無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)在抽水蓄能電站工程中的應(yīng)用研究

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)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(cè)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(huì)發(fā)展需求。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)繪已經(jīng)向信息化測(cè)繪邁進(jìn)，航測(cè)以其高效率、低成本、成果多樣的特點(diǎn)，在測(cè)繪領(lǐng)域得到了全面的應(yīng)用。特別是無(wú)人機(jī)航測(cè)，相比傳統(tǒng)航測(cè)又是巨大的進(jìn)步，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)免像控高精度的測(cè)量。但抽水蓄能電站工程環(huán)境一般都是密林山區(qū)，測(cè)繪難度大，無(wú)人機(jī)航測(cè)無(wú)法拍攝到植被茂密的地面，因此無(wú)法獲取次此環(huán)境中的地表地形，而機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以彌補(bǔ)這方面的不足。

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備[1-3]。激光掃描設(shè)備裝置可記錄一個(gè)單發(fā)射脈沖返回的首回波、中間多個(gè)回波與最后回波，通過(guò)對(duì)每個(gè)回波時(shí)刻記錄，可同時(shí)獲得多個(gè)高程信息，將IMU/DGPS系統(tǒng)和激光掃描技術(shù)進(jìn)行集成，飛機(jī)向前飛行時(shí)，掃描儀橫向?qū)Φ孛姘l(fā)射連續(xù)的激光束，同時(shí)接受地面反射回波，IMU/DGPS系統(tǒng)記錄每一個(gè)激光發(fā)射點(diǎn)的瞬間空間位置和姿態(tài)，從而可計(jì)算得到激光反射點(diǎn)的空間位置（三維坐標(biāo)點(diǎn)云）。

圖1 地表點(diǎn)云獲取技術(shù)流程

應(yīng)用分類(Classification)技術(shù)在原始三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中移除建筑物、人造物、覆蓋植物等測(cè)點(diǎn)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(cè)繪產(chǎn)品。產(chǎn)品拓展還可用于三維設(shè)計(jì)、建設(shè)征地勘測(cè)定界、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)融合疊加及對(duì)比分析、斷面數(shù)據(jù)提取、工程量計(jì)算、庫(kù)容計(jì)算、施工進(jìn)度匯報(bào)等。

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）的技術(shù)優(yōu)勢(shì)有[4-5]：（1）穿透性強(qiáng)。激光雷達(dá)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(wú)人機(jī)平臺(tái)能夠快速獲取大面積的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（3）精度高。利用高精度的GPS/IMU傳感器，激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)具有較高的相對(duì)精度和絕對(duì)精度。

1.試驗(yàn)區(qū)概況

抽水蓄能電站是利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)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(kù)、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(yàn)區(qū)抽水蓄能電站上、下水庫(kù)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(shì)起伏、溝谷縱橫、山高坡陡、植被茂盛。

2.試驗(yàn)方法

為滿足可研設(shè)計(jì)質(zhì)量和進(jìn)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(cè)量工作。經(jīng)技術(shù)設(shè)計(jì)，常規(guī)測(cè)量作業(yè)難度大，攝影測(cè)量很難滿足高程精度要求，無(wú)人機(jī)搭載輕型激光雷達(dá)方案具備作業(yè)成本低、設(shè)備起降簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、低航高、單位面積點(diǎn)云密度大等優(yōu)點(diǎn)。最終確定采用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)繪，具體技術(shù)流程如圖1。

2.1 航飛采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)碼影像

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

（2）選取氣象條件良好的合適時(shí)間段開(kāi)展航飛作業(yè)。

（3）定位定姿設(shè)備采用中海達(dá)的海達(dá)數(shù)云Hi-POS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)載GPS記錄無(wú)人機(jī)飛行軌跡，通過(guò)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(cè)量。設(shè)置好飛行速度、掃描鏡的擺動(dòng)方向和擺動(dòng)角度、激光脈沖頻率、激光反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)速度，無(wú)人機(jī)沿航線飛行時(shí)，激光發(fā)生器不停發(fā)射激光通過(guò)掃描鏡運(yùn)動(dòng)反射，使激光束掃向不同角度。激光束遇到物體反射回來(lái)，被激光雷達(dá)設(shè)備上感應(yīng)單元接收，根據(jù)激光發(fā)射到接收的時(shí)間差，測(cè)出距離。

（5）通過(guò)搭載的數(shù)碼相機(jī)按無(wú)人機(jī)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(shí)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(jī)載設(shè)備采集的實(shí)時(shí)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，得到飛行的軌跡數(shù)據(jù)，再利用點(diǎn)云融合軟件將軌跡和原始激光數(shù)據(jù)融合出點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分類處理、編輯，提取有效的地面高程點(diǎn)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(jī)載實(shí)時(shí)獲取的POS數(shù)據(jù)以及基站的已知坐標(biāo)進(jìn)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(jìn)行激光數(shù)據(jù)融合，生成點(diǎn)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(yàn)人員進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定獲得。

2.2.3 點(diǎn)云分類

先使用Terrasoild軟件的T-scan模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類[6-8]。

再結(jié)合T-model模塊，用地面點(diǎn)生成可編輯的模型（Editable model），參考模型及點(diǎn)云來(lái)進(jìn)行手動(dòng)精細(xì)分類，得到地表點(diǎn)云，進(jìn)而利用地表點(diǎn)云生成DEM[9-10]。

2.2.4 制作DOM和DLG

通過(guò)機(jī)載的POS設(shè)備，得到相機(jī)拍照時(shí)刻的外方位元素，結(jié)合原始影像，刺入少量控制點(diǎn)，進(jìn)行空中三角測(cè)量處理，輸出正攝影像（DOM）。

由于現(xiàn)場(chǎng)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(wú)法從點(diǎn)云和正射影像圖中識(shí)別出來(lái)，還需要進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測(cè)。

3.數(shù)據(jù)檢驗(yàn)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(yàn)區(qū)的地表點(diǎn)云、DEM和DOM。為檢驗(yàn)掃描成圖的精度，按照航測(cè)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(jiàn)表1和表2所示），通過(guò)對(duì)居民區(qū)、無(wú)植被區(qū)、不同類型不同郁閉度植被區(qū)實(shí)測(cè)了檢查點(diǎn)，精度統(tǒng)計(jì)如表3所示。點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是離散的三維點(diǎn)，不容易比較平面精度。借助點(diǎn)云編輯處理軟件，切片自動(dòng)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(jì)

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(diǎn)稀少，影響地形精度，實(shí)測(cè)檢查等高線高程中誤差超限。此類局部區(qū)域通過(guò)實(shí)測(cè)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(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)在抽水蓄能電站1:500地形圖測(cè)繪中比傳統(tǒng)人工測(cè)量外業(yè)效率高（自動(dòng)掃描）、比攝影測(cè)量精度好（可穿透樹(shù)障）。

（2）為滿足1:500地形圖測(cè)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(shí)際重疊度和覆蓋范圍會(huì)因地形起伏而減小。布設(shè)航線應(yīng)考慮實(shí)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(shí)，應(yīng)加密航線，保證5m～10m間距內(nèi)有激光束能穿透樹(shù)障到達(dá)地面。

（3）當(dāng)局部測(cè)區(qū)激光束無(wú)法穿透密集植被、水面無(wú)法反射回波、點(diǎn)狀地物無(wú)法分辨等情況下，應(yīng)采用人工實(shí)測(cè)的方法采集測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，與點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合進(jìn)行DLG生產(chǎn)。

（4）點(diǎn)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(diǎn)云精度。