無人機載LiDAR在風(fēng)電場道路勘測設(shè)計中的應(yīng)用研究

文 | 張杰

目前 ，一些用于風(fēng)電場道路勘察設(shè)計的傳統(tǒng)測繪方法無法得到植被密集地區(qū)的地表情況。例如，采用數(shù)字?jǐn)z影測量方法制作地形圖，在森林地區(qū)作業(yè)時（需要航空攝影測量）面臨著諸多困難，如外業(yè)控制、加密選點、影像匹配以及立體測圖等。而且數(shù)字?jǐn)z影測量方法采集高程點信息的工作量大、勞動強度大、工作效率較低，難以滿足風(fēng)電市場的快速需求。在風(fēng)電場工程建設(shè)中，因大部件運輸改擴建道路造成房屋拆遷及林木砍伐的情況普遍存在。業(yè)主和施工單位由于無法獲得建設(shè)前的實際空間數(shù)據(jù)，不能將房屋拆遷及林木砍伐費用納入預(yù)算，導(dǎo)致成本增高。

近年來，無人機激光雷達（unmanned aerial vehicle，UAV）技術(shù)快速發(fā)展，在全球范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，很多組織機構(gòu)或個人開始研制、集成多種形式的無人機激光雷達系統(tǒng)，用于快速地形測量、地表變化監(jiān)測等業(yè)務(wù)。無人機激光雷達具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是對于不易到達的區(qū)域，無人機具有更為顯著的優(yōu)勢。LiDAR（light detection and ranging激光雷達）點云數(shù)據(jù)具有高精度、高密度的特點。實踐證明：其高程精度可達到0.2米左右，高于數(shù)字?jǐn)z影測量方法的地形數(shù)據(jù)精度。風(fēng)電項目一般采用1:2000地形圖進行規(guī)劃設(shè)計，因此采用點云數(shù)據(jù)生成地形圖的精度完全符合設(shè)計要求。隨著無人機激光雷達技術(shù)的不斷發(fā)展，基于點云數(shù)據(jù)生成的數(shù)字化三維模型可實現(xiàn)風(fēng)電場的智能選線、生成的房屋單體化數(shù)據(jù)可精確測量房屋拆遷面積、生成的單木分割數(shù)據(jù)可精確計算砍伐量，因而能夠有效提高風(fēng)電場道路勘察設(shè)計智能化水平，提高運檢效率，保護風(fēng)電場走廊免受非法侵害。利用無人機搭載機載LiDAR生成數(shù)字化風(fēng)電場走廊，能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。

無人機載LiDAR理論基礎(chǔ)

一、無人機載LiDAR系統(tǒng)組成

無人機激光雷達系統(tǒng)通常配備激光掃描儀、高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、慣性測量單元 （global navigation satellite system，GNSS ＆ inertial measurement unit，IMU）和光學(xué)相機等載荷，激光掃描儀能夠獲取地物的三維點云數(shù)據(jù)，高精度GNSS ＆ IMU提供姿態(tài)和位置信息，用于解算激光點云三維位置，光學(xué)相機用于地物類型識別以及結(jié)構(gòu)信息提取。隨著微型激光掃描儀、GNSS ＆ IMU 集成系統(tǒng)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了多種輕小型無人機激光雷達系統(tǒng)，采用高精度 GNSS＆ IMU 是提高激光雷達定位精度的關(guān)鍵，集成 GNSS、IMU的混合測量單元（hybrid measurement unit，HMU）已經(jīng)能夠達到厘米級定位精度。無人機自動巡航系統(tǒng)能夠?qū)崟r地獲取飛行器位置、速度和姿態(tài)信息，并反饋給飛行控制系統(tǒng)，使得飛行器沿著預(yù)定航線飛行。

圖1 無人機載LiDAR系統(tǒng)組成

二、激光測距原理

激光測距就是測量激光光束在測距儀與被測物體表面之間的往復(fù)距離，已知光速常量的前提下，核心問題就是確定激光在空間中的飛行時間，所以時間精度直接影響測距精度。

激光測距主要采用脈沖式，即通過精確記錄通過激光發(fā)生單元發(fā)出的激光脈沖的發(fā)射時間，及該脈沖經(jīng)過被測物體表面產(chǎn)生反射再次被傳感器接收的時間，以確定激光脈沖的飛行時間（Time of Flight），并進一步推算測距數(shù)據(jù)，其測距原理如圖2所示。測距公式為：

