摘要：为解决全站仪及RTK测量外业工作量大、测量工期长、特殊地形的局限性以及不利于勘测设计一体化问题，以及传统航空摄影测量技术在水利勘测中无法获取植被覆盖下的地表三维信息和高程精度不易控制等问题，从无人机载LiDAR技术在水利行业中的应用现状、机载LiDAR技术的特点及其优势进行探讨，并通过实例验证了无人机载LiDAR机动性能好、环境适应能力强、精度可靠等优势，其可应用于高精度DEM、大比例尺地形图、横断面图制作等，在提高效率的同时可降低成本。
关键词：无人机载LiDAR；水利工程勘测；高精度DEM；大比例尺地形图；横断面图
无人机载激光雷达是在无人机航空平台上，集成激光扫描系统、定位定姿系统（POS）、数码相机和控制系统为一体的空间测量系统。该系统通过主动向地面发射激光脉冲来获取多种地表信息（如点位信息、距离信息、地面反射物材质信息、回波次数等），可以获取植被覆盖下的地表高程信息，结合光学影像和准确的地表高程数据直接生成断面图、高精度数字高程模型（DEM）和数字线划图（DLG）等，可以为水利工程建设提供高精度的基础测绘数据。新兴的无人机载（简称机载）LiDAR技术解决了传统摄影测量高程精度较差的问题，两种技术优势互补，将成为水利勘测的重要技术手段。
1机载LiDAR在水利行业应用现状
机载LiDAR技术在水利行业中的应用领域有很多，起初大都是基于动态监测及灾害管理，如海岸侵蚀监测、滩涂资源动态监测、山洪灾害调查、洪水淹没范围调查、滑坡范围圈定等［1］；随着硬件设备的成熟和精度的提高，逐渐被应用于水利勘测中，为水利工程建设提供高精度的基础测绘数据。国外机载LiDAR的应用起步较早，如Quaritsch及Adams等［2－3］采用该技术进行灾害区域动态监测，Sturzenegger等［4］采用机载LiDAR数据对滑坡体进行不同尺度构造信息的提取，David等［5］将不同时期的激光点云滤波后生成DEM进而对河岸侵蚀进行评估。我国机载LiDAR技术起步较晚，近年来在水利行业的应用进行了有益尝试，如：魏永强等［6］将激光雷达技术用于小流域暴雨山洪二维数值模拟研究，许宝华等［7］将该技术应用于潮间带测量中（取得了优于10cm的地形高程测量精度），蒋金虎等［8］采用机载LiDAR制作DEM、DSM、DOM等基础测绘产品进而为小浪底水利枢纽三维地理信息系统的开发提供基础地理数据。
2机载LiDAR在水利勘测中应用的优势
2.1水利勘测工作的特点
水利勘测工作一般具有如下特点；①测区范围大，水库库区面积为几十甚至上百平方千米；②测区形状多为条带状，河道测区长度为几十千米，而宽度仅为几百米；③对测量精度要求高，通常情况下，可研阶段需要比例尺为1∶2000的测量成果，施工时需要比例尺为1∶1000的测量成果，重点建筑物区域需要比例尺为1∶500的测量成果；④山区高差大，部分地区高差为数百米甚至上千米；⑤植被茂密，由于水利工程周边一般温度适宜、降水丰富而且人迹罕至，因此各类植被生长茂密，原始森林面积大；⑥人口稀少、交通不便，许多水利工程位置偏僻、远离公路。
2.2机载LiDAR技术优势
机载LiDAR是一种主动式对地观测技术，具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等特点，在水利行业各领域（水资源、地质、移民、环境保护、水工、施工等）中都具有很大优势。（1）受天气影响小。机载LiDAR作为一种主动式的遥感技术，有不受天气、光照等条件制约的优势，在相对恶劣复杂的环境中依然能够获取高精度的地面空间信息。（2）获取空间信息的速度快、效率高、作业安全。能在短时间内获取大范围地表三维空间信息，减少外业工作量，提高效率，同时解决危险区域测绘人员不能到达及不安全问题，使得作业的安全性得以保障。（3）有一定的穿透性。机载LiDAR发射的激光脉冲信号对植被具有一定的穿透能力，且有多次回波，能得到植被信息及地表三维信息，在植被茂盛的丘陵山地优势明显。（4）测量精度高。激光点云数据精度可达0.05～0.15m，尤其是高程数据准确性高，能满足1∶500地形图的要求。（5）产品多样化。机载LiDAR能同时获取点云和数码影像，经处理后可提供丰富的产品，包括高密度点云、断面、高精度数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字线划图（DLG）以及数字地表模型（DSM）等，这些产品除了用于水利勘测设计外，对数字水利和水利BIM等信息化建设也具有强大优势。
