無人機機載激光雷達掃描系統(tǒng)在抽水蓄能電站工程中的應(yīng)用研究

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

0.引言

在抽水蓄能電站工程建設(shè)中，地形復(fù)雜、傳統(tǒng)測繪工作難度較大、人力物力成本高而效率低，已經(jīng)不滿足社會發(fā)展需求。近年來，隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)測繪已經(jīng)向信息化測繪邁進，航測以其高效率、低成本、成果多樣的特點，在測繪領(lǐng)域得到了全面的應(yīng)用。特別是無人機航測，相比傳統(tǒng)航測又是巨大的進步，現(xiàn)在可以實現(xiàn)免像控高精度的測量。但抽水蓄能電站工程環(huán)境一般都是密林山區(qū)，測繪難度大，無人機航測無法拍攝到植被茂密的地面，因此無法獲取次此環(huán)境中的地表地形，而機載激光雷達技術(shù)可以彌補這方面的不足。

機載激光雷達（LiDAR）集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機等光譜成像設(shè)備[1-3]。激光掃描設(shè)備裝置可記錄一個單發(fā)射脈沖返回的首回波、中間多個回波與最后回波，通過對每個回波時刻記錄，可同時獲得多個高程信息，將IMU/DGPS系統(tǒng)和激光掃描技術(shù)進行集成，飛機向前飛行時，掃描儀橫向?qū)Φ孛姘l(fā)射連續(xù)的激光束，同時接受地面反射回波，IMU/DGPS系統(tǒng)記錄每一個激光發(fā)射點的瞬間空間位置和姿態(tài)，從而可計算得到激光反射點的空間位置（三維坐標點云）。

圖1 地表點云獲取技術(shù)流程

應(yīng)用分類(Classification)技術(shù)在原始三維坐標點云數(shù)據(jù)中移除建筑物、人造物、覆蓋植物等測點數(shù)據(jù)，即可獲得地面數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM),據(jù)此可以生產(chǎn)常規(guī)的地形圖（DLG）等測繪產(chǎn)品。產(chǎn)品拓展還可用于三維設(shè)計、建設(shè)征地勘測定界、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)融合疊加及對比分析、斷面數(shù)據(jù)提取、工程量計算、庫容計算、施工進度匯報等。

機載激光雷達（LiDAR）的技術(shù)優(yōu)勢有[4-5]：（1）穿透性強。激光雷達能夠很好的穿透植被區(qū)域，獲取植被下的地面數(shù)據(jù)；（2）數(shù)據(jù)獲取面積大，速度快。利用無人機平臺能夠快速獲取大面積的點云數(shù)據(jù)；（3）精度高。利用高精度的GPS/IMU傳感器，激光雷達獲取的數(shù)據(jù)具有較高的相對精度和絕對精度。

1.試驗區(qū)概況

抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的水電站，又稱蓄能式水電站。典型抽水蓄能電站由上、下水庫、引水洞、發(fā)電廠房、輸變電設(shè)施等結(jié)構(gòu)組成。

本文試驗區(qū)抽水蓄能電站上、下水庫落差約700m，平均海拔約800m，工程勘察范圍面積約12km2，工程區(qū)地勢起伏、溝谷縱橫、山高坡陡、植被茂盛。

2.試驗方法

為滿足可研設(shè)計質(zhì)量和進度要求，需在短期內(nèi)完成抽水蓄能電站工程范圍12km2的1:500地形測量工作。經(jīng)技術(shù)設(shè)計，常規(guī)測量作業(yè)難度大，攝影測量很難滿足高程精度要求，無人機搭載輕型激光雷達方案具備作業(yè)成本低、設(shè)備起降簡單、機動靈活、低航高、單位面積點云密度大等優(yōu)點。最終確定采用無人機機載激光雷達掃描系統(tǒng)進行測繪，具體技術(shù)流程如圖1。

2.1 航飛采集點云數(shù)據(jù)和數(shù)碼影像

（1）根據(jù)測區(qū)范圍、地形地物條件、成圖精度等要求進行分區(qū)設(shè)計、航高設(shè)計、航帶劃分、航線設(shè)計、重疊度設(shè)計等。

（2）選取氣象條件良好的合適時間段開展航飛作業(yè)。

（3）定位定姿設(shè)備采用中海達的海達數(shù)云Hi-POS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，機載GPS記錄無人機飛行軌跡，通過事后差分獲取系統(tǒng)的位置和姿態(tài)參數(shù)。