式中，C為光速；Δt為發(fā)射波與反射波的時間差。

三、LiDAR在風(fēng)電場中的應(yīng)用流程

利用LiDAR技術(shù)進行風(fēng)電場道路勘察設(shè)計的方法大致如下：首先，將無人機LiDAR設(shè)備獲取的原始數(shù)據(jù)進行航跡解算和三維點云解算，對生成的三維點云進行航帶拼接、去噪，利用點云濾波算法提取地面點生成DEM，對線路規(guī)劃決策的影響要素進行參數(shù)化和數(shù)字化，基于人工智能的方法搜索代價最小的路徑，并借助于領(lǐng)域?qū)＜业闹R，對決策要素的參數(shù)化和目標(biāo)函數(shù)做進一步優(yōu)化，形成一套自動化程度較高的路徑規(guī)劃方法，為線路規(guī)劃設(shè)計提供參考方案。其次，將獲取的點云數(shù)據(jù)構(gòu)建線路廊道三維場景，設(shè)計人員即可在三維場景中針對規(guī)劃方案進行風(fēng)電場優(yōu)化選址作業(yè)和線路規(guī)劃。最后，在規(guī)劃好場外和進場的最優(yōu)線路后，對場外和進場的線路廊道內(nèi)的建筑物進行單體化以精確測量房屋拆遷面積；對植被進行單木分割以精確計算砍伐量。LiDAR在風(fēng)電場道路勘察設(shè)計中的工作流程如圖3所示。

四、數(shù)據(jù)應(yīng)用

基于LiDAR采集的高密度、高精度點云數(shù)據(jù)，可提供風(fēng)電場整體區(qū)域的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和規(guī)劃方案。

（1）數(shù)字線劃圖（DLG）的制作。LiDAR數(shù)據(jù)可滿足最高1：500DLG的制作，高精度的DLG可應(yīng)用于對擬定機位點風(fēng)能資源的模擬，計算出該擬定點的全年發(fā)電量，對單機及整場的發(fā)電量進行精準(zhǔn)評估。

（2）道路數(shù)據(jù)采集及重建。對進場外圍道路進行掃描，獲取進場道路全信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用三維技術(shù)對道路及周邊設(shè)施進行重建，生成三維實景模型。將運輸車輛及部件模型放入實景模型內(nèi)進行運輸模擬，標(biāo)注無法避免的碰撞點和高危點，在設(shè)備進入前對危險點采取相應(yīng)的拆除、擴建、轉(zhuǎn)移和修理等措施。

（3）場內(nèi)運輸?shù)缆芬?guī)劃。根據(jù)前期預(yù)規(guī)劃的進場路線設(shè)置飛行航線，實現(xiàn)對場內(nèi)運輸?shù)缆返膾呙?。采集的?shù)據(jù)可進行地形重建，針對風(fēng)電場道路修建的標(biāo)準(zhǔn)對選取的道路進行精確評估，按照修建標(biāo)準(zhǔn)即時調(diào)整，確認(rèn)最優(yōu)路線。

圖2 脈沖式測距原理

圖3 LiDAR應(yīng)用于風(fēng)電場道路勘察設(shè)計的工作流程

（4）土方工程量計算。傳統(tǒng)計算土方量的方法最難做到的就是去植被，人為對樹木高度的預(yù)估和植被不同朝向的長勢對土方量的精確計算影響很大。LiDAR數(shù)據(jù)可以穿透植被打到地面，極大降低了人為因素的影響，可以精準(zhǔn)預(yù)估開挖的土方量?；邳c云數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)格可以對風(fēng)電機組平臺開挖回填和道路施工的土方量進行評估，更精準(zhǔn)的工程量預(yù)估可以降低工程預(yù)算，在競爭中更具優(yōu)勢。

應(yīng)用案例

一、測區(qū)概況

本項目為金風(fēng)科技數(shù)字化風(fēng)電場數(shù)據(jù)獲取處理項目，涉及場外、進場線路的約90平方公里區(qū)域面積。測區(qū)地形包括平地和山地，山坡植被茂密，覆蓋率高，平原地區(qū)有大面積房屋建筑，主要為居民區(qū)和廠區(qū)，地形地貌復(fù)雜多變（圖4）。項目最終成果比例尺為1 2000，進場通道的每平方米點數(shù)為30。外業(yè)采集時間為2018年7月。

二、外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（一） 前期準(zhǔn)備

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集階段，首先需要進行前期準(zhǔn)備，前期準(zhǔn)備工作主要包括任務(wù)分配及人員分組、測區(qū)資料搜集、實地踏勘、基站位置設(shè)定（圖5）以及制定詳細作業(yè)方案等幾個部分。其中測區(qū)資料的搜集、測區(qū)實地踏勘以及詳盡的作業(yè)規(guī)劃三方面工作至關(guān)重要。

1.測區(qū)資料搜集

在作業(yè)前期對測區(qū)的資料進行搜集，包括測區(qū)的地形圖、航拍或衛(wèi)星影像等，對測區(qū)的面積以及分布性狀有初步了解。同時需要了解當(dāng)?shù)貧夂驓庀笮畔?，以參考確定設(shè)備運行的最佳環(huán)境，并依此設(shè)定對應(yīng)的作業(yè)方案。

2.測區(qū)實地踏勘

圖4 湖南大馬風(fēng)電場區(qū)域示意圖

圖5 基站架設(shè)

表1 LiAir200設(shè)備參數(shù)

