輕型機(jī)載LiDAR技術(shù)在高山風(fēng)電工程勘測(cè)中的應(yīng)用

駱斌 程鐵洪 黃磊

【摘? 要】機(jī)載LiDAR設(shè)備的小型化、搭載平臺(tái)多樣化促使了輕型機(jī)載LiDAR的發(fā)展。高山風(fēng)電工程勘測(cè)需要新的技術(shù)為其提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，本文從輕型機(jī)載LiDAR應(yīng)用的角度，探索該技術(shù)在高山風(fēng)電工程勘測(cè)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】高山風(fēng)電工程;勘測(cè);輕型機(jī)載LiDAR

引言

江西地區(qū)高山風(fēng)電的發(fā)展勢(shì)頭良好，如何為電力工程建設(shè)提供準(zhǔn)確可靠的地形圖是電力勘測(cè)人孜孜不倦的探求。江西地區(qū)高山風(fēng)電測(cè)圖面臨著植被發(fā)育良好，嚴(yán)重影響GPS及傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備作業(yè);局部地形陡峭險(xiǎn)峻，難以實(shí)施測(cè)量;交通不便，嚴(yán)重影響項(xiàng)目進(jìn)度等問題。輕型機(jī)載設(shè)備的靈活機(jī)動(dòng)性、LiDAR設(shè)備的高精度、POS系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性和光學(xué)相機(jī)提供的豐富光譜信息組成的輕型機(jī)載LiDAR技術(shù)為高山風(fēng)電工程勘測(cè)提供了新的解決方案。通過工程實(shí)踐的分析，采用輕型機(jī)載LiDAR技術(shù)縮短了勘測(cè)作業(yè)周期，減少了工程投入，為設(shè)計(jì)專業(yè)提供了可靠的高精度圖紙、數(shù)據(jù)。

1.技術(shù)原理及生產(chǎn)流程

機(jī)載LiDAR（Light Detection and Ranging）是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)是一種主動(dòng)式航空遙感裝置，是集激光測(cè)距、GPS、IMU和數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備于一體的空間測(cè)量系統(tǒng)，其中主動(dòng)傳感系統(tǒng)（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測(cè)目標(biāo)高分辨率的距離和反射率等信息，而被動(dòng)光電成像技術(shù)可獲取探測(cè)目標(biāo)的數(shù)字成像信息，經(jīng)過地面的信息處理而生成逐個(gè)地面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)。圖1.1展示的是機(jī)載LiDAR技術(shù)的工作原理圖，而輕型機(jī)載LiDAR技術(shù)是LiDAR設(shè)備搭載平臺(tái)的小型化、輕型化的成果。

輕型機(jī)載LiDAR航測(cè)作業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要包括航飛權(quán)申請(qǐng)和航攝準(zhǔn)備、航空攝影、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字產(chǎn)品制作等環(huán)節(jié)。

2.生產(chǎn)應(yīng)用

輕型機(jī)載LiDAR作為原始數(shù)據(jù)的獲取平臺(tái)，自我院首次應(yīng)用該技術(shù)測(cè)制江西新干縣某風(fēng)電場(chǎng)工程地形圖以來已在其他近20余個(gè)高山風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目中應(yīng)用該技術(shù)完成風(fēng)場(chǎng)地形圖的測(cè)繪，并完成了數(shù)據(jù)精度和可靠性的驗(yàn)證工作。本文以江西崇義縣某風(fēng)電場(chǎng)和永豐縣某風(fēng)電場(chǎng)兩個(gè)高山風(fēng)電場(chǎng)為代表論述輕型機(jī)載LiDAR的精度和可靠性情況，精度對(duì)比采用工測(cè)測(cè)量成果與輕型機(jī)載LiDAR測(cè)制的圖紙進(jìn)行高程對(duì)比：

