基于激光雷达扫描技术的河道测量研究.pdf

第卷第 期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年 月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gO c t,田佳良基于激光雷达扫描技术的河道测量研究J水利科学与寒区工程,():基于激光雷达扫描技术的河道测量研究田佳良(黔西南州兴源水利电力勘察设计有限公司,贵州 兴义 )摘要:为解决水下河床地形和高程测绘难题,本文以某河流整治工程为研究对象,借助三维激光雷达扫描技术对河道的水下地形进行现场观测.结果表明,借助三维激光雷达扫描技术完成了河道地形数据采集,相对于传统水下地形数据点采集方式,具有自动化程度高、采集点云覆盖面大、无接触测量和自动成图等优点,采用坡度滤波技术有效地对异常点进行了剔除,保证了数据的高精度.基于三维激光雷达扫描技术的测绘成果精度较高,具有推广价值.研究结果可为水利工程测绘提供参考.关键词:激光雷达扫描;河道测量;水利工程;数据高程模型;点云融合中图分类号:T N 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:田佳良(),男,吉林磐石人,助理工程师,主要从事水利工程测量工作.E m a i l:q q c o m.项目缘由贵州某河流为城市内河,在长期的城镇化进程中,河道受到人类活动的影响,导致河道淤积严重,河道的水体环境受到不同程度的污染,排水面积和灌排能力大幅度降低,给区域的水生态环境带来主动不良影响.为了改善水质,区域内展开河道清淤改造、岸坡空间风景提升等工程,但河道基础地理信息数据的陈旧,水下地形条件、水深数据以及岸坡地理数据不足导致河道整治的方案和经费难以确定.河道水下地形图的确定成为项目施工的首要工作,然而,河道周边地形条件复杂,灌木以及水生植物发育,测量船舶难以直接抵达施测,部分岸坡坡度达到 以上,成为河道测量的难点区域,为获取河床地形及高程,传统的全站仪、R T KG P S的测绘方法依赖于人力、船舶和卫星定位接收机,不仅耗时耗力,而且测速点数据较少,难于大面积覆盖、精度难以保证,存在点位分布不均匀,测量时钟同步性差、无法形成数字化的三维图像和三维点云数据,为此,借助三维激光雷达扫描技术对河道的水下地形、岸坡地形进行测量,为河道的设计、整 治、工程估算等提供基础.三维激光扫雷达描技术的基本原理三维激光雷达扫描技术是一项新兴的测绘技术,在改变了传统测量技术中以点测量获取地形地物空间数据特征的方式,以主动非接触的方式获取海量的点云数据,大面积高密度的三维点云数据经过拼接、噪声处理、滤波和建模等构建三维地形地物数据高程模型和等高线,实现对目标物的实景复制.三维激光雷达扫描的基本原理是借助激光测速仪向被测目标物透射激光脉冲,激光脉冲打射在物体表面时,由于空气与物体之间存在明显的波阻抗差异,激光脉冲被反射,按原路径返回激光测速仪中的光敏接收器中,通过计算激光发射和反射的时间t,取其一半并与光速相乘即可求得发射点与被测点目标的距离,激光扫描仪器控制编码器对横向扫描角度和纵向扫描角度进行读取,如图所示,通过三角关系换算可以求得空间位置任意被测目标的三维坐标,计算方法如式()式()所示.三维激光雷达扫描空间坐标换算原理如图所示.xSc o sc o s()ySc o ss i n()zSs i n()式中:x、y、z为空间任意被测目标点的三维坐标,m;n S为激光发射点O与被测目标点P的距离,m;为纵向扫描角度,即激光发射点O与被测目标点的连线O P与投影线O P 的夹角();为横向扫描角度,即被测目标点P在水平面上的投影与激光发射点的连线O P 与x轴的夹角,().图三维激光雷达扫描空间坐标换算原理在河道中采用三维激光雷达进行扫描作业,为保证测量精度,应该考虑河水流场对精细地形的影响.