(chǔ)開展防災(zāi)減災(zāi)工作。同時，在開展水利工程的設(shè)計與建設(shè)過程中，也有用到機載LIDAR技術(shù)及相關(guān)設(shè)備。

2機載激光雷達(dá)技術(shù)在水利工程中的具體應(yīng)用分析

水利工程的建設(shè)與運營，為促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。同時，做好極端天氣下的水利工程防災(zāi)減災(zāi)工作對于確保人民生命與財產(chǎn)安全有重要的意義。某抽水蓄能電站總裝機容量2400MW，電站地處華東電網(wǎng)負(fù)荷中心附近。該電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，工程樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建筑物組成。

2.1信息數(shù)據(jù)采集

本項目采用奧地利瑞格公司的掃描鷹HS－1600機載激光雷達(dá)航攝系統(tǒng)，為更加全面地完成信息數(shù)據(jù)的采集，首先應(yīng)當(dāng)結(jié)合測繪目的進行系統(tǒng)參數(shù)的預(yù)先設(shè)計。測區(qū)范圍面積約20km2，在完成每架次的信息采集之后，還要對數(shù)據(jù)信息的完整性進行檢查，并對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行校核。一般來說，采集過程中不僅要對激光測距數(shù)據(jù)以及影響數(shù)據(jù)做好采集。同時，還要完成對地面GPS基站等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)機載LIDAR航攝技術(shù)要求、測區(qū)范圍、成圖要求及HS－1600LIDAR航攝儀性能，劃分航攝分區(qū)，本測區(qū)共分為12個子測區(qū)。測區(qū)數(shù)據(jù)的實際采集分3個架次，在測區(qū)空域允許及氣象條件允許的情況下進行數(shù)據(jù)采集，從起降場起飛到最后飛機降落，飛行時間為4個多小時。

2.2信息數(shù)據(jù)處理

作為機載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用期間的核心環(huán)節(jié)，做好信息數(shù)據(jù)的處理對于提高水利工程測繪工作的質(zhì)量有極為重要的意義。利用POSPAC解算的軌跡數(shù)據(jù)，在RIEGL自帶的處理軟件RIPROCESS中對各航帶的數(shù)據(jù)進行分別的解算。總體而言，信息數(shù)據(jù)處理總共包含三個環(huán)節(jié)：①數(shù)據(jù)的預(yù)處理。系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)受到殘余誤差以及GPS觀測條件等各類因素的影響，難免會出現(xiàn)問題。同時，在進行不同航帶間的激光點云的拼接工作時，也會出現(xiàn)拼接方面的誤差。鑒于此，應(yīng)切實做好不同航帶間的匹配工作。此外，還要提高平差處理效果，確保掃描數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)、控制點之間有良好的契合效果；②不斷細(xì)化激光點云類別。合理利用三維激光點云信息數(shù)據(jù)，能夠更好地反映出測繪區(qū)域地表覆蓋類型。這一過程中，要加強對特定濾波算法的應(yīng)用。如此一來，便可以把測區(qū)存在的橋梁、建筑以及植被等類型的地表數(shù)據(jù)進行有效剝離。在開展激光點云類別細(xì)化工作期間，還要考慮到激光多回波以及易穿透等相關(guān)特點，不斷提高數(shù)據(jù)的精確效果；③坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。信息數(shù)據(jù)處理要加強對信息處理軟件的應(yīng)用，進而增強數(shù)據(jù)契合效果。在整個機載LIDAR系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理軟件相比較于硬件的發(fā)展雖然速度快、進展迅猛，但我們也要清醒地認(rèn)識到數(shù)據(jù)處理軟件有一定的滯后性缺陷。鑒于此，當(dāng)前應(yīng)結(jié)合我國水利測繪工作的基本國情，加強對機載LIDAR系統(tǒng)軟件方面的研發(fā)與應(yīng)用，有效推動機載LIDAR系統(tǒng)與技術(shù)的發(fā)展。

2.3平面、高程精準(zhǔn)度的評價

首先，平面精準(zhǔn)度的評價。在檢測區(qū)域的內(nèi)部，分布著大量的激光點云平面檢查點。對于平面檢查點而言，應(yīng)當(dāng)對規(guī)則的建筑工程的側(cè)面激光點點云進行全面提取，并開展后續(xù)的水平投影處理。實際測量過程中，經(jīng)常會受到測量區(qū)域內(nèi)部條件的影響，導(dǎo)致平面檢查點的選取受到限制。相比較而言，在平面檢查點的選擇上數(shù)量雖然不多，但是在分布和擬合方式上，能夠滿足精度方面的要求。其次，高程精準(zhǔn)度評價。在開展激光點云高程精準(zhǔn)度的檢驗工作時，應(yīng)當(dāng)對激光點云數(shù)據(jù)做出分類（見圖2），并根據(jù)數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建相應(yīng)的地面模型。同時，還要與實際測量高程點進行仔細(xì)的對比，進而做好誤差統(tǒng)計工作。需要注意的是，統(tǒng)計誤差環(huán)節(jié)中要注重激光點的細(xì)化，進入將其轉(zhuǎn)換成為不同類型的高程檢查點，以便對高程精確度做出客觀真實的評價。

3結(jié)語

機載LIDAR技術(shù)的合理應(yīng)用與快速發(fā)展，全面提高了測繪工作地球空間信息的高時空分辨率。此外，該技術(shù)的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的單一信息、數(shù)據(jù)獲取模式，提高了信息數(shù)據(jù)的自動化處理效率和水平，極大地改善了觀測過程的精度與速度。在可預(yù)見的未來，機載激光雷達(dá)技術(shù)在攝影測量領(lǐng)域以及工程測繪等相關(guān)領(lǐng)域，一定會有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

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作者：胡志權(quán) 單位：重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院有限公司