1邓婉霞 2曹恒瑞 3曹文
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摘要：随着无人机和激光雷达技术的发展，无人机机载激光雷达测绘获得了重要应用，本文对无人机载激光雷达技术在水库三维建模中的应用进行了探讨。
关键词：无人机；激光雷达；水库三维建模；应用
1 前言
在传统的技术模式下，工程勘探工作主要应用CAD来完成，由于CAD是在二维平面上制图，其在信息表达方面存在局限性，而且设计过程繁琐，不直观，因此在实际应用过程中有一定的缺陷，而三维数据模型具有信息丰富、操作直观等方面的优点，获得了比较广泛的应用，随着科学技术的不断发展，可以更加方便、快捷的获取三维数据，因此在设计行业中三维模型获得了比较广泛的应用。在三维区域场景建模方面，常用的技术包括激光雷达技术和倾斜摄影技术，这两种技术相比较，倾斜摄影技术具有成本较低的优势，但是在具有较高植被覆盖率的区域，准确的测量像控点是比较困难的，因此不能够保证建模高程的精度。而激光雷达测量具有全天候、多次回波、高程精度高等特性，因此应用这一技术进行测量，可以得到较高精度的数字地面模型。当前，随着科学技术的发展，激光雷达的重量和成本都大幅度的降低，使其在小型无人机上也可以进行应用，极大的拓宽了其应用范围，推动了无人机载激光雷达技术的应用，基于此本文对无人机载激光雷达技术在水库三维建模中的应用进行了探讨。
2 三维数据获取方案
在应用无人机载激光雷达技术进行三维水库建模时，首先要确定三维数据的获取方案，具体包括设备的选择、激光雷达参数计算以及无人机航线的规划。
（1）设备选择。SZT-R1000激光雷达是征图三维公司研发的一个轻型移动测量系统，其搭载了高精度三维激光扫描仪、GNSS卫星定位系统、高分辨率数码相机等设备，使其能够融合多种定位模式，由于高度集成，其可以安装在无人机上进行应用，由于其具有强大的功能，一次作业就可以采集高精度点云数据和高分辨率影像。
（2）激光雷达参数计算。在确定使用的设备之后，需要确定激光雷达的参数，在参数规划过程中要综合考虑各方面因素，包括影像的航向重叠、旁向重叠、地面分辨率、激光雷达的扫描频率、旁向重叠率、线扫描速度、点密度、无人机飞行速度等。
（3）外业数据采集。通过应用SZT-R1000移动测量系统，通过一次飞行就能够在得到高精度的点云数据的同时，获得高分辨率的影像数据，不过为了确保获得高精度的数据，在实际应用过程中应重点关注以下问题：首先，在无人机开始航飞作业之前，应做好基站的架设工作，对基站天线的高度进行准确的测量；同时，需要对基站数据采集的时间进行准确的控制，确保在无人机携带SZT-R1000移动测量系统正常运行时，其处于采集状态；其次，要对无人机的航飞时间进行严格的控制，航飞时间应控制在中午前后的两个小时以内，这主要是由于这段时间具有充足的光照，而且太阳的高度角较大，超过45°，此时地物阴影长度较小，对于测量结果的影响比较小；再次，要确保SZT-R1000的参数设置按照规划来进行；最后，要做好系统的初始化以及结束化等工作。
3 三维数据模型构建以及精度分析
为了更加详细的对无人机载雷达在水库三维建模中的应用进行探讨，本文以某水库为例进行分析。该水库的航测数据为：测区海拔在367~700m的范围内，无人机在450m海拔的位置起飞，采用定高飞行的飞行方式，无人机相对起降点的航高为500m，其飞行的海拔为950m，在整个测区，非人机飞行的相对高度则为250~583m。SZT-R1000移动测量系统的参数如下：数码相机的芯片尺寸：35.9mm×24mm，分辨率为7952×5304poexl，像素大小为5μm，相机还具有28mm的定焦镜头，在使用前将相机的焦距调整到无穷远，并且设置成不可以调整的状态。根据SZT-R1000相关参数的计算公式确定参数和航线，然后严格按照参数和航线进行航飞测量。
