水利工程機載激光雷達技術應用

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【摘要】為更好地解決水利工程中的測繪問題，機載激光雷達技術最早在一些歐美國家得以應用并推廣，直到20世紀90年代，我國逐漸引進并應用。該技術由于集成了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用效果。本文首先對機載激光雷達技術的特點和應用領域進行探討，并進一步研究該技術在水利工程中的具體應用。

【關鍵詞】水利工程；機載激光雷達技術；應用分析

引言

為提高水利工程測繪工作的質量與效率，當前應加強對各類先進測繪技術與產品的應用。機載激光雷達技術的出現(xiàn)，能夠在較短的時間內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)以及國土資源調查等工作中，亦有該技術的應用。

1機載激光雷達技術的特點與應用領域分析

1.1技術特點

在應用機載激光雷達技術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為機載激光雷達技術原理圖。相比于其他測繪技術與系統(tǒng)而言，機載激光雷達技術的特點與優(yōu)勢如下：①該技術的應用能夠獲取到更加清晰的影像資料與信息；由于該技術應用期間搭載了更加專業(yè)、先進的數(shù)碼相機設備，因而在信息獲取方面的能力更加強大；②該技術的應用能夠獲取到高密度三維點云。在應用機載激光雷達技術開展測繪工作期間，由于用到了激光回波探測原理，因而與傳統(tǒng)的航空測繪技術相比，該技術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用到自動化技術，因而效率與精確化程度非常高。同時，由于GPS技術的應用，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，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，其工作周期大大縮短。但是，在應用機載激光雷達技術期間，也存在一些問題：首先，很多地區(qū)對于航空設備的管制較為嚴格，對于飛行申報有嚴格的管控，審批時間相對長；其次，飛行過程受到外界惡劣天氣的影響，因而會對工期產生一定的不利影響；此外，在一些地形相對復雜的區(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應用領域

當前，機載LIDAR技術在水利水電行業(yè)、國土資源調查工作以及林業(yè)、公路、鐵路工程設計等領域都有廣泛應用。一方面，該技術在林業(yè)方面的應用較為廣泛，同時機載LIDAR系統(tǒng)最早也是在林業(yè)領域得以推廣，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，都能看到該技術的應用；另一方面，機載LIDAR技術在水利水電工程建設方面的應用越來越廣泛，尤其在工程建設、河流監(jiān)控以及問題治理等方面，都可以利用機載LIDAR產生的DEM開展相關的測繪測算工作。其中，通過三角網高程值的應用，可以為水利部門預測洪水災害的范圍，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的危害狀況，并以此為基礎開展防災減災工作。同時，在開展水利工程的設計與建設過程中，也有用到機載LIDAR技術及相關設備。

2機載激光雷達技術在水利工程中的具體應用分析

水利工程的建設與運營，為促進地區(qū)經濟發(fā)展做出了重要的貢獻。同時，做好極端天氣下的水利工程防災減災工作對于確保人民生命與財產安全有重要的意義。某抽水蓄能電站總裝機容量2400MW，電站地處華東電網負荷中心附近。該電站為日調節(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，首先應當結合測繪目的進行系統(tǒng)參數(shù)的預先設計。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基站等相關數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)機載LIDAR航攝技術要求、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

作為機載激光雷達技術應用期間的核心環(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化工作期間，還要考慮到激光多回波以及易穿透等相關特點，不斷提高數(shù)據(jù)的精確效果；③坐標的轉換。信息數(shù)據(jù)處理要加強對信息處理軟件的應用，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識到數(shù)據(jù)處理軟件有一定的滯后性缺陷。鑒于此，當前應結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)與應用，有效推動機載LIDAR系統(tǒng)與技術的發(fā)展。

2.3平面、高程精準度的評價

首先，平面精準度的評價。在檢測區(qū)域的內部，分布著大量的激光點云平面檢查點。對于平面檢查點而言，應當對規(guī)則的建筑工程的側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，經常會受到測量區(qū)域內部條件的影響，導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，高程精準度評價。在開展激光點云高程精準度的檢驗工作時，應當對激光點云數(shù)據(jù)做出分類（見圖2），并根據(jù)數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建相應的地面模型。同時，還要與實際測量高程點進行仔細的對比，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化，進入將其轉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結語

機載LIDAR技術的合理應用與快速發(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，該技術的應用打破了傳統(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。在可預見的未來，機載激光雷達技術在攝影測量領域以及工程測繪等相關領域，一定會有廣闊的發(fā)展與應用前景。

參考文獻

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作者：胡志權 單位：重慶市水利電力建筑勘測設計研究院有限公司