无人机载单波段水深测量激光雷达水下地形测量规范

无人机载单波段水深测量激光雷达水下地形测量规范前言本规范按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》起草。请注意本规范的某些内容可能涉及专利，本规范的发布机构不承担识别这些专利的责任。本规范由桂林理工大学提出，由中国国际科技促进会归口。本规范起草单位：桂林理工大学、武汉大学、中国国土资源航空物探遥感中心、天津大学、南京大学、广西壮族自治区自然资源遥感院、广州南方测绘科技股份有限公司。本规范主要起草人：周国清、宋波、金鼎坚、周祥、张磊、刘润东、徐嘉盛、闫利、程亮、赵毅强。本规范为首次发布，于2024年9月2日正式发布并实施，标准编号为T/CI481-2024。本规范实施过程中，如发现需要修改或补充之处，请将意见和有关资料寄给中国国际科技促进会标准化工作委员会，以便修订时参考。中国国际科技促进会地址：北京市海淀区中关村东路89号恒兴大厦13F，邮政编码：100190，电话传真网址：；牵头起草单位联系方式：823335649@。1范围本规范规定了无人机载单波段水深测量激光雷达水下测量技术的基本规定、技术准备、系统要求、数据采集、数据处理、成果制作、成果质量检查、资料整理与归档等要求。本规范适用于湖泊、河流、水库、近海岸等水深20米以内的水下地形测量技术生产作业，涵盖以科学研究、生产实践等为目的的各类相关测量工作。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本规范必不可少的条款。其中，注明日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本规范；不注明日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本规范。GB/T12763.10海洋调查规范第10部分：海底地形地貌调查GB/T18316数字测绘成果质量检查与验收GB/T28587移动测量系统惯性测量单元GB/T36100机载激光雷达点云数据质量评价指标及计算方法GB/T42640多波束水下地形测量技术规范GB/T39624-2020机载激光雷达水下地形测量技术规范CH/T1004测绘技术设计规定CH/T8023机载激光雷达数据处理技术规范CH/T8024机载激光雷达数据获取技术规范3术语和定义3.1无人机载单波段水深测量激光雷达测量系统以无人机为载体，将单波段水深测量激光雷达（激光波长一般为532nm）、GNSS、IMU等多种设备集成于一体进行水下地形地貌测量的系统。3.2惯性测量单元（IMU）由3个正交安装的单轴陀螺仪或2个正交安装的双轴陀螺、3个正交安装的加速度计、相关辅助电路及结构体等部分构成，用于测量运动载体的三维角速度和非引力加速度（比力）的装置。（来源：GB/T28587-2012，3.2）3.3水下地形测量采用水深测量方法对水下地貌以及地物（特指水底几何形态信息）直接与已知量或间接量进行比较的过程。（来源：GB/T39624-2020，3.2）3.4波形数据激光接收系统按照预设采样率对信号的回波进行离散化采样，所得的回波强度时间序列。（来源：CH/T39624-2020，3.9）3.5点云以离散、不规则方式分布在水底三维空间中的点的集合。（来源：CH/T8023-2011，3.3）3.6点云密度单位面积上点的平均数量，一般用每平方米的点数表示。（来源：CH/T8024-2011，3.7）3.7水底点点云中反映真实水底地貌形态的点。3.8水底数字地形模型以水底离散点为基础建立规则格网或三角网的数字地形模型。3.9数字水深模型以离散水深点数据建立的规则格网或三角网等空间模型。（来源：CH/T39624-2020，3.11）3.10航带宽度无人机载单波段水深测量激光雷达作业时垂直于飞行航线的测量宽度。4缩略语下列缩略语适用于本规范。