根據(jù)初期獲取的測區(qū)資料進行實地踏勘，實地調(diào)查測區(qū)內(nèi)的地物分布狀況，此工作開展的細致程度對于激光雷達數(shù)據(jù)的獲取具有重要影響。根據(jù)地物的分布疏密以及重要性（重要性較低的地物可以適當(dāng)降低掃描密度，以減少數(shù)據(jù)冗余；較重要地物，可適當(dāng)提高掃描密度，以獲取更多的細節(jié)信息），設(shè)定后期作業(yè)掃描模式。

3.作業(yè)方案規(guī)劃

在完成先期準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)項目要求，對整個外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作進行方案制定，基于實地踏勘的情況，制定運行參數(shù)以及無人機航線規(guī)劃。其中包括根據(jù)地形、地勢設(shè)定無人機航高、航速及航線間隔，激光雷達設(shè)備的掃描頻率及掃描速度。

大馬風(fēng)電場區(qū)域數(shù)據(jù)采用北京數(shù)字綠土科技有限公司的無人機激光雷達LiAir200設(shè)備掃描獲取，設(shè)備參數(shù)如表1所示。

（二） 航線設(shè)計

航線的設(shè)計和激光雷達數(shù)據(jù)采集分為場外（圖6）和進場區(qū)域（圖7）兩部分。

三、激光點云數(shù)據(jù)處理成果

（一）場外數(shù)據(jù)成果

該項目采用LiDAR360軟件進行激光點云數(shù)據(jù)后處理，分為場外數(shù)據(jù)處理和進場數(shù)據(jù)處理。將上述解算出的三維激光點云數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入LiDAR360軟件中進行去噪和航帶拼接。計算結(jié)果如下：

1. DEM生成

通過漸進三角網(wǎng)加密法提取出地面點后，對地面點利用不規(guī)則三角網(wǎng)空間插值獲得連續(xù)變化的數(shù)字高程模型DEM（圖8）。場外區(qū)域高差起伏較小，地形比較平坦。

2.房屋單體化、單木分割

通過過濾地面點云數(shù)據(jù)以實現(xiàn)地物分離，再從非地面點中提取建筑物點云，給不同建筑物進行賦色，并從中獲取建筑物面積信息，實現(xiàn)建筑物輪廓提取與規(guī)則化，從建筑物點云中獲取建筑物屋頂形狀，實現(xiàn)建筑物的單體化（圖9）。

圖6 場外區(qū)域無人機航線設(shè)計

圖7 進場區(qū)域無人機航線設(shè)計

圖8 場外區(qū)域DEM

圖9 場外區(qū)域房屋單體化

對原始點云去除噪點后，進行點云濾波提取出地面點，并生成DEM，通過對點云數(shù)據(jù)進行歸一化處理，消除地形對單木提取結(jié)果的影響，使提取的單木高度數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。利用LiDAR360軟件機載林業(yè)模塊的基于點云單木分割工具，將原始點云分割為單棵的樹木點云（圖10），按照不同的樹木ID給點云賦色，獲得樹木的總數(shù)，同時生成單木的點位、高度、冠幅等信息（圖11）。

（二）進場數(shù)據(jù)成果

1. DEM生成

將進場區(qū)域的點云數(shù)據(jù)提取出地面點后，對地面點進行不規(guī)則三角網(wǎng)空間插值獲得數(shù)字高程模型DEM（圖12），對道路兩邊樹木進行單木分割（圖13）并提取樹木位置等相關(guān)有效信息（圖14）。進場區(qū)域面積約4平方公里，進場區(qū)域相較于場外區(qū)域地形起伏較大，高差約290米。

2.三維建模

基于點云數(shù)據(jù)，對運輸?shù)缆穬蛇叺姆课?、樹木等重要設(shè)施進行三維重建（圖15），在工程動工前期全面掌握相關(guān)情況，對需要改擴建、拆遷的進行統(tǒng)計，做出合理規(guī)劃。

3.模擬運輸

在點云數(shù)據(jù)的支持下，可對道路進行碰撞檢測模擬（圖16），將無法預(yù)見的外部工作在電腦上提前完成，以規(guī)避風(fēng)險。

結(jié)語

圖10 場外區(qū)域單木分割

圖11 場外區(qū)域單木分割成果

圖12 進場區(qū)域DEM

圖13 進場區(qū)域單木分割

圖14 進場區(qū)域單木分割成果

圖15 進場道路兩側(cè)三維建模成果

圖16 進場道路模擬碰撞檢測

將激光雷達點云數(shù)據(jù)應(yīng)用于丘陵、山地地區(qū)優(yōu)勢明顯，可以解決地形數(shù)據(jù)采集工作量大、勞動強度大、工作效率低等問題。本文通過介紹 LiDAR技術(shù)在湖南大馬風(fēng)電場項目中的實際應(yīng)用，說明了 LiDAR技術(shù)在風(fēng)電場項目中應(yīng)用的可行性。綜合分析可知，LiDAR技術(shù)與風(fēng)電場項目結(jié)合具有極大的優(yōu)勢，通過測量精度的增加，可以在各環(huán)節(jié)降低成本。隨著風(fēng)電行業(yè)競價上網(wǎng)的趨近，市場對成本的控制越來越嚴(yán)格，激光雷達技術(shù)必將在風(fēng)電行業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。