机载激光雷达技术在水利水电工程中的应用

的提 高 ，测 绘行业 在测 绘技 术方 面不 断发 展 。 自 ２ ０
世 纪 ８ 年代 开始 ，机 载激光 雷达 测量 技术 （ ｉｈ ０ Ｌｇ ｔ
Ｄ ｔｃ ｉｎＡ ｄＲ ｎ ｉｇ ｅ ｅ ｔ ｏ ｎ ａ ｇ ｎ ，简 称 Ｌ Ｄ Ｒ ｉＡ ）作为 一种 快 速 三 维 空 间地 理 信 息数 据 采集 技 术在 一 些发 达 国家
在相 对航 高 ２０ ￣３ ０ 的情况 下 ，机 载激 光 ００ ０ ０米
雷 达系 统每 隔 １０ ．ｍ 可 获得 一个地 面 点 的三 维 ． ～２ Ｏ 坐标 ，这 样每 平方 公里 可达 到 ２ ５万～ Ｉ ０万个激 光 Ｏ 点 ，即使 除 去扫 描 到地 物 上 的 点 ，落 到真 实地 面 上 的点数 量 也是 相 当 可观 的 。 由于 高 山 区形 成 的摄 影 漏 洞少 ，加 上 能 够 克服 部 分 植被 的影 响 ，因此 在 相 同条 件下 机载激 光 雷达 系统 获得 Ｄ Ｍ更为 有效 。 Ｅ
Ｃｈ ｎ ． ｉ ａ Ｋｅ ｒ ｓ Ｌ ＤＡＲ ｃ ； ｄ ｏ ｏ ｒ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ Ａｐ ｌ ａｉ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｔ ｈ Ｈｙ ｒ ｐ ｗｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ； ｐ ｉ ｔ ｅ ｅ ｎ ｃ ｏ
随着 国家 基 础 建设 对 测 绘产 品质 量 和 效率 需 求
２ １能较好 地克服 茂 密植被 对测 绘工 作 的影响 ．
２ ４ 产 品提 供 周期更 短 ．
图 １ 植 被 茂 密
在 高 山峡谷 地 区 ，按 照 传 统航 测 方 式来 布 设 像 控 点进 行测 绘 工 作是 非 常艰 难 甚 至是 不 可 能 的 。林 密沟 深 交通 不 便 的 实际 地 理条 件 不仅 增 加 了工 作 的 难度 ，也增 加 了 工作 的经 费投 入 。机 载 激光 雷 达 系
求 １５ ｏ ／ ０ ０精度 的成 果 。 ／ｏ 、１１０
目前 未 开发 的水 电 资源 大 多在 开 发 条件 比较 差
的地 区 ，用 传 统 的人 工 和航 空 摄 影测 量 的方 式 来 获
取较 高精 度 要 求 的测 绘 成果 非 常 困难 ，有些 区域 的
具备同时进行激光数据和影像数据采集的能力 。 ４ １ ２ 项 目实施 准备 ．．
（ｉｈ ａ ｈ ｎ ｓｕ—ｈｎ ｋｎ ｕ ｎＳ ｒｅｉｇａｄＭａｐｎ ｎ ｉｅｒ ｇＣ ． ｈ ｎ ｄ ０ ２Ｃ ｉａ ＳｃｕｎＺ ｏ ｇｈ ｉ ｅ ｇａ ｙ ａ ｕｖｙｎ ｐ ｉｇ ｇｎ ｅｉ ｏＣ ｅｇ ｕ６ ７ ， ｈｎ ） ｃ ｎ Ｅ ｎ １ ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ａ ｅ ｎ ｒ ｄ ｃ ｓｔ ｅｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓｏ ＤＡＲ ｃ ， ｎ ｓ ｅ ｉｌ ｎ ｒ ｄ ｃ ｓｔ ｅ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｕ ｉ ｇ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｓ ｐ ｒｉ ｔｏ ｕ ｅ ｈ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｆ ｐ ｃ Ｌｉ ｔ ｈ ａ ｄ ｅ ｐ ｃ ａｌ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｈ ｄ ａ ｔ ｇ ｓ ｏ ｓ ｅ ｙ ｎ
