抽水蓄能電站三維掃描測量技術(shù)研究

董海洋 楊看迪 王龍

摘要：受某公司委托，我單位承擔提供其蓄能電站三維掃描測量服務，包括營地和開關(guān)站兩洞口1：500三維掃描測量，征地紅線范圍三維模型建模。根據(jù)測繪環(huán)境、成果要求和委托方建議，采用機載激光雷達技術(shù)和無人機傾斜攝影測量技術(shù)相結(jié)合的方式進行生產(chǎn)作業(yè)。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能;三維掃描;數(shù)據(jù)處理

一、三維掃描測量技術(shù)工作流程

1.1 機載激光雷達作業(yè)流程

本項目數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)是對測區(qū)范圍內(nèi)的地類地物、地貌采用內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方法進行成圖，外業(yè)手段采用機載激光雷達設備進行數(shù)據(jù)采集，通過激光雷達可以掃描到建筑物立面的特征，對建筑進行繪圖，省去傳統(tǒng)航測需要進行屋檐改正的步驟，通過激光雷達可以穿透植被的特征，對野外地形地貌進行數(shù)據(jù)采集，獲取野外植被下方的地表高程點數(shù)據(jù)。然后在此基礎(chǔ)上派外業(yè)人員到實地進行調(diào)繪，重點調(diào)繪對象有：①地名、房屋結(jié)構(gòu)、井蓋、消防栓等遙感手段不易識別的對象;②電線桿、線纜類型、線纜走向等點云上可能漏測的對象;③坎、田埂、農(nóng)村小路等點云上可能混淆的對象。調(diào)繪完成后根據(jù)調(diào)繪成果進行外業(yè)補測，內(nèi)業(yè)編輯，生成最終的全要素數(shù)字化地形圖。

1.2 傾斜攝影測量作業(yè)流程

對于征地紅線范圍利用傾斜攝影測量技術(shù)，生產(chǎn)三維模型。模型質(zhì)量與像控點的精度和航線的規(guī)劃有關(guān)。像控點的布設要按照規(guī)范要求，平均500米布設一個像控點。航線的規(guī)劃則根據(jù)具體分辨率要求來設置相關(guān)重疊度和航高等參數(shù)。外業(yè)采集到相片后，首先對pos進行PPK后差分處理，然后進行空三加密計算，進而進行三維重建，生產(chǎn)出三維模型。

1.3基準站架設選點

本無人機激光雷達技術(shù)，是通過GPS后處理差分動態(tài)定位技術(shù)實現(xiàn)，在無人機搭載一個GPS模塊作業(yè)的同時，我們需要在一個已知點（已知WGS84坐標即可）點位上架設靜態(tài)模式的GPS接收機，采集相同作業(yè)時段內(nèi)的GPS數(shù)據(jù)，基站理論覆蓋距離為25公里。

1.4航線規(guī)劃

本無人機激光雷達測量技術(shù)整體來說具有三個誤差來源，第一是GPS后處理差分的誤差，第二個是慣導的誤差，第三個是掃描儀本身的測距誤差，在同一個測區(qū)同樣的航線規(guī)劃下，GPS后處理的精度與慣導的精度是基本固定的，因此主要可以控制的誤差為掃描儀的測距誤差。SZT-250型激光雷達掃描技術(shù)采用的是脈沖式掃描技術(shù)，脈沖式掃描技術(shù)與全站儀類似，其測距誤差具有隨著測距距離越長誤差越大的特點，同時因為掃描方式，還具有掃描角度越大的區(qū)域誤差越大。

根據(jù)對SZT-250設備的參數(shù)進行推算，為了滿足1：500地形成圖的高程與平面精度，我們航線設計原則為：飛行最高高度不大于100米，解算只保留正下方90度點云數(shù)據(jù)，以確保點云精度滿足1：500地形成圖要求。SZT-R250機載激光雷達設備最長測程為250米，為保證作業(yè)精度我們設計離地最大航高為100米，為保障飛行安全，每高差落差100米需要選擇一個起飛點進行飛行任務，在山區(qū)需選擇區(qū)域內(nèi)最高點作為起飛點。在參考原始文件測區(qū)內(nèi)施工方提供的1：2000地形圖，同時參考OpenCycle等高線地圖測區(qū)內(nèi)地形地貌起伏情況后，我們對測區(qū)內(nèi)高差起伏有了一個初步認識。而此次機載雷達測量區(qū)域面積較小，地勢平緩，合計用2個架次完成原始點云采集工作。

