水利工程機(jī)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(cè)繪問(wèn)題，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)最早在一些歐美國(guó)家得以應(yīng)用并推廣，直到20世紀(jì)90年代，我國(guó)逐漸引進(jìn)并應(yīng)用。該技術(shù)由于集成了GPS系統(tǒng)以及激光測(cè)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(duì)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行探討，并進(jìn)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(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)；應(yīng)用分析

引言

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

1機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域分析

1.1技術(shù)特點(diǎn)

在應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)開(kāi)展水利工程的測(cè)繪測(cè)量工作期間，由于全球定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的為測(cè)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(cè)距系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量被測(cè)物體與飛行裝置之間的相對(duì)位置。另外，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示飛行裝置的姿態(tài)與軌跡等信息參數(shù)。因而，通過(guò)上述三種系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)、精確掌握地面物體的三維信息，進(jìn)而為測(cè)繪工作提供更加全面的信息與參數(shù)。其中，圖1為機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)原理圖。相比于其他測(cè)繪技術(shù)與系統(tǒng)而言，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)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(jìn)的數(shù)碼相機(jī)設(shè)備，因而在信息獲取方面的能力更加強(qiáng)大；②該技術(shù)的應(yīng)用能夠獲取到高密度三維點(diǎn)云。在應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)開(kāi)展測(cè)繪工作期間，由于用到了激光回波探測(cè)原理，因而與傳統(tǒng)的航空測(cè)繪技術(shù)相比，該技術(shù)獲取到高密度三維點(diǎn)云的能力顯著提升；③自動(dòng)化水平更高。從最初的飛行裝置設(shè)計(jì)，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(guò)程信息的處理都應(yīng)用到自動(dòng)化技術(shù)，因而效率與精確化程度非常高。同時(shí)，由于GPS技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)顯示出飛行裝置的軌跡，從而避免漏拍等問(wèn)題的發(fā)生；④該技術(shù)使用過(guò)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(diǎn)數(shù)據(jù)，其敏感性更高；⑤生產(chǎn)周期短。因?yàn)長(zhǎng)IDAR系統(tǒng)能夠直接獲取到外方位元素，因而測(cè)繪過(guò)程中基本可以忽略地面控制點(diǎn)的影響。同時(shí)，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(cè)繪系統(tǒng)與技術(shù)，其工作周期大大縮短。但是，在應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)期間，也存在一些問(wèn)題：首先，很多地區(qū)對(duì)于航空設(shè)備的管制較為嚴(yán)格，對(duì)于飛行申報(bào)有嚴(yán)格的管控，審批時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)；其次，飛行過(guò)程受到外界惡劣天氣的影響，因而會(huì)對(duì)工期產(chǎn)生一定的不利影響；此外，在一些地形相對(duì)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(jī)相幅較小、體積與重量較大，因而會(huì)給測(cè)繪工作帶來(lái)一定的麻煩。

1.2應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)前，機(jī)載LIDAR技術(shù)在水利水電行業(yè)、國(guó)土資源調(diào)查工作以及林業(yè)、公路、鐵路工程設(shè)計(jì)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(shí)機(jī)載LIDAR系統(tǒng)最早也是在林業(yè)領(lǐng)域得以推廣，尤其在進(jìn)行樹(shù)冠下部地形的測(cè)繪、樹(shù)高的測(cè)繪以及生態(tài)環(huán)境等測(cè)繪工作中，都能看到該技術(shù)的應(yīng)用；另一方面，機(jī)載LIDAR技術(shù)在水利水電工程建設(shè)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在工程建設(shè)、河流監(jiān)控以及問(wèn)題治理等方面，都可以利用機(jī)載LIDAR產(chǎn)生的DEM開(kāi)展相關(guān)的測(cè)繪測(cè)算工作。其中，通過(guò)三角網(wǎng)高程值的應(yīng)用，可以為水利部門(mén)預(yù)測(cè)洪水災(zāi)害的范圍，并且可以根據(jù)測(cè)繪到的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步計(jì)算出水位的淹沒(méi)范圍和水災(zāi)的危害狀況，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展防災(zāi)減災(zāi)工作。同時(shí)，在開(kāi)展水利工程的設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中，也有用到機(jī)載LIDAR技術(shù)及相關(guān)設(shè)備。