LiDAR——激光雷达（LightDetectionAndRanging）UAV——无人机（UnmannedAerialVehicle）CGCS2000——2000国家大地坐标系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000）GNSS——全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem）CORS——连续运行基准站（ContinuouslyOperatingReferenceStation）POS——定位定向系统（PositionandOrientationSystem）IMU——惯性测量单元（InertialMeasuringUnit）5基本规定5.1作业原则无人机载单波段水深测量激光雷达水下地形测量作业应遵循“先设计、后实施，先检校、后采集，先处理、后验收”的原则，确保测量成果真实、准确、完整、规范。5.2人员要求作业人员应具备相应的专业技术能力，熟悉本规范及相关标准，掌握无人机操作、激光雷达系统使用、数据处理等技能，经培训合格后方可上岗。涉及精密测量的关键岗位人员，应具备相应的从业资格证书。5.3时空基准5.3.1平面坐标系应采用2000国家大地坐标系（CGCS2000），特殊情况需采用其他坐标系的，应进行坐标转换，并在成果中明确说明转换参数。5.3.2高程基准应采用1985国家高程基准，深度基准应根据测区类型按相关标准执行：内陆水域采用当地理论最低潮面或设计水位，近海岸采用当地理论最低潮面。5.3.3时间基准应采用北京时间（UTC+8），所有测量数据的时间戳应统一为该基准。5.4环境要求5.4.1气象条件：作业时应避开暴雨、强风（风力不大于6级）、雷电、大雾、强日照等恶劣天气，能见度应不低于5km，水面无大范围强反光、浮沫或杂物遮挡。5.4.2水文条件：测区水流速度应不大于2m/s，水体透明度应满足测量要求，一般情况下，透明度应不小于测量水深的1/3；水体浑浊度较高时，应采取相应的辅助措施或调整作业方案。5.4.3空域条件：作业前应向当地空管部门申请飞行空域，明确飞行范围、高度、时段，确保飞行安全，避开机场净空区、禁飞区及其他敏感区域。6技术准备6.1资料收集6.1.1收集测区已有的自然地理、水文、气象、交通等资料，包括测区范围、地形地貌、水位变化规律、水流速度、水体透明度、气象灾害历史数据等。6.1.2收集测区已有的测绘成果，包括地形图、水下地形图、控制点资料、坐标转换参数等，控制点资料应满足相应的精度要求，并进行有效性验证。6.1.3收集测区周边的空域资料、权属资料及相关法律法规要求，确保作业合法合规。6.2需求分析明确本次测量的目的、范围、精度要求、成果形式及交付期限，分析测区环境对测量作业的影响，结合现有设备条件，制定合理的作业方案，确保满足项目需求。6.3现场勘察6.3.1实地考察测区地形、地貌、水体条件，核实资料的准确性，明确测量难点区域（如浅水区、障碍物区域、浑浊水域等）。6.3.2勘察无人机起降场地，要求起降场地平整、开阔，无障碍物，距离测区边缘不宜过远，同时具备通信、供电等辅助条件。6.3.3核查测区控制点的分布、保存状况，必要时进行补设或修复；确定GNSS基准站的布设位置，确保信号稳定、无遮挡。6.4技术设计书撰写依据项目总体要求及本规范，结合资料收集和现场勘察结果，撰写技术设计书，明确作业流程、技术参数、质量控制要求、安全保障措施等内容。技术设计书应经审核批准后，方可实施作业。技术设计书的撰写应符合CH/T1004的相关规定。7系统要求7.1无人机系统7.1.1无人机应具备稳定的飞行性能，续航时间应满足作业需求，一般不小于1.5小时，可根据测区范围和作业效率调整。7.1.2无人机应配备高精度GNSS定位模块和IMU惯性测量单元，定位精度应不低于厘米级，姿态测量精度应满足激光雷达数据采集要求。7.1.3无人机应具备自主飞行、悬停、航线规划、应急返航等功能，可适应测区复杂环境，确保飞行安全。7.2激光雷达系统7.2.1激光雷达系统应采用单波段水深测量激光雷达，激光波长优先选用532nm，输出功率、脉冲频率应根据测量水深和精度要求调整，脉冲频率一般为100kHz~500kHz。7.2.2激光雷达系统的测距精度应不低于±5cm，水深测量精度应满足：水深≤5m时，中误差≤±10cm；5m＜水深≤10m时，中误差≤±20cm；10m＜水深≤20m时，中误差≤±30cm。7.2.3激光雷达系统应具备波形数据采集功能，采样率应不低于1GHz，可准确获取激光回波的时间序列信息，用于水底点提取和水深计算。7.2.4激光雷达系统应与无人机、GNSS、IMU系统实现精准同步，同步误差应不大于1μs。7.3辅助设备7.3.1GNSS基准站：应采用CORS基准站或自建基准站，定位精度应不低于毫米级，数据更新频率不低于1Hz，信号覆盖整个测区。