水利工程机载激光雷达技术应用

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【摘要】为更好地解决水利工程中的测绘问题，机载激光雷达技术最早在一些欧美国家得以应用并推广，直到20世纪90年代，我国逐渐引进并应用。该技术由于集成了GPS系统以及激光测距系统、INS系统，因而在地球空间信息的获取方面有良好的应用效果。本文首先对机载激光雷达技术的特点和应用领域进行探讨，并进一步研究该技术在水利工程中的具体应用。

【关键词】水利工程；机载激光雷达技术；应用分析

引言

为提高水利工程测绘工作的质量与效率，当前应加强对各类先进测绘技术与产品的应用。机载激光雷达技术的出现，能够在较短的时间内完成三维空间地理信息的采集，进而极大地提高了水利工程测绘工作的效率。此外，在电力工程、交通运输行业以及国土资源调查等工作中，亦有该技术的应用。

1机载激光雷达技术的特点与应用领域分析

1.1技术特点

在应用机载激光雷达技术开展水利工程的测绘测量工作期间，由于全球定位系统可以实时的为测绘人员提供飞行装置的具体空间位置，所使用的激光扫描测距系统可以实时、准确的测量被测物体与飞行装置之间的相对位置。另外，惯性导航系统可以实时显示飞行装置的姿态与轨迹等信息参数。因而，通过上述三种系统的综合应用，可以实时、精确掌握地面物体的三维信息，进而为测绘工作提供更加全面的信息与参数。其中，图1为机载激光雷达技术原理图。相比于其他测绘技术与系统而言，机载激光雷达技术的特点与优势如下：①该技术的应用能够获取到更加清晰的影像资料与信息；由于该技术应用期间搭载了更加专业、先进的数码相机设备，因而在信息获取方面的能力更加强大；②该技术的应用能够获取到高密度三维点云。在应用机载激光雷达技术开展测绘工作期间，由于用到了激光回波探测原理，因而与传统的航空测绘技术相比，该技术获取到高密度三维点云的能力显著提升；③自动化水平更高。从最初的飞行装置设计，到后期的信息数据获取，再到信息数据的处理，全过程信息的处理都应用到自动化技术，因而效率与精确化程度非常高。同时，由于GPS技术的应用，可以实时显示出飞行装置的轨迹，从而避免漏拍等问题的发生；④该技术使用过程中的信息获取敏感性更高。LIDAR系统能够穿透地表植被，从而获取到地面点数据，其敏感性更高；⑤生产周期短。因为LIDAR系统能够直接获取到外方位元素，因而测绘过程中基本可以忽略地面控制点的影响。同时，采用DEM与DOM的生产，因而成图效率能够提高40%左右。相比其他测绘系统与技术，其工作周期大大缩短。但是，在应用机载激光雷达技术期间，也存在一些问题：首先，很多地区对于航空设备的管制较为严格，对于飞行申报有严格的管控，审批时间相对长；其次，飞行过程受到外界恶劣天气的影响，因而会对工期产生一定的不利影响；此外，在一些地形相对复杂的区域，数字模型的精确度与完整性很难得到保障；另外，传统的数码相机相幅较小、体积与重量较大，因而会给测绘工作带来一定的麻烦。

1.2应用领域

当前，机载LIDAR技术在水利水电行业、国土资源调查工作以及林业、公路、铁路工程设计等领域都有广泛应用。一方面，该技术在林业方面的应用较为广泛，同时机载LIDAR系统最早也是在林业领域得以推广，尤其在进行树冠下部地形的测绘、树高的测绘以及生态环境等测绘工作中，都能看到该技术的应用；另一方面，机载LIDAR技术在水利水电工程建设方面的应用越来越广泛，尤其在工程建设、河流监控以及问题治理等方面，都可以利用机载LIDAR产生的DEM开展相关的测绘测算工作。其中，通过三角网高程值的应用，可以为水利部门预测洪水灾害的范围，并且可以根据测绘到的数据信息，进一步计算出水位的淹没范围和水灾的危害状况，并以此为基础开展防灾减灾工作。同时，在开展水利工程的设计与建设过程中，也有用到机载LIDAR技术及相关设备。