2機(jī)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(yùn)營(yíng)，為促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。同時(shí)，做好極端天氣下的水利工程防災(zāi)減災(zāi)工作對(duì)于確保人民生命與財(cái)產(chǎn)安全有重要的意義。某抽水蓄能電站總裝機(jī)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(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。

2.1信息數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目采用奧地利瑞格公司的掃描鷹HS－1600機(jī)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(cè)繪目的進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的預(yù)先設(shè)計(jì)。測(cè)區(qū)范圍面積約20km2，在完成每架次的信息采集之后，還要對(duì)數(shù)據(jù)信息的完整性進(jìn)行檢查，并對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行校核。一般來(lái)說(shuō)，采集過(guò)程中不僅要對(duì)激光測(cè)距數(shù)據(jù)以及影響數(shù)據(jù)做好采集。同時(shí)，還要完成對(duì)地面GPS基站等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)機(jī)載LIDAR航攝技術(shù)要求、測(cè)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(cè)區(qū)共分為12個(gè)子測(cè)區(qū)。測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)的實(shí)際采集分3個(gè)架次，在測(cè)區(qū)空域允許及氣象條件允許的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從起降場(chǎng)起飛到最后飛機(jī)降落，飛行時(shí)間為4個(gè)多小時(shí)。

2.2信息數(shù)據(jù)處理

作為機(jī)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(duì)于提高水利工程測(cè)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(duì)各航帶的數(shù)據(jù)進(jìn)行分別的解算。總體而言，信息數(shù)據(jù)處理總共包含三個(gè)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(cè)條件等各類因素的影響，難免會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)，在進(jìn)行不同航帶間的激光點(diǎn)云的拼接工作時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)拼接方面的誤差。鑒于此，應(yīng)切實(shí)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(diǎn)之間有良好的契合效果；②不斷細(xì)化激光點(diǎn)云類別。合理利用三維激光點(diǎn)云信息數(shù)據(jù)，能夠更好地反映出測(cè)繪區(qū)域地表覆蓋類型。這一過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)特定濾波算法的應(yīng)用。如此一來(lái)，便可以把測(cè)區(qū)存在的橋梁、建筑以及植被等類型的地表數(shù)據(jù)進(jìn)行有效剝離。在開(kāi)展激光點(diǎn)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(diǎn)，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(qiáng)對(duì)信息處理軟件的應(yīng)用，進(jìn)而增強(qiáng)數(shù)據(jù)契合效果。在整個(gè)機(jī)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(jìn)展迅猛，但我們也要清醒地認(rèn)識(shí)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(guó)水利測(cè)繪工作的基本國(guó)情，加強(qiáng)對(duì)機(jī)載LIDAR系統(tǒng)軟件方面的研發(fā)與應(yīng)用，有效推動(dòng)機(jī)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(píng)價(jià)

首先，平面精準(zhǔn)度的評(píng)價(jià)。在檢測(cè)區(qū)域的內(nèi)部，分布著大量的激光點(diǎn)云平面檢查點(diǎn)。對(duì)于平面檢查點(diǎn)而言，應(yīng)當(dāng)對(duì)規(guī)則的建筑工程的側(cè)面激光點(diǎn)點(diǎn)云進(jìn)行全面提取，并開(kāi)展后續(xù)的水平投影處理。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到測(cè)量區(qū)域內(nèi)部條件的影響，導(dǎo)致平面檢查點(diǎn)的選取受到限制。相比較而言，在平面檢查點(diǎn)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(píng)價(jià)。在開(kāi)展激光點(diǎn)云高程精準(zhǔn)度的檢驗(yàn)工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)做出分類（見(jiàn)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(shí)，還要與實(shí)際測(cè)量高程點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)的對(duì)比，進(jìn)而做好誤差統(tǒng)計(jì)工作。需要注意的是，統(tǒng)計(jì)誤差環(huán)節(jié)中要注重激光點(diǎn)的細(xì)化，進(jìn)入將其轉(zhuǎn)換成為不同類型的高程檢查點(diǎn)，以便對(duì)高程精確度做出客觀真實(shí)的評(píng)價(jià)。

3結(jié)語(yǔ)

機(jī)載LIDAR技術(shù)的合理應(yīng)用與快速發(fā)展，全面提高了測(cè)繪工作地球空間信息的高時(shí)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(dòng)化處理效率和水平，極大地改善了觀測(cè)過(guò)程的精度與速度。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在攝影測(cè)量領(lǐng)域以及工程測(cè)繪等相關(guān)領(lǐng)域，一定會(huì)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(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司