7.3.2数据存储设备：应具备足够的存储容量，读写速度快，可稳定存储激光雷达数据、POS数据、影像数据等，同时具备数据备份功能。7.3.3通信设备：应具备稳定的无线通信功能，可实现无人机与地面控制站之间的实时数据传输，传输距离应满足作业需求，确保飞行状态和测量数据实时监控。7.3.4校准设备：包括激光雷达校准靶、GNSS校准设备、IMU校准设备等，用于系统检校，确保测量精度。7.4系统检校7.4.1作业前应对无人机、激光雷达、GNSS、IMU等设备进行全面检校，包括激光雷达的安置角检校、偏心差测量、测距精度校准，IMU的零偏校准、标度因数校准，GNSS的定位精度校准等。7.4.2系统检校应在标准场地进行，检校结果应满足本规范及设备说明书要求，检校记录应详细留存，作为成果资料归档。7.4.3作业过程中，如设备出现故障、迁移或作业间隔超过7天，应重新进行系统检校。8数据采集8.1航线设计8.1.1航线设计应根据测区范围、地形地貌、精度要求，结合无人机续航能力，采用平行航线或环形航线，确保测区全覆盖，无遗漏、无重复。8.1.2航带宽度应根据激光雷达的测量范围、飞行高度及重叠度要求确定，一般情况下，航带重叠度应不低于20%，航向重叠度应不低于80%。8.1.3飞行高度应根据测量水深、激光雷达性能及精度要求确定，一般情况下，飞行高度应控制在50m~150m，确保激光雷达能够有效穿透水体，获取清晰的水底点云数据。8.1.4航线设计应避开障碍物，飞行高度应高于测区最高障碍物不少于30m，同时考虑风速、风向对飞行的影响，合理调整航线方向。8.2采集要求8.2.1数据采集前，应启动无人机、激光雷达、GNSS、IMU等设备，进行系统预热和参数设置，确保设备正常运行，数据同步准确。8.2.2采集过程中，应实时监控飞行状态、设备工作状态及数据采集情况，记录气象条件、水位、水体透明度等环境参数，发现异常情况及时停机处理。8.2.3激光雷达数据采集应连续进行，不得随意中断，采集的数据应包括激光回波波形数据、点云数据、POS数据（位置、姿态数据）等，数据格式应符合相关标准要求。8.2.4采集过程中，应定期对数据进行抽查，检查数据质量，包括点云密度、数据完整性、定位精度等，确保采集数据满足要求。8.3数据补测8.3.1数据采集完成后，应对采集数据进行初步检查，发现数据缺失、质量不合格（如点云密度不足、定位偏差过大、水底点提取困难等）的区域，应及时进行补测。8.3.2补测应采用与原采集相同的技术参数和作业方案，确保补测数据与原数据的一致性和连续性。8.3.3补测完成后，应再次对数据进行检查，直至数据质量满足要求。9数据处理9.1数据整理9.1.1数据采集完成后，应及时将采集的数据导入计算机，进行分类整理，包括激光雷达数据、POS数据、环境参数记录等，建立规范的文件目录结构。9.1.2对整理的数据进行完整性检查，确认数据无缺失、无损坏、无异常，对异常数据进行标记和处理，必要时进行重新采集或补测。9.1.3对POS数据进行时间同步处理，确保与激光雷达数据的时间戳一致，为后续数据融合处理奠定基础。9.2波形数据处理9.2.1采用专业的波形数据处理软件，对激光回波波形数据进行预处理，包括噪声去除、波形平滑、峰值检测等，提取有效回波信号。9.2.2根据波形数据的特征，区分水面回波和水底回波，计算水面到水底的距离，结合飞行高度、姿态数据，得到初步的水深数据。9.2.3对处理后的波形数据进行质量检查，剔除异常波形和无效数据，确保水深计算的准确性。9.3POS数据处理9.3.1采用GNSS数据处理软件，对POS数据进行后处理，包括基线解算、坐标转换、姿态解算等，得到无人机的高精度位置（X、Y、Z）和姿态（俯仰角、横滚角、航向角）数据。9.3.2POS数据处理应结合基准站数据，进行差分定位，提高定位精度，定位精度应不低于厘米级。9.3.3对处理后的POS数据进行质量检查，剔除异常数据，确保数据的稳定性和准确性，与激光雷达数据进行精准融合。9.4点云数据处理9.4.1点云数据预处理：对激光雷达点云数据进行去噪处理，剔除噪声点、冗余点、异常点（如空中点、水面漂浮物点等），保留有效水底点。9.4.2点云配准：将不同航带、不同时段采集的点云数据进行配准，确保点云数据的一致性和连续性，配准精度应满足测量要求。9.4.3水底点提取：结合波形数据和POS数据，采用自动提取与人工编辑相结合的方式，提取有效水底点，剔除非水底点，确保水底点的准确性和完整性。