適用于山區(qū)輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與處理方法

汪巖松，許邦鑫，劉 平

(安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230601)

當(dāng)前，電網(wǎng)建設(shè)呈現(xiàn)出電壓等級高、規(guī)模大、路徑長等特點(diǎn)，隨著社會發(fā)展，線路規(guī)劃走廊的位置確定愈加困難，線路走廊常常穿越植被覆蓋十分密集的山區(qū)，這給輸電線路的勘測和設(shè)計(jì)工作帶來了很大的困難，也對勘測設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在這種情況下，新的技術(shù)手段得到應(yīng)用，機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)(Airborne LIDAR)就是其中的一種。

機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)是一種主動式遙感對地觀測技術(shù)，一般以飛機(jī)或直升機(jī)作為飛行平臺，通過激光測距獲取地表高程信息。由于激光雷達(dá)測量系統(tǒng)發(fā)射的脈沖波可以穿透植被，即使在植被覆蓋十分密集的山區(qū)，機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)也能獲得高精度的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，這是傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)所不能比擬的。正是由于這一優(yōu)勢，機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)開始應(yīng)用于輸電線路(特別是山區(qū)的輸電線路)工程實(shí)踐。

目前，利用機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)，國內(nèi)有多家電力設(shè)計(jì)院或獨(dú)立完成，或與科研院所合作共同完成了一些輸電線路的勘測設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目，積累了不少寶貴的經(jīng)驗(yàn)。可以預(yù)見，機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)作為一種新興的對地觀測技術(shù)，將在電力行業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用。

從目前國內(nèi)已有的相關(guān)工程應(yīng)用實(shí)踐能夠看出，機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)應(yīng)用于平原地區(qū)或植被覆蓋一般密集的山區(qū)的電力勘測設(shè)計(jì)是比較成功的，但在植被覆蓋特別密集(水平方向和垂直方向的植被覆蓋都十分密集)的山區(qū)，取得的效果并不理想。這是由于盡管激光雷達(dá)測量系統(tǒng)發(fā)射的脈沖波可以穿透植被，但在植被覆蓋特別密集的山區(qū)，一次掃描能夠完全穿透植被，打到地面的激光腳點(diǎn)并不多，這會造成大面積的地面點(diǎn)缺失，從而影響DEM的質(zhì)量。

其次，在后續(xù)LIDAR數(shù)據(jù)的處理過程中，目前計(jì)算機(jī)自動分類的大多數(shù)算法應(yīng)用于帶有植被的粗糙山地時(shí)都會產(chǎn)生或多或少的錯誤。人工干預(yù)能避免這些錯誤，但這一方面對作業(yè)人員的素質(zhì)要求較高，另一方面效率很低。

再次，所前文所述，山區(qū)的LIDAR數(shù)據(jù)既存在數(shù)據(jù)采集過程中地面點(diǎn)可能過少的問題，又存在數(shù)據(jù)處理過程中分類可能不到位的問題，所以由此生成的DEM的質(zhì)量在某些區(qū)域并不可靠，但如何評價(jià)機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)生產(chǎn)的DEM的可靠性，目前尚沒有好的方法。

本文的主要目的便是解決目前機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)輸電線路工程的上述問題，以保證LIDAR數(shù)據(jù)的質(zhì)量，提供更可靠的最終產(chǎn)品，更好的為輸電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)服務(wù)。

1 機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)采集一般流程

1.1 空域申請

在執(zhí)行任何一個航攝任務(wù)前必須按規(guī)定向有關(guān)部門申請空域取得航飛權(quán)。由于機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)通常帶有CCD相機(jī)，所以航飛權(quán)期間，應(yīng)選擇天氣較好的時(shí)段進(jìn)行飛行，以保證航拍影像的質(zhì)量。

1.2 航飛設(shè)計(jì)