江西崇義縣某風(fēng)電場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比：該風(fēng)電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)檢查點(diǎn)204個(gè)，有5個(gè)超限點(diǎn)，其中3個(gè)異常點(diǎn)。高程較差分為：0-0.5米134個(gè)，66%;0.5-1米43個(gè)，21%;1-2米22個(gè)，11%;3-4米2個(gè)，1%;異常點(diǎn)3個(gè)，1%。1米以內(nèi)87%，2米以內(nèi)98%。圖2.1為該工程檢測(cè)點(diǎn)高差分布圖。

江西永豐縣某風(fēng)電場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比：該風(fēng)電工程統(tǒng)計(jì)檢查點(diǎn)54個(gè)，高程較差分為：0-0.5米28個(gè)，52%;0.5-1米13個(gè)，24%;1-2米8個(gè)，15%;2米以上5個(gè)，9%。1米以內(nèi)77%，2米以內(nèi)91%。圖2.2為該工程檢測(cè)點(diǎn)高差分布圖。

從風(fēng)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比結(jié)果來看，采用輕型機(jī)載LiDAR測(cè)制的地形圖基本滿足CH/T 8023和CH/T 8024規(guī)范要求，但施工單位反應(yīng)高程精度差異較大的問題經(jīng)過核實(shí)也確實(shí)存在。

3.存在的問題

通過圖紙質(zhì)量檢測(cè)和施工單位復(fù)測(cè)反饋的信息，采用輕型機(jī)載LiDAR測(cè)制的地形圖也反映出了技術(shù)問題。

江西永豐縣風(fēng)電場(chǎng)反映出：（1）該風(fēng)場(chǎng)大面積測(cè)區(qū)為林場(chǎng)，主要樹種為杉樹，高度在12米左右，根據(jù)施工單位反饋的信息設(shè)計(jì)道路路徑上有沖溝在圖紙上未明顯表現(xiàn)出來;（2）該風(fēng)場(chǎng)局部有直立的孤石，高差約24米，圖上用等高線未能有效地表示出地形情況;

江西崇義縣風(fēng)電場(chǎng)反映出：高程誤差超限，進(jìn)場(chǎng)道路從K0+200m至K4+0這一段內(nèi)多處高程誤差超過6米。

測(cè)圖項(xiàng)目中反饋的核心問題是地形圖的高程誤差超過規(guī)范要求，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析：圖紙高程誤差較大的區(qū)域都是植被茂密或光線難以穿透的植被覆蓋區(qū)，這也是LiDAR技術(shù)應(yīng)用推廣的瓶頸。在永豐縣風(fēng)電場(chǎng)中采用了不同設(shè)備多架次獲取LiDAR點(diǎn)云，從而增加數(shù)據(jù)獲取的概率，圖3.1和圖3.2分別為LiDAR點(diǎn)云未穿透植被和穿透植被的剖面圖（圖中小方框?yàn)閷?shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)，離散點(diǎn)為LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)）。同時(shí)，圖3.1是采用Riegl VUX-1第一次獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)剖面，圖3.2是采用Riegl 480I加密飛行疊加后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)剖面。

對(duì)比可知：（1）不同的LiDAR設(shè)備穿透性有一定的差異;（2）多架次加密飛行增加了數(shù)據(jù)獲取的概率。

4.擬解決方案

通過在風(fēng)電工程采用輕型機(jī)載LiDAR輔助勘測(cè)的經(jīng)驗(yàn)分析，將該技術(shù)難點(diǎn)分為兩大類：

（1）內(nèi)業(yè)成圖相關(guān)問題，表現(xiàn)為等高線與高程注記點(diǎn)不匹配、等高線過度平滑等。通過人工編輯對(duì)局部異常區(qū)域進(jìn)行整飾可以有效解決這類問題，同時(shí)在人工整飾地形圖時(shí)可以校核圖紙是否存在局部異常的情況。

（2）與數(shù)據(jù)獲取相關(guān)的問題，表現(xiàn)為采用工程測(cè)量的方式檢測(cè)機(jī)載LiDAR測(cè)制的圖紙時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在平面及高程精度不滿足規(guī)范要求的情況。