2机载激光雷达技术在水利工程中的具体应用分析

水利工程的建设与运营，为促进地区经济发展做出了重要的贡献。同时，做好极端天气下的水利工程防灾减灾工作对于确保人民生命与财产安全有重要的意义。某抽水蓄能电站总装机容量2400MW，电站地处华东电网负荷中心附近。该电站为日调节纯抽水蓄能电站，工程枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成。

2.1信息数据采集

本项目采用奥地利瑞格公司的扫描鹰HS－1600机载激光雷达航摄系统，为更加全面地完成信息数据的采集，首先应当结合测绘目的进行系统参数的预先设计。测区范围面积约20km2，在完成每架次的信息采集之后，还要对数据信息的完整性进行检查，并对数据质量进行校核。一般来说，采集过程中不仅要对激光测距数据以及影响数据做好采集。同时，还要完成对地面GPS基站等相关数据的采集。根据机载LIDAR航摄技术要求、测区范围、成图要求及HS－1600LIDAR航摄仪性能，划分航摄分区，本测区共分为12个子测区。测区数据的实际采集分3个架次，在测区空域允许及气象条件允许的情况下进行数据采集，从起降场起飞到最后飞机降落，飞行时间为4个多小时。

2.2信息数据处理

作为机载激光雷达技术应用期间的核心环节，做好信息数据的处理对于提高水利工程测绘工作的质量有极为重要的意义。利用POSPAC解算的轨迹数据，在RIEGL自带的处理软件RIPROCESS中对各航带的数据进行分别的解算。总体而言，信息数据处理总共包含三个环节：①数据的预处理。系统采集到的数据受到残余误差以及GPS观测条件等各类因素的影响，难免会出现问题。同时，在进行不同航带间的激光点云的拼接工作时，也会出现拼接方面的误差。鉴于此，应切实做好不同航带间的匹配工作。此外，还要提高平差处理效果，确保扫描数据和原始数据、控制点之间有良好的契合效果；②不断细化激光点云类别。合理利用三维激光点云信息数据，能够更好地反映出测绘区域地表覆盖类型。这一过程中，要加强对特定滤波算法的应用。如此一来，便可以把测区存在的桥梁、建筑以及植被等类型的地表数据进行有效剥离。在开展激光点云类别细化工作期间，还要考虑到激光多回波以及易穿透等相关特点，不断提高数据的精确效果；③坐标的转换。信息数据处理要加强对信息处理软件的应用，进而增强数据契合效果。在整个机载LIDAR系统中，数据处理软件相比较于硬件的发展虽然速度快、进展迅猛，但我们也要清醒地认识到数据处理软件有一定的滞后性缺陷。鉴于此，当前应结合我国水利测绘工作的基本国情，加强对机载LIDAR系统软件方面的研发与应用，有效推动机载LIDAR系统与技术的发展。

2.3平面、高程精准度的评价

首先，平面精准度的评价。在检测区域的内部，分布着大量的激光点云平面检查点。对于平面检查点而言，应当对规则的建筑工程的侧面激光点点云进行全面提取，并开展后续的水平投影处理。实际测量过程中，经常会受到测量区域内部条件的影响，导致平面检查点的选取受到限制。相比较而言，在平面检查点的选择上数量虽然不多，但是在分布和拟合方式上，能够满足精度方面的要求。其次，高程精准度评价。在开展激光点云高程精准度的检验工作时，应当对激光点云数据做出分类（见图2），并根据数据类型创建相应的地面模型。同时，还要与实际测量高程点进行仔细的对比，进而做好误差统计工作。需要注意的是，统计误差环节中要注重激光点的细化，进入将其转换成为不同类型的高程检查点，以便对高程精确度做出客观真实的评价。

3结语

机载LIDAR技术的合理应用与快速发展，全面提高了测绘工作地球空间信息的高时空分辨率。此外，该技术的应用打破了传统的单一信息、数据获取模式，提高了信息数据的自动化处理效率和水平，极大地改善了观测过程的精度与速度。在可预见的未来，机载激光雷达技术在摄影测量领域以及工程测绘等相关领域，一定会有广阔的发展与应用前景。

参考文献

[1]陈松尧，程新文.机载LiDAR系统原理与应用综述[J].测绘工程，2017（1）：27-31.

[2]董张博.激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用分析[J].建筑工程技术与设计，2017（36）：250.

[3]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2007.

作者：胡志权 单位：重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司