假设河水为三维连续不可压缩的流动体,其物理方程和运动方程满足连续性和动量守恒,如公式()、公式()所示.xu Ax()yv Ay()zw Az()()utVu Axuxv Ayuyw AzuzpxGxfxvtVFu Axuxv Ayuyw AzuzpyGyfywtVFu Axuxv Ayuyw AzuzpzGzfz()式中:Ax、Ay、Az为河道的面积分数;u、v、w分别为河水在x方向、y方向和z方向上的流速,m/s;Gx、Gy、Gz分别为河水在x方向、y方向和z方向上的重力加速度,m/s;fx、fy、fz分别为河水在x方向、y方向和z方向上的黏滞力加速度,m/s;VF为可流动的体积分数;为河水的质量密度,k g/m;p为河水断面上微元体上的外力,k P a.三维激光扫描技术的河道地形图测量三维激光扫描技术应用于河道地形图测量时,其基本的技术流程分为野外数据采集和内业处理两部分.在野外数据采集时采用机载L i D A R A S HL激光雷达系统,扫描仪设备型号为R i e g lV Z ,激光距离范围 m,激光扫描线频率为 H z,激光回波可以设置为无限次,激光角度分辨率为 ,激光波长峰值为 n m,激光 重 复 精 度 为 mm,I MU数 据 更 新 频 率 为 H z,激光脉冲最大发射频率为 H z,I MU后处理 姿 态 精 度 为 ,激 光 扫 描 视 场 角 为 ,I MU后处理位置精度为水平方向 m,高程 m.基于三维激光扫描技术的河道测量技术总体流程如图所示,为了对比三维激光扫描技术的测量效果,并平行采用水上多波束测量技术对河道地形数据进行采集,水上多波束测量仪型号为R S o n i c ,测量时配备T r i m b l e公司生产的GN S S接收机用于定位.其平面精度可以达到 mm p p mRM S,垂直进度可以达到 mm p p mRM S.图基于三维激光雷达扫描技术的河道测量技术总体流程基于三维激光雷达扫描技术的河道测量内业数据处理流程如图所示.在外业数据采集完毕后,将存储器中的点云数据导入专业数据处理软件中,并将HC N格式静态数据转为R e n i x的数据水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷通用格式,本研究采集到的数据点为 G,在进入正式点云数据处理前对点云数据的密度、覆盖范围完整性等进行检查,确定航带间是否存在分层现象,天线斜高是否改正到相位中心,当数据预处理满足要求后,借助I n e r t i a lE x p l o r e r对点云数据进行P O S解算,以提取数据特征信息,比如定位坐标、速度和运动姿态等,当P O S数据质量和精度满足要求后,采用G P S/I MU联合解算,确保数据无误后将雷达惯导数据与G P S静态数据进行融合,采用点云滤波手段对异常数据进行剔除和降低噪声,随后通过T e r r a s o l i d软件将地面点分离出来,计算和建立高精度的数据高程模型,并输出成果 .图基于三维激光雷达扫描技术的河道测量内业数据处理流程 基于三维激光雷达扫描技术的河道地形图测量效果分析为了提高三维激光雷达扫描技术的测试精度和测试速度,在测绘对各个设备进行了校准操作,在河道两岸布置靶标球,球的间隔为 m一个.三维激光雷达扫描测绘前,对现场地形进行踏勘,在根据现场踏勘情况设计机载(无人机)L i D A RA S HL激光雷达系统的飞行航线,随后架设基站、安装设备,开启无人机,待其进入采集航线时,打开三维激光雷达扫描设备,点击“开始采集”对现场数据进行采集,结束采集后,点击“结束采集”管壁激光和影像,将收集到的数据进行格式转换和数据预处理,现场采集的河道三维点云原始数据.按照坡度变化的滤波算法,对点云数据采集过程中的噪声点、离群点进行滤除,其滤波的基本原理是按照高程坡度变化去顶最优滤波函数,给定两点的高程,如果其高程差超出地面或者水面,对其进行滤除,滤波的约束函数如式()所示.hp ihp jhm a xd pi,pj()()()式中:hp i为点云中第i个点的高程,m;hp j为点云中第j个点的高程,m;hm a x(d(pi,pj)为第i个点与第j个点的高程差阈值,m.