3.1 数字高程模型的构建
数据模型的构建按照以下步骤进行：
（1）获取轨迹文件。轨迹文件通过将GNSS数据和POS数据进行融合而获得。
（2）获取三维点云数据。将获取的轨迹文件和原始点云进行融合，就可以获得三维点云数据。
（3）坐标转换和SZT-R1000计算参数获取。通过足够数量的控制点来获取SZT-R1000的计算参数，并且进行坐标的转换。
（4）DEM和DSM的获取。将点云进行分幅和去噪等处理，从而将地面点以及非地面点都提取出来，得到DEM以及DSM。
（5）重新生成DEM。在获取DEM之后，对其进行查看，并且完成点云的细分类工作，具体的工作内容包括水面置平、涵洞点云还原、噪点去除等，通过这些操作来重新生成DEM。
（6）完成DOM的制作。DOM的制作主要包括以下步骤：首先是原始彩像匀光，然后利用高精度的DEM数据和TerraSolid 的Tphoto 模块来对匀光后的影像数据进行处理，对其进行正射单片的纠正以及拼接，进而制作出DOM。模型效果图如图1所示：
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图1 模型效果图
3.2 DEM 精度分析
在测量区域，通过使用RTK来采集10个具有明显地物特征点的数据，得到这些地物的平面坐标，通过将其和DOM的拾取坐标进行对比来确认DOM的精度。比对的结果显示，误差在0.08m~0.25m的范围内，通过计算得到平面误差为±0.172m。此外，还在测量区域随机的采集了30个高程点的数据，数据的采集采用完全随机的方式，采集的位置包括了道路、田地和山地，其中山地既有被制备覆盖的，也有没有植被覆盖的，在采集完成这30个高程点的数据之后，将其坐标输入到 Terrascan进行比对，确定高程误差为±0.138m。从这一结果可以看出，通过无人机机载激光雷达来进行三维建模，产生的DEM和DOM高程和平面精度都很高，完全可以满足1:1000国家航测的相关要求。
3.3 三维场景及三维 GIS 构建
在实际的三维水库建模过程中，三维建模和三维GIS的构建通常按照图2中的步骤来进行：
图2 三维建模和三维GIS构建的流程图
从上图可以看出，三维建模和三维GIS的构建主要按照以下步骤进行：
（1）数据准备。数据准备工作包括水库库区征地丘陵地块的数据，以及库区的DOM、DEM等方面的数据信息。
（2）三维地形场景的生成。这一步骤主要应用Terra Builder 软件来完成，通过融合、剪切、拼接等操作对DOM和DSM等具有高分辨率的数据进行处理，获取三维地形场景。
（3）生成具有属性信息的分块图斑。这一步骤主要应用苍穹和ArcGIS 等软件，通过这些软件来库区征地丘块图生成分块图斑，分块图斑的格式为.shp，其中包含着属性信息。
（4）实现分块图斑的属性信息查询。这一功能通过将上述的分块图斑叠加到TerraExplorer Pro 上来实现。
（5）计算淹没区的面积和水库的库容。TerraExplorer Pro 不仅具有淹没分析的功能，同时能够实现容积的计算，因此可以利用其对淹没区的面积进行计算，同时还可以利用其计算出水库库容。
结论
随着激光雷达技术的发展，其已经可以满足无人机搭载的要求，通过无人机机载激光雷达可以准确的获取水库的相关数据信息，结合三维GIS技术可以实现三维水库模型的构建。应用激光雷达获取到的信息，可以获取高精度的影像信息，基于其构建的三维水库模型，可以为水库的设计、建设等提供指导，这对于提高我国水库设计建造水平具有重要的意义。
参考文献
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作者简介：邓婉霞，1991年11月，女，汉，广西桂林人，本科学历，研究方向：摄影测量与遥感。