二、激光雷達數(shù)據(jù)處理

通過對飛行設備上GPS模塊的GNSS數(shù)據(jù)，聯(lián)合基準站靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)進行解算。在Inertial Explorer中將GPS基站、GPS流動站、IMU數(shù)據(jù)進行組合導航解算，得到航跡文件。首先需要計算GPS流動站天線到IMU中心的偏心矢量，并在軟件設置（每一套硬件有一個固定參數(shù)，定期進行檢校），如圖1所示;其次，為每一個GPS基站輸入控制點坐標，如圖2所示，輸入的坐標系為WGS84坐標系;最后，解算完成后，查看處理精度報告，包括姿態(tài)、位置精度、IMU處理狀態(tài)、姿態(tài)、位置分離等，確認無誤后輸出航跡文件。

（1） WGS-84坐標系點云數(shù)據(jù)生成

在PointProcess軟件進行點云處理，加載激光原始數(shù)據(jù)RXP文件、以及航跡文件，設置系統(tǒng)檢校參數(shù)、坐標變換矩陣（如圖4所示），可設置根據(jù)激光點反射率及距離進行粗濾波來過濾噪點，我們在此項目中為了確保點云精度，將掃描角度120度以外的角度進行濾波。

SZT-R250設備集成的為Rigel品牌的掃描頭，其默認的原始點云格式為RXP格式，通過PointProcess軟件將其轉(zhuǎn)換為點云通用格式LAS。

（2） WGS-84坐標系與地方坐標系的點云轉(zhuǎn)換

通過已知點求取的四參/七參，使用PointProcess軟件對點云進行坐標轉(zhuǎn)換?？紤]到測區(qū)面積較小，我們這個項目中擬使用四參進行坐標轉(zhuǎn)換。

（3）點云完整性檢查

①點云數(shù)據(jù)是否覆蓋整個測區(qū);②航帶之間是否有重疊（不小于13%），是否有漏洞;③航帶拼接誤差差是否滿足后期處理需求（一般控制在0.5m以內(nèi)，大于0.5m時，返回預處理重新解算）

（4）航帶拼接誤差檢查

①裁切原始航跡文件。原始航跡是飛機飛行一個架次或多個架次的飛行軌跡，包含了多個航帶，無人機激光雷達設備集成的是輕量化小型化慣導，在轉(zhuǎn)彎區(qū)域的誤差會比較大，我們將此區(qū)域數(shù)據(jù)裁切掉以保證數(shù)據(jù)整體精度準確性。②匹配航跡線與點云。原始點云沒有航跡信息，所有航線的點云顏色都一樣，無法判斷是否有高差，需要匹配航跡線與點云，使用TerraScan中的算法Deduce line numbers使點云攜帶與航跡線相對應的航跡信息。③檢查航帶拼接誤差。使用剖面工具，檢查兩兩航帶重疊區(qū)域的剖面是否完全重疊，如果不完全重疊，則視為有拼接誤差（包含平面差和高程差）。

（5）粗分類

調(diào)整高差后的LiDAR點云雖然經(jīng)過了一次粗分類，但重疊區(qū)域的存在多條航帶的點云，所以需要對工程數(shù)據(jù)重新進行粗分類。①更改宏命令。在上面宏命令的基礎(chǔ)上添加By class（將所有層點云歸為一層）、Deduce linenumbers（匹配點云與航跡）Cut overlap（去除重疊帶）三個算法，并將單航帶運行前面的勾選去掉，如果此項目沒有要求分類建筑物，可以將Buildings算法刪除。②批處理粗分類。在調(diào)整完拼接誤差的工程中運行更改后的宏命令，初步將地面點與非地面點分離。③抽析地面點。將抽析后的地面點制作DEM，結(jié)合影像原始POS，制作DOM快視圖，為細分類提供參考。

（6）細分類

自動化算法分類有著局限性，在工程行業(yè)等領(lǐng)域粗分類無法滿足應用需求，因此需要進行精細化分類，在此項目中，我們只需要對地表進行精細化分類即可。

在TerraSolid軟件中導入粗分類后的點云，通過剖面工具，每隔一米進行剖面檢查，查看分類成果是否有錯誤。如下圖，綠色為非地表，黃色為地表，白色點位未知類別。

結(jié)束語：抽水蓄能電站三維掃描測量技術(shù)研究的相關(guān)實際工作進行了探討，從工作流程到數(shù)據(jù)處理均作出了詳細的研究，希望為相關(guān)從業(yè)者提供些許借鑒。

參考文獻：

[1]潘傳鵬， 施濤， 周達，等. 一種抽水蓄能電站三維可視化方法研究與實現(xiàn)[J]. 測繪與空間地理信息， 2018， 41（9）：3.

[2]顧賓. 基于標記點的流動式三維掃描測量技術(shù)的研究[D]. 中國海洋大學， 2013.