在進(jìn)行航飛設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循安全、經(jīng)濟(jì)、周密、高效的原則。航飛設(shè)計(jì)的底圖，一般宜采用1/1萬、1/5萬比例尺地形圖或具有空間地理定位的遙感衛(wèi)星影像。使用專門的航飛設(shè)計(jì)軟件(如Leica的FPES，IGI的WinMP，Riegl的TrackAir)，以審查后線路路徑走向?yàn)閷?dǎo)向，連續(xù)布設(shè)若干個首尾相連的航攝分區(qū)覆蓋線路帶寬范圍的帶狀攝影，各航攝分區(qū)的設(shè)置宜在保證覆蓋的前提下對彎曲的地段拉直航線，選用盡量少的航線。專門的航飛設(shè)計(jì)軟件通常能導(dǎo)出GoogleEarth支持的飛行路徑文件，所以在航飛設(shè)計(jì)完成后，可以使用該文件在GoogleEarth中進(jìn)行模擬飛行，以檢查設(shè)計(jì)質(zhì)量和發(fā)現(xiàn)安全隱患。

1.3 地面GPS基站布設(shè)與測量

根據(jù)攝區(qū)情況，必須合理布設(shè)至少1個基站，且攝區(qū)內(nèi)任意位置與最近基站間距離不宜超過50km。 站址點(diǎn)應(yīng)位于開闊處，附近無電波干擾，衛(wèi)星信號接收情況良好，且易于保存。可以充分利用符合要求的已有控制點(diǎn)作為站址點(diǎn)，當(dāng)基站點(diǎn)坐標(biāo)未知時(shí)，應(yīng)對基站點(diǎn)實(shí)施GPS靜態(tài)定位測量，觀測和坐標(biāo)解算應(yīng)按D級GPS網(wǎng)要求進(jìn)行。

本工程布設(shè)了5個基站，間距約20公里，設(shè)計(jì)基站點(diǎn)位位于飛行覆蓋區(qū)域內(nèi)，可用基站點(diǎn)坐標(biāo)對點(diǎn)云處理結(jié)果進(jìn)行對比校核。

1.4 數(shù)據(jù)采集

在飛機(jī)起飛前30min，打開地面基準(zhǔn)站上GPS接收機(jī)，在飛到測區(qū)之前，打開POS系統(tǒng)，靜止一段時(shí)間，接著按“8”字形飛，飛完之后直飛5min，以保證POS系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，然后開始數(shù)據(jù)采集。在測區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，飛機(jī)可按設(shè)計(jì)航線自動飛行，掃描儀及相機(jī)、POS系統(tǒng)按設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完之后再依次直飛5min、倒“8”字形飛、靜止幾分鐘，關(guān)掉POS系統(tǒng)，地面GPS接收機(jī)待飛機(jī)關(guān)掉POS系統(tǒng)后30 min再關(guān)。如果機(jī)場距離測區(qū)較遠(yuǎn)，就不用在采集測區(qū)數(shù)據(jù)前后飛倒“8”字形。總之，在采集數(shù)據(jù)之前，要保證POS系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。

2 機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)處理的一般流程

2.1 預(yù)處理

預(yù)處理工作主要包括DGPS數(shù)據(jù)預(yù)處理計(jì)算、偏心角計(jì)算以及對觀測質(zhì)量、共星情況和解算精度的檢查，其中偏心角的計(jì)算方法是：通過檢校飛行獲取的激光數(shù)據(jù)，疊加對比往返航帶中各明顯地物激光數(shù)據(jù)的差異，逐漸調(diào)整偏心角數(shù)值，在激光數(shù)據(jù)達(dá)到完全一致時(shí)的偏心角，即確定為IMU與激光掃描儀的實(shí)際偏心角。

2.2 點(diǎn)云分類與DSM、DEM制作

在對點(diǎn)云分類前，應(yīng)首先將激光點(diǎn)云中的粗差點(diǎn)予以剔除。點(diǎn)云分類的目的是將植被、人工建筑等非地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)分開，并把所有的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)單獨(dú)提取出來。在點(diǎn)云分類完成后，應(yīng)進(jìn)行分類質(zhì)量檢查，目前一般采用目視檢查的方法。

利用剔除粗差后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行數(shù)字地表模型(Digital Suface Model，DSM)的制作，利用分類后得到地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行DEM的制作，目前較常用的方法是通過一種擴(kuò)展的狄洛特三角網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)插。