根据阈值的置信区间,确定三维激光雷达扫描的点云滤波函数如式()所示.hm a xd pi,pj()()c df pi,pj,a()()式中:d为第i个点与第j个点的距离,m;c为第i个点与 第j个 点 的 坡 度,();a为 显 著 水 平;f(pi,pj,a)为改正函数.滤波后的河道点云数据如图所示,其点云数据集符合式().BpiApiA:hp ihp jhm a xd pi,pj()()()式中:B为点云滤波后的集合;A为点云原始数据集合.为了分析三维激光雷达扫描数据的精度,对水下地形数据进行测量中误差计算,如式()所示.nniRiZi()()式中:为数据高程模型中误差;n为数据样本总量;Zi为检查点的高程,m;Ri为数据高程模型内插点高程,m.对水下地形三维激光雷达扫描数据点进行中误差分析,现场河床的水深约 m,但存在一定的地形起伏,按照水深 m、m、m和 m进 行 数 据 分 级,每 级 数 据 抽 取 个 数据样本点,中误差计算结果见表.可以看出,不同水深范围的三维激光雷达扫描数据中误差呈现不同程度的波动,除了个别数据点的中误差出现剧烈波动外,各个水深范围的三维激光雷达扫描数据中误差均有一个稳定的波动范围,并随着深度的不断减小,中误差也不断减小.在水深 m时,中误差平均值为 mm,在第 期田佳良基于激光雷达扫描技术的河道测量研究水深 范 围 为 m时,中 误 差 平 均 值 为 mm,在水深范围为 m时,中误差平均值为 mm,在水深为 m时,中误差平均值为 mm.表基于三维激光雷达扫描的河道点云数据中误差计算结果样本中误差/mm水深h m m水深h m m水深h m m水深h 对各个水深段的三维激光雷达扫描点云数据中误差进行频数统计,结果见表所示.可以看出,不同水深段的三维激光雷达扫描点云数据中误差的集中度存在显著的不同,在水深 m时,其中误差主要集中在 mm,频数为 ,其次为 mm,频数为 ;在水深范围为 m时,中误差主要集中在 mm,表不同水深段三维激光雷达扫描河道点云数据中误差频数计算结果中误差区间/mm频次水深h m m水深h m m水深h m m水深h 频数为 ,其次为 mm,频数为 ;在水深范围为 m时,中误差主要集中在 mm,频数为 ,其次为 mm,频数为 ;在 水 深 m时,中 误 差 主 要 集 中 在 mm,频数为 ,其次为 mm,频数为.为了验证三维激光雷达扫描技术的测试精度,采取了水上多波束测量技术进行平行试验,以水上多波束测量技术测试成果为基准,将三维激光雷达扫描实测结果与之对比,计算平面误差,结果基于三维激光雷达扫描技术的测绘成果精度较高,平面误差x y控制在 m范围内,m的规范控制要求.结论()借助三维激光雷达扫描技术完成了河道地形数据采集,相对于传统水下地形数据点采集方式,具有自动化程度高、采集点云覆盖面大、无接触测量和自动成图等优点,采用坡度滤波技术有效地对 异 常 点 进 行 了 剔 除,保 证 了 数 据 的 高精度.()不同水深范围的三维激光雷达扫描数据中误差呈现不同程度的波动,除了个别数据点的中误差出现剧烈波动外,各个水深范围的三维激光雷达扫描数据中误差均有一个稳定的波动范围,并随着深度的不断减小,其中误差也不断减小.()基于三维激光雷达扫描技术的测绘成果精度较高,平面误差x y控制在 m范围内,远小于 m的规范控制要求.参考文献:江木春,袁锐,牛作鹏三维激光扫描技术在北江航道沿线水上物 外 观 测 量 中 的 应 用 J水 运 工 程,():张孝春,田文科,张松林,等地面三维激光扫描技术在导流槽测量中的应用J施工技术,():刘强,傅学庆,黄华芳,等基于L i D A R数据特征的湖相层三维地理信息提取J地球信息科学学报,():李洪梁,施富强,王立娟,等基于三维激光扫描技术的金沙江“”白格堰塞湖应急测绘研究J金属矿山,():周腾飞,程效军,黄凯,等顾及随机误差的地面三维激光扫描仪自检校模型及其抗差解法J中国激光,():水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