3应用实例
3.1测区概况及数据采集
测区位于河南省信阳市固始县，该县南依大别山、北临淮河，属华东与中原交融地带。测区为淮河南岸一级支流史灌河下游悬河段堤防工程，测区宽400m，总长21km，地貌分区处于淮河冲积平原，河道两岸地形复杂，植被茂密。试验采用的激光雷达系统型号为QLiDAR－H1350H1C，搭载在云影C200垂直起降固定翼无人机飞行平台上。该系统集成了RIEGL＿VUX－1LR激光器，有效测距为1350m、测距精度1.5cm、最多能接收5次回波。集成天宝APX20惯导系统，该惯导系统俯仰角／横滚角精度为0.006°、航向角精度为0.02°、采样频率达200Hz。相机采用索尼A7RⅡ全画幅相机，镜头焦距为35mm，像元尺寸为4.5μm，像幅7952×5304（约4200万像素）。机载LiDAR航测技术指标见表1。数据采集应严格按设计参数执行，选择在晴天、风速小、无低云天气飞行。无人机起飞前对安装好的仪器设备进行检查和调试，保证机载GNSS接收机能够接收到7颗以上卫星，查看飞行参数、激光脉冲发射频率和相机系统等是否正常；飞行过程中密切关注飞机姿态、天气变化以保证数据质量和飞行安全；飞行结束后，现场进行轨迹解算和点云数据解析，并对数据质量进行检查，若存在数据漏洞或质量不合格区域则及时补飞或重飞。
3.2原始数据处理及应用
对机载LiDAR航测原始数据，通过点云分类、航片空三加密、立测采集、正射纠正等处理，可用于高精度DEM、大比例尺地形图、断面图、DOM等的制作，以满足水利工程规划、设计、施工等各阶段的需求。
3.2.1高精度DEM制作
经数据预处理后的点云数据，虽然其精度、航带间匹配参数等均满足技术设计要求，但是由于点云本身并不具有它所表达地物的属性信息，因此要获取所表达地物的属性，须对点云进行分类处理。通过分类，确定表达地面真实形态的地面点云，再由地面点云生成高精度数字高程模型（DEM）。为校核采用机载LiDAR点云制作DEM的精度，外业采用网络RTK在测区均匀采集50个高程检查点，检查点DEM的高程插值最小误差－0.08m、最大误差0.12m、均方根误差0.05m、标准差0.04m，总体误差较小，能够满足大多数水利工程设计对DEM的精度要求。
3.2.2横断面提取
为解决采用传统全站仪、RTK方法进行断面测量时工作量大、效率低、不能获取植被覆盖区域地面高程的不足，笔者提出一种基于TIN模型自动提取初始断面后，返回立体测图模型中进行粗差剔除的高精度断面半自动生成方法。该方法的基本流程为：首先，在对点云进行背景剥离获取地面点云后，对点云进行人工精编，获得高精度的地面点云；其次，采用具有保持地形特征点的不规则三角网模型（TIN）进行地形建模，通过三角网插值提取初始横断面图，批量提取的断面点能大部分贴合实际断面，但是在有些关键点比如坡顶、坡底不是十分精确；最后，为解决工程上对断面的高精度要求，将初始提取的断面线返回立体测图模型中进行粗差剔除，在立体模型上补充漏掉的点、剔除多余的点，从而得到高精度的横断面图，图1为提取的史灌河堤防某断面图。
3.2.3大比例尺地形图制作
大比例尺地形图制作方法：首先在立体模型上进行地物采集和高程点位置标绘，然后利用高精度DEM数据对高程点的高程值进行替换，最后将高程点导入立体模型逐一检查，保证大比例尺地形图中高程值的准确性。该制图方法避免了激光点云错误分类导致粗差的产生，同时，充分发挥了摄影测量平面精度高和激光点云高程精度高的优势。图2为DLG叠加DOM成果图。
4结语
机载LiDAR系统数据产品丰富、自动化程度高、获取数据精度高、生产周期短，可穿透植被获取地表高程信息，其优势是其他测量手段无法比拟的，可应用于高精度DEM、地形图、横断面图制作等，在提高效率的同时可降低成本。随着水利勘测设计行业的信息化、智慧化水平不断提高，机载LiDAR系统提供的多元数据产品已在水利行业的诸多领域得到很好的应用，机载LiDAR系统必将在水利行业得到更加广泛的应用。
作者：杨玉栋 裴书玉 单位：河南省水利勘测有限公司