2.3 DOM制作

利用機(jī)載GPS/IMU所獲取的影像外方位元素，以及分類后的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)或制作完成的DEM對航空數(shù)碼影像進(jìn)行正射糾正后生成DOM。正射糾正過程中影像的分塊大小應(yīng)適當(dāng)，影像與影像之間要保證一定的重疊度。

3 適用于山區(qū)輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的LIDAR數(shù)據(jù)采集與處理改進(jìn)方法

3.1 航飛設(shè)計(jì)的改進(jìn)

在水平方向和垂直方向的植被覆蓋都十分密集的山區(qū)，由于植被葉面間的空隙很少，激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的脈沖波穿透植被的概率大幅度下降，使得部分區(qū)域沒有或只有少量的地面點(diǎn)，制作DEM時(shí)，這些區(qū)域的高程值需要通過內(nèi)插得到。當(dāng)區(qū)域較小或地形較平坦時(shí)，該區(qū)域的DEM質(zhì)量一般是可靠的；但當(dāng)區(qū)域較大或地形變化較劇烈時(shí)，該區(qū)域的DEM就不可靠了。

不考慮地形、植被分布、植被葉面含水量等因素，脈沖波穿透植被的概率與單位面積內(nèi)脈沖波的密度、脈沖波的入射方向以及脈沖波的發(fā)射能量有關(guān)。因此，可以通過以下方式來增加脈沖波穿透植被的概率：

(1)增加單位面積內(nèi)脈沖波的密度，實(shí)際上就是單位面積的點(diǎn)密度。點(diǎn)密度與飛行高度、掃描角以及飛行速度有關(guān)，飛行高度越低、掃描角越小、飛行速度越慢，點(diǎn)密度就越大。在進(jìn)行航飛設(shè)計(jì)時(shí)，點(diǎn)密度和掃描帶寬常常不能兼顧，因?yàn)閽呙鑾捙c飛行高度和掃描角有關(guān)，飛行高度越高、掃描角越大，掃描帶寬越寬。為了同時(shí)保證掃描帶寬和點(diǎn)密度，可以采取一定重疊度的多航帶飛行方案。

(2)一次掃描中，脈沖波以某一個入射角度射向地面，如果再增加一次或多次掃描，脈沖波就能以兩個以上的不同角度射向地面，這樣脈沖波穿透植被到達(dá)地面的可能性就增加了。增加掃描次數(shù)實(shí)際上就是增加航帶，如果使用雙航帶，讓兩次飛行的路徑位于線路走廊的兩側(cè)，就可以保證航帶重疊區(qū)各點(diǎn)能接收到兩次不同入射角度的掃描。

(3)增強(qiáng)脈沖波的發(fā)射能量。脈沖波的發(fā)射能量與儀器有關(guān)，在增強(qiáng)脈沖波的同時(shí)，需要考慮激光束的安全性。

本研究提出了一種雙(多)航帶飛行模式，一般地區(qū)采用重疊度60%的雙航帶飛行，特殊區(qū)段采用重疊度50%的三航帶飛行，這種設(shè)計(jì)方法并不會造成總航帶數(shù)量明顯增加，因?yàn)樯絽^(qū)的輸電線路工程通常短耐張段比較多，按常規(guī)飛行設(shè)計(jì)飛行航帶多，零碎，不利于飛行。這種設(shè)計(jì)方法既可以保證掃描寬度，也能確保中心區(qū)域有足夠的點(diǎn)云密度，滿足對中心區(qū)域高程精度的需求，同時(shí)未明顯增加航帶數(shù)量，方便飛行，節(jié)約了飛行成本和航拍時(shí)間。

3.2 點(diǎn)云濾波人工干預(yù)的改進(jìn)