图 ２ 河 谷 狭 窄
产 ＤＭ和 ＤＭ产 品时较 常规 摄影 测量 可 以较 大 幅度 Ｅ Ｏ
地缩 短综 合工 作周 期 。 ２ ５ 产 品形式 多样 ，应用 广泛 ． 激光 雷 达 除 了可 以快速 高精 度 地 提 供三 维 坐 标 之 外 ，还 可 以提 供 目标 物 的 反射 率信 息 （ 光 反 射 激
ＬＤ ｃ ｒ ｏｌｃｎ ｕ ｅ ａａｉ ｄｆｃ ｌａｅ ｒｕ ｈｔｅａｐｉａ ｏ ｆ ｏ ｙ ｒｐ ｗ ｒ ｒｊｃ ｉ ｗｅｔ Ｉ ＡＲ ｔ ｈｆ ｌ ｔ ｇｓｒ ｙｄｔ ｎ ｉ ｕｔ ｒａｔ ｏ ｇ ｐ ｌ ｔ ｎｏ ｍｅｈ ｄｏｏ ｅ ｏｅｔｎ ｓ ｅ ｏ ｃ ｅｉ ｖ ｉ ｈ ｈ ｃｉ ｓ ｐ
绍 了该项技术 在困难地 区进行测绘信息采集中的特殊的应用 价值 。 ［ 关键词］激光雷达技术；水 电工程 ；应用
［ 中图 分 类 号 ］ Ｐ ２ ． ２５ １ ［ 献 标 识 码 ］Ａ 文 ［ 章编 号 ］ １７ — ０ ９ （ ０ ０ ６ ０ ６ — ５ 文 ６ ４ ５ １ ２ １ ）０ — ２ ６ ０
４ 项 目的 实 际 应 用
结合 机 载 激 光雷 达 技术 的特 点 ，选 择 了典 型 的 水 电测绘 项 目进行 了实 际的研 究性 应用 。 该 项 目需
要 的 主 要 成 果 是 水 库 库 区及 枢 纽 区 １： ０ ０ 精度 ２０
的测 绘 成果 。相 关 的技 术 设计 和 实施 要 求均 按 该精
上 ，通 过某 水 电工程 测绘 项 目的实 际 应用 ，介 绍 了
分 别获 得 植被 茂 密地 区 的地表 数 据 、树 冠数 据 、建 筑物 数据 等 ，进 而 结合反射 强度 信 息可 分类 出地面 、 植被 、建筑 、桥 梁 以及 水 域等 要 素 。尽 管在 植 被越 密集 区域扫 描 所 得地 面 点 的 比例 也会 相应 减 少 ，但 是通 过 适 当 的增 加重 叠 度和 减 小 扫描 角 仍然 可 以获 取满 足 大 多数 点密 度 要 求 的地 表 数据 ，并可 以利 用 这些足 够密 度 的地面 三维地 形 点生产 高精 度 Ｄ Ｍ 这 Ｅ，
考。
２ ２在 高 山峡谷 区 的信 息采 集 更完整 有效 ． 常 规 摄影 测 量 需要 形 成立 体 像对 ，在 高 山峡 谷
等 陡 峭 地 形 区域 有 更 多 的 可 能 形 成 摄 影 漏 洞 ， 而
１ 机 载激光雷达测量技术简介
机 载 激 光 雷 达 测 量 技 术 是 一 种 集 激 光 测 距 系 统 、全球 定位 系统 （ Ｐ ）和 惯性 导 航 系统 （ Ｎ ） ＧＳ Ｉ Ｓ
统 以飞机 作 为 平 台 ，在数 据 采 集 时通 过 地面 基 站 和
机 载 Ｐ Ｓ系 统进行 相 关数据 的采 集和 预 处理 ，可 以 Ｏ 直 接 获取 地 面 三维 点云 的坐 标 和影 像 的方位 元 素 。
通 过 数据 的分类 和 影像 相 关 ，无需 或 仅 需极 少 量 的 地 面控制 点 就可 以直接 进行 Ｄ Ｍ和 Ｄ Ｍ的生产 ， 自 Ｅ Ｏ 动 化程 度 相对 较 高 ，省 掉 常 规摄 影 测 量 的外 业相 片 控 制联 测 、内业 空三 等 工 作 ， 因此 在 一定 条 件 下生
２ 机 载 激 光 雷达 测 量 技 术 的技 术 特 点
传统 航测 的定 向和 立 体相 关 ，机载 激 光雷 达 可 同时
测绘 第 ３ 卷 第 ６ ２ １ 年 １ 月 ３ 期 ００ ２
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获得 点 云数 据和 影 像 数据 ， 因此信 息 采集 更 完 整 ，
这 在地 貌和地 物信 息 的识别 上更 为有 利 。 ２ ３ Ｄ Ｍ的获取 更 为高效 ． Ｅ