9.4.4点云密度调整：根据测量精度要求，对水底点云进行密度调整，确保点云密度满足：水深≤10m时，点云密度不低于2点/㎡；10m＜水深≤20m时，点云密度不低于1点/㎡。9.5水深计算与校正9.5.1根据处理后的水底点云数据、POS数据及水面高程数据，计算水底各点的水深值，水深值=水面高程-水底点高程。9.5.2对计算得到的水深数据进行校正，包括折射校正、潮汐校正、水位校正等，折射校正应根据水体折射率和激光入射角度计算，潮汐校正应结合测区潮汐数据进行，水位校正应根据作业期间的实际水位变化进行。9.5.3校正后的水深数据应进行精度验证，与实测水深数据进行对比，误差应满足本规范要求，对超出误差范围的数据进行重新处理或补测。10成果制作10.1成果类型无人机载单波段水深测量激光雷达水下地形测量成果主要包括：数字水深模型（DDM）、水底数字地形模型（DTM）、点云数据、水深专题图、技术报告等。10.2数字水深模型（DDM）制作10.2.1以校正后的水深数据为基础，采用插值方法（如克里金插值、反距离加权插值等），建立规则格网或三角网数字水深模型，格网尺寸应根据测量精度要求确定，一般不大于1m×1m。10.2.2对数字水深模型进行平滑处理，剔除异常值，确保模型的合理性和连续性，模型精度应满足本规范的水深测量精度要求。10.3水底数字地形模型（DTM）制作10.3.1以提取的水底点云数据为基础，建立三角网水底数字地形模型，准确反映水底地形地貌特征。10.3.2对水底数字地形模型进行编辑和优化，剔除不合理的三角面，补充缺失的地形信息，确保模型能够真实反映水底地形起伏。10.4点云数据成果制作将处理后的水底点云数据按相关标准格式导出（如LAS格式），标注点云的坐标系统、精度信息、采集时间等metadata信息，形成点云数据成果。10.5水深专题图制作10.5.1以数字水深模型和水底数字地形模型为基础，制作水深专题图，标注水深值、等高线、测区范围、控制点、图例、比例尺、坐标系统等要素。10.5.2水深专题图的制作应符合相关测绘制图标准，图形清晰、要素完整、标注准确，比例尺应根据测区范围和精度要求确定，一般为1:500~1:10000。10.6技术报告制作技术报告应详细记录本次测量的全过程，包括项目概况、技术依据、测区概况、设备配置、作业流程、数据处理、成果质量、问题与处理、结论与建议等内容，报告应规范、完整、详实，附相关检校记录、质量检查报告、原始数据清单等附件。11成果质量检查11.1检查原则成果质量检查应遵循“两级检查、一级验收”的原则，即作业员自检、作业组互检、单位终检，验收由项目委托方或相关主管部门组织实施，确保成果质量符合本规范及项目要求。11.2检查内容11.2.1资料完整性检查：检查成果资料是否齐全，包括点云数据、数字水深模型、水底数字地形模型、水深专题图、技术报告、检校记录、原始数据、环境参数记录等。11.2.2精度检查：采用抽样检查的方式，对水深数据、点云数据、数字水深模型等进行精度验证，抽样比例不低于10%，检查结果应满足本规范的精度要求。可结合实测水深数据进行对比验证，误差应控制在允许范围内。11.2.3一致性检查：检查各类成果之间的一致性，包括点云数据与数字水深模型的一致性、水深专题图与数字水深模型的一致性、坐标系统的一致性等，确保成果无矛盾、无偏差。11.2.4规范性检查：检查成果的格式、标注、命名等是否符合本规范及相关标准要求，技术报告的内容是否完整、详实，检校记录是否规范、清晰。11.3检查处理11.3.1检查过程中发现的问题，应及时记录，分析原因，采取相应的处理措施，如重新处理数据、补测数据、修改成果等。11.3.2处理完成后，应重新进行检查，直至成果质量满足要求。对无法处理或处理后仍不满足要求的成果，应重新进行测量作业。11.3.3检查记录应详细留存，包括检查内容、检查结果、问题处理情况等，作为成果资料归档。12资料整理与归档12.1资料整理12.1.1对本次测量的所有成果资料、原始数据、检校记录、质量检查报告、技术报告、合同协议等进行分类整理，建立规范的文件目录，标注文件名称、类型、形成时间、责任人等信息。12.1.2成果资料应采用电子档和纸质档两种形式整理，电子档应备份不少于2份，存储在安全、稳定的存储设备中，纸质档应装订整齐、规范。12.2归档要求12.2.1归档资料应完整、准确、规范，符合相关档案管理规定