目前用于計(jì)算機(jī)自動濾波的大多數(shù)算法應(yīng)用于帶有植被的粗糙山地時(shí)都會產(chǎn)生或多或少的錯誤，因此需要進(jìn)行人工干預(yù)。為了在滿足工程需要的前提下，減少人工干預(yù)的工作量，可以采取如下方式：首先，從計(jì)算機(jī)自動分類后的點(diǎn)云中提取地面點(diǎn)并制作DEM，在首次DEM上進(jìn)行線路選線，測量首次平斷面等工作，提交設(shè)計(jì)人員進(jìn)行排桿定位，隨后根據(jù)排桿定位的成果，對所有的立塔點(diǎn)附近區(qū)域和危險(xiǎn)點(diǎn)、關(guān)注點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行DEM檢查和手工分類，稱為二次精糾正，以排除這些重點(diǎn)區(qū)域的分類誤差。實(shí)踐證明，這種方法是行之有效的。方法既確保了測量、設(shè)計(jì)的成果可靠性，避免粗差和錯誤，又保證了工作效率，減輕工作量，保證設(shè)計(jì)工期。

3.3 一種DEM可靠性評價(jià)方法

為了評價(jià)DEM的可靠性，本研究提出如下一種方法：首先從原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取用于生成DEM的地面點(diǎn)，并將其以一定的格網(wǎng)大小進(jìn)行分塊，再掃描每一個格網(wǎng)。如果該格網(wǎng)中包含兩個以上的點(diǎn)，或者該格網(wǎng)只含一個點(diǎn)但在相鄰格網(wǎng)中有滿足一定距離要求的點(diǎn)，則認(rèn)為這一區(qū)域的DEM是可靠的，并將這些可靠的格網(wǎng)按上述兩種情況分別賦一顏色值；反之，如果該格網(wǎng)中沒有點(diǎn)，或者只含有一個點(diǎn)且在相鄰格網(wǎng)中找不到滿足一定距離要求的點(diǎn)，則認(rèn)為這一區(qū)域的DEM可靠性差，同樣對這些不可靠的格網(wǎng)按上述兩種情況分別賦一顏色值。這樣，就可以得到一張基于點(diǎn)間距離的點(diǎn)云分布密度圖，對于某一區(qū)域，就可以通過顏色值判斷該區(qū)域DEM的可靠性強(qiáng)弱。這樣設(shè)計(jì)人員也對設(shè)計(jì)成果的可靠性心中有數(shù)，對于可靠性弱的區(qū)域，重點(diǎn)在現(xiàn)場定位時(shí)進(jìn)行復(fù)測，這樣可以避免粗差，也可做到有的放矢，節(jié)約測量工作量。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

2009年，安徽省電力設(shè)計(jì)院在220kV銅貴——永豐輸電線路勘測設(shè)計(jì)中應(yīng)用了機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)，本研究在該工程中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。

4.1 概況

220kV銅貴——永豐變輸電線路全長155公里，途經(jīng)皖南黃山地區(qū)，該區(qū)域地形復(fù)雜，植被覆蓋十分密集。在該工程中，使用的激光掃描儀為徠卡公司的ALS50，搭載平臺為國產(chǎn)運(yùn)7小飛機(jī)，整條線路共布置了5個地面GPS基準(zhǔn)站；設(shè)計(jì)飛行高度為800m，飛行速度為180km/h，掃描帶寬為600m～800m，點(diǎn)密度為9～12點(diǎn)/m2；采用一定重疊度往返飛行的方式(見圖1)，航帶旁向重疊度為60%，重疊區(qū)域的帶寬達(dá)到400m以上，總帶寬達(dá)到1km以上，將初選路徑全部覆蓋在內(nèi)；數(shù)據(jù)處理過程中，各塔位人工干預(yù)的半徑為100m；點(diǎn)云密度分布圖的格網(wǎng)大小為5m，取點(diǎn)間距離小于5m、大于5m小于10m、大于10m這幾種情況作為判斷依據(jù)。

圖1 多航帶飛行

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為航帶重疊區(qū)域的地面點(diǎn)，其中紅色小點(diǎn)為一條航帶獲得的地面點(diǎn)，青色小點(diǎn)為另一條航帶得到的地面點(diǎn)。可以明顯的看出，雙(多)航帶飛行可以明顯增加航帶重疊區(qū)域的地面點(diǎn)。而足夠數(shù)量的地面點(diǎn)可以保證DEM的精度和可靠性。