Ｔｈ ｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ＤＡＲ ｄ ｏ ｏ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｅＡｐ ｌ ｔｏ ｆ ｃ Ｌｉ ｉ Ｈｙ ｒ ｐ ｗ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｎ
ＷＡＮＧ ｕ ｎ Ｙ Ｙ ａ ＩＪｕｐｉｇ Ｙ － ｎ ＡＮＧ ｉ Ｔ Ｗｅ ＡＮＧ ｎ Ｙ Ｆｅ ｇ ＡＮＧ ｎ Ｈｏ ｇ ＣＨＥＮ Ｓ ａ ｇ－ ｎ ｈ ｎ ｙｕ
由于激 光 能够 穿透 植 被 间 隙 ，因而 在 空 中对 植
被 茂 密地 区 进行 扫 描 时 ，每 发射 一 束激 光 脉冲 ，可
以分 别获 得 树冠 、树干 、地 表灌 木 以及 地 面 等 多个 反 射 回波 。通 过 对 这些 回波 的综 合 分类 处 理 ，可 以
得 到广泛 应用 ，成 为除 摄影测 量 、遥感 和 Ｇ Ｓ 等现 Ｐ 代 测 绘 技 术 之 外 的 另 一 种 有 效 的地 理 信 息 采 集 技 术 。我 国近几 年 对 该技 术进 行 了一定 程度 的研 究和 应 用 ，但还 处 在 比较 初 级 的阶 段 ，还 没 有形 成 规模 化 的 生产 性应 用 ，也 还 没有 形 成 比较 完整 的技 术标 准 。本 文在 简 要 介绍 机载 激 光 雷达 技 术特 点 的基 础
三 种技 术为 一体 的地理信 息数 据采 集系 统 。 Ｐ Ｇ Ｓ系统
提 供飞行 平 台所处位 置 ，惯性 导航 系统 （ Ｎ ）提供 ＩＳ 飞行平 台的轨 迹 与姿 态 ，激 光 扫描 测 距 系统 提 供 飞
行 平 台与 被测 物 之 间 的相对 位 置 。通 过 这三 种 技术
的集成 ，可 以快 速地 完成 地面 三维信 息 的采集 。
Ｌ Ｄ Ｒ单 一视角 即可 获得 三维 坐标 ， 需构成 立体 交 ｉＡ 无 会 ，扫 描 数 据相 对 连 雷 达 以激 光 为 工作 介质 ，采 用主 动方 式 工作 ， 自行 发 射和 接 收 激光 脉 冲 ，不 完 全依 赖于 自然光 照 ， 不受 太 阳 幅射 角和 阴影 的 限制 ，所 以高 山区的 阴影对激 光 点云数 据 的采集 没有 影响 。 在大 面 积 雪 区 、水体 、平 坦 的滩 涂 、草 场 以及 沙漠 等 地 区 ，因 为缺 乏 必要 的细 节 ，严重 时会影 响
是传 统航 空 摄 影测 量 、地 面 摄 影测 量 以及 人 工测 量 很 难办 到 的事情 。
该项 技 术在 困难地 区 进行 数 据采 集 的应 用 情 况 ， 以
期 为机 载激 光 雷达 技 术 的实 际应 用 和 在 困难地 区进
行 测 绘基 础 数 据采 集 的项 目组织 提 供 一些 有益 的参
度 进行 。
强度 ）和 目标 区域 的较 高分 辨 率 的数 码 影像 。 既可
用于 ４ Ｄ产 品生产 ，也 可 以借 助激 光 点云和 影像 数据 进 行三 维建 模 ，满 足 不 同用 户 的需求 。
４ １数 据采 集 ． ４ １ １系统 简介 ．．
本 次 工 程 采 用 加 拿 大 ＯＴ Ｃ 公 司 的 Ａ Ｔ ＰＥ Ｈ ＬＭ ＧＭ Ｎ Ｅ Ｉ Ｉ机 载激 光 雷达系 统 ，设备 标称 的平面 精度 为 １ ５ ｏ ×航 高 （ ／ ５ ，高程 精 度 ≤３ ｃ （ ／ ６ ， ／ ５ｏ ｍ １） ５ ｍ ｍ １） 实 际应 用 中 不 同 的激 光 扫 描频 率 和航 高对 应不 同的 平 面 高程 理 论精 度 。定 位 定姿 系 统 、数 据 预处 理 、 数据 分 类 等 系列 软件 为随机 配 置 软件 。该 系统 同时 配置 了一 台 Ｒ Ｌ Ｅ Ｏ Ｌ Ｉ数码航 摄 相机 ，像素矩 阵 ：７ ２ ２８ ×５ ２ ，像 元尺 寸 为 ６ ８微 米 ，焦距 为 ９ ｍ 。系统 ４８ ． ０ｍ