（4）激光掃描測量。設(shè)置好飛行速度、掃描鏡的擺動方向和擺動角度、激光脈沖頻率、激光反射鏡轉(zhuǎn)動速度，無人機沿航線飛行時，激光發(fā)生器不停發(fā)射激光通過掃描鏡運動反射，使激光束掃向不同角度。激光束遇到物體反射回來，被激光雷達設(shè)備上感應(yīng)單元接收，根據(jù)激光發(fā)射到接收的時間差，測出距離。

（5）通過搭載的數(shù)碼相機按無人機攝影方式獲取影像，與激光掃描儀的定位定姿設(shè)備同步記錄影像曝光時刻位置和姿態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

將基站GPS采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)和機載設(shè)備采集的實時POS數(shù)據(jù)進行差分解算，得到飛行的軌跡數(shù)據(jù)，再利用點云融合軟件將軌跡和原始激光數(shù)據(jù)融合出點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過分類處理、編輯，提取有效的地面高程點后生成數(shù)字高程模型（DEM）。

2.2.1 DGPS解算

利用GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)和機載實時獲取的POS數(shù)據(jù)以及基站的已知坐標進行PPK后差分結(jié)算，得到高精度的POS數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)融合

采用數(shù)據(jù)融合軟件進行激光數(shù)據(jù)融合，生成點云文件。激光器的角度和位置偏移量是出廠前由設(shè)備檢驗人員進行嚴格標定獲得。

2.2.3 點云分類

先使用Terrasoild軟件的T-scan模塊對點云數(shù)據(jù)進行自動分類[6-8]。

再結(jié)合T-model模塊，用地面點生成可編輯的模型（Editable model），參考模型及點云來進行手動精細分類，得到地表點云，進而利用地表點云生成DEM[9-10]。

2.2.4 制作DOM和DLG

通過機載的POS設(shè)備，得到相機拍照時刻的外方位元素，結(jié)合原始影像，刺入少量控制點，進行空中三角測量處理，輸出正攝影像（DOM）。

由于現(xiàn)場高差較大，采用立體采集的方式采集道路、田埂、地類界等地物信息，結(jié)合DEM得到DLG。

由于建筑物的層數(shù)材質(zhì)、涵洞出水口等信息無法從點云和正射影像圖中識別出來，還需要進行外業(yè)調(diào)繪補測。

3.數(shù)據(jù)檢驗和分析

表1 1:500 DOM精度要求

表2 1:500 DEM高程插值精度

根據(jù)上一節(jié)的技術(shù)流程，獲取了試驗區(qū)的地表點云、DEM和DOM。為檢驗掃描成圖的精度，按照航測1:500比例尺成圖的平面位置中誤差和高程插值精度要求（見表1和表2所示），通過對居民區(qū)、無植被區(qū)、不同類型不同郁閉度植被區(qū)實測了檢查點，精度統(tǒng)計如表3所示。點云數(shù)據(jù)都是離散的三維點，不容易比較平面精度。借助點云編輯處理軟件，切片自動提取房屋輪廓，比較房角的平面位置。

表3 掃描成圖精度統(tǒng)計

從表3可以看出，竹林區(qū)郁閉度高，激光穿透性差，獲取地面反射點稀少，影響地形精度，實測檢查等高線高程中誤差超限。此類局部區(qū)域通過實測成圖替換激光掃描成圖，以滿足1:500地形圖精度要求。

4.結(jié)論和展望

（1）無人機機載激光雷達掃描系統(tǒng)在抽水蓄能電站1:500地形圖測繪中比傳統(tǒng)人工測量外業(yè)效率高（自動掃描）、比攝影測量精度好（可穿透樹障）。

（2）為滿足1:500地形圖測繪平面和高程精度要求，應(yīng)根據(jù)地形情況和植被情況增加布設(shè)航線。抽水蓄能電站地形起伏大，實際重疊度和覆蓋范圍會因地形起伏而減小。布設(shè)航線應(yīng)考慮實際重疊情況，避免產(chǎn)生航飛漏洞。航線宜垂直山溝水流方向，至少應(yīng)保證山溝正上方有航線，植被高而密時，應(yīng)加密航線，保證5m～10m間距內(nèi)有激光束能穿透樹障到達地面。

（3）當局部測區(qū)激光束無法穿透密集植被、水面無法反射回波、點狀地物無法分辨等情況下，應(yīng)采用人工實測的方法采集測點數(shù)據(jù)，與點云數(shù)據(jù)融合進行DLG生產(chǎn)。

（4）點云數(shù)據(jù)海量，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量大，合理的分區(qū)處理，既能提高效率又能保證點云精度。