圖2 其中紅色小點(diǎn)為往飛得到的地面點(diǎn)，藍(lán)色小點(diǎn)為返飛得到的地面點(diǎn)

圖3是對某一塔位區(qū)域手工干預(yù)前和手工干預(yù)后的狄洛特三角網(wǎng)渲染后的一個效果對比圖，可以明顯地看出，圖3(a)中的平滑情況完全不如圖3(b)，這表明在計(jì)算機(jī)自動分類的過程中，圖3(a)中尚有大量的非地面點(diǎn)沒有分離出去。因此人工干預(yù)是必要的，本工程設(shè)計(jì)的人工干預(yù)方法既保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足工程需要，也節(jié)約了大量的人工及時(shí)間。

圖3 某一塔位區(qū)域手工干預(yù)前和手工干預(yù)后的狄洛特三角網(wǎng)

圖4為某一區(qū)域的點(diǎn)云分布密度圖，其中白色表示該位置沒有地面點(diǎn)，紅色代表該位置地面點(diǎn)的點(diǎn)間距超過10m，青綠色代表該位置地面點(diǎn)的點(diǎn)間距大于5m小于10m，黃色代表該位置地面點(diǎn)的點(diǎn)間距小于5m。白色和紅色區(qū)域如果剛好位于線路路徑范圍內(nèi)，則需要外業(yè)定位時(shí)給予重點(diǎn)復(fù)測。點(diǎn)云密度圖可以對機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行一個直觀的判斷，對粗差的探測起到指引作用。

圖4 點(diǎn)云密度分布圖

為了檢查DEM的精度，本研究在外業(yè)定位現(xiàn)場做了大量GPS控制點(diǎn)，將這些控制點(diǎn)的工測高與首次DEM高進(jìn)行比較，其部分結(jié)果見表1。圖5是要根據(jù)上表中檢查點(diǎn)工測高與DEM高的差值生成的一張統(tǒng)計(jì)圖，從圖中可以看出絕大部分差值在-0.5m～0.5m之間，只有少數(shù)點(diǎn)的絕對差值超過2m。在進(jìn)行人工干預(yù)后，所有檢查點(diǎn)的絕對差值都在1m內(nèi)。因此，DEM的總體精度情況是較好的，同時(shí)也證明特定區(qū)域的人工干預(yù)是必要的。

表1 工測高與DEM高比較(部分)

圖5 DEM精度檢查

5 總結(jié)

本研究對機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與處理的一般流程進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種適用于山區(qū)的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與處理方法，主要作了如下改進(jìn)：

(1)航飛設(shè)計(jì)的改進(jìn)。本研究提出了一種雙(多)航帶飛行模式：一般地區(qū)采用重疊度60%的雙航帶飛行，特殊區(qū)段采用重疊度50%的三航帶飛行，以確保重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域有足夠的點(diǎn)云密度。

(2)點(diǎn)云濾波人工干預(yù)的改進(jìn)。提出二次精糾正的思路，首次采用計(jì)算機(jī)自動分類成果進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，二次根據(jù)排桿定位的成果，對所有的立塔點(diǎn)附近區(qū)域和危險(xiǎn)點(diǎn)、關(guān)注點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行人工干預(yù)精糾正，以排除這些重點(diǎn)區(qū)域的分類誤差。這樣既保證了關(guān)注點(diǎn)的質(zhì)量可靠，又大量節(jié)約了工作時(shí)間，提高效率。

(3)提出了一種DEM可靠性評價(jià)方法。為了評價(jià)DEM的可靠性，本研究提出：首先生成一幅基于地面點(diǎn)間距離的點(diǎn)云分布密度圖，然后根據(jù)該圖來判斷某一區(qū)域DEM的可靠性強(qiáng)弱。

經(jīng)實(shí)踐證明，本研究中所提出的方法在線路路徑優(yōu)化中起到了重要的作用，估算節(jié)約總投資的5%；既加快了勘測設(shè)計(jì)進(jìn)度，提高了作業(yè)效率，節(jié)約工期約30%，又從多方面確保了測量、設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量、可靠性，避免了設(shè)計(jì)差錯、返工現(xiàn)象的出現(xiàn)。

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