在我院已完成的應(yīng)用項(xiàng)目中采用過Riegl VUX-1和Riegl 480I等多種LiDAR設(shè)備，各種設(shè)備適用性有所不同，但點(diǎn)云密度一般在2～10點(diǎn)/ m2，由此可見點(diǎn)的密度是足夠的。但從不同設(shè)備獲取同一個(gè)工程的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的“穿透性”來看是有差異的，因此LiDAR設(shè)備的選型很重要。

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將其分為地面點(diǎn)、植被層、地物點(diǎn)等類別，繪制的等高線圖是以地面點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此點(diǎn)云的分類至關(guān)重要，如果將非地面點(diǎn)歸為地面點(diǎn)將直接影響等高線圖的精度，而分類的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如果非地面點(diǎn)的話，那么分類的結(jié)果必然存在錯(cuò)誤。機(jī)載LiDAR可有效的“穿透”一定的植被覆蓋層，這種“穿透”是以有光線透射為基本條件，而對(duì)郁閉度大的局部區(qū)域還是一項(xiàng)技術(shù)瓶頸。從已完成的高山風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)區(qū)分布來看，風(fēng)機(jī)基本上建設(shè)在山脊、山梁附近，但大部分進(jìn)場(chǎng)道路修建在植被發(fā)育良好的山體邊坡上。根據(jù)在建的風(fēng)電場(chǎng)工程反饋的情況，機(jī)載LiDAR測(cè)制的地形圖高程精度超限，而且總體上為圖紙高程較實(shí)地高，反饋的區(qū)域基本上都是在植被茂密的邊坡上，通過技術(shù)分析、現(xiàn)場(chǎng)檢查得出的結(jié)論是激光點(diǎn)未能穿透植被覆蓋層。

針對(duì)這些問題初步提出了兩個(gè)解決思路：

第一，在數(shù)據(jù)獲取階段：選擇適宜的LiDAR設(shè)備;采用交叉飛行和多架次加密飛行獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)等提高數(shù)據(jù)獲取的概率;

第二，在數(shù)據(jù)處理階段：結(jié)合光學(xué)影像立體像對(duì)調(diào)繪樹高，修正非地面點(diǎn)數(shù)據(jù);探索其他分類技術(shù)，提高分類數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

但LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在不確定性，以上思路能否解決問題有待進(jìn)一步試驗(yàn)、研究。

5.結(jié)論

根據(jù)以上的論述、分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）輕型機(jī)載LiDAR技術(shù)適合于山區(qū)、高山區(qū)大面積測(cè)圖項(xiàng)目，采用機(jī)載LiDAR測(cè)圖可以縮短作業(yè)周期、降低成本投入、減少人力資源的投入，測(cè)區(qū)面積越大優(yōu)勢(shì)越明顯。

（2）圖紙精度整體較好，通過對(duì)比已完成的測(cè)圖項(xiàng)目和架空線路項(xiàng)目檢測(cè)數(shù)據(jù)或終勘作業(yè)數(shù)據(jù)，在植被覆蓋稀疏的區(qū)域輕型機(jī)載LiDAR測(cè)圖成果滿足《工程測(cè)量規(guī)范》GB 50026-2007和相關(guān)電力規(guī)范的要求。但植被覆蓋度大、郁閉度高的區(qū)域，機(jī)載LiDAR還是存在一定的技術(shù)瓶頸。

參考文獻(xiàn)

[1]張小紅. 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)理論與方法[M].武漢大學(xué)出版社，2007：16-25.

[2]顧春墚. 基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)精細(xì)DEM生產(chǎn)中數(shù)據(jù)精處理的研究[J].江西測(cè)繪，2005（3）：62-64

[3]蔣珊珊. 機(jī)載激光雷達(dá)LIDAR在植被茂密地區(qū)提高數(shù)字測(cè)圖精度研究[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)，2013（5）：37-39