機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)應(yīng)用于塔位地形圖繪制的精度分析

王瑞琪，胡 博，張 棟，楊永文

( 北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120)

0 引言

在輸電線路勘測(cè)工程中，塔位地形圖是優(yōu)化排位、外業(yè)終勘過程中影響塔位位置及塔高選擇的重要因素[1]，塔位地形測(cè)量的目的是反映塔位周圍的地形現(xiàn)狀，以便于正確確定施工基面、選擇合適的接腿和基礎(chǔ)型式，達(dá)到減少開挖量，降低塔高和造價(jià)，保護(hù)環(huán)境的效果。目前塔位地形圖的測(cè)量可采用全站儀或全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(global positioning system real -time kinematic，GPS RTK)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，也可采用機(jī)載LiDAR 技術(shù)測(cè)量。前者外業(yè)工作量較大，工期較長(zhǎng)[3]。

基于機(jī)載LiDAR 技術(shù)可快速獲取輸電線路沿線高密度高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過激光點(diǎn)云分類可得到地面點(diǎn)云、植被點(diǎn)云、桿塔點(diǎn)云、房屋點(diǎn)云等信息，可分類別顯示測(cè)區(qū)內(nèi)三維線路走廊地形地貌，利用地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)可在內(nèi)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取塔位地形圖，可減輕野外工作強(qiáng)度[1]。

本文主要針對(duì)山區(qū)有植被覆蓋的輸電線路工程，利用上述兩種不同的方法進(jìn)行塔位地形圖的測(cè)量[2]。將不同植被覆蓋條件下不同點(diǎn)云密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作的塔位地形圖成果與外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證不同條件下的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果的精度，探索激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用于塔位地形圖繪制的適用性。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)選擇

本研究選取某±800 kV 特高壓直流在湖南省境內(nèi)的輸電線路，長(zhǎng)度約100 km，線路自西向東，沿線地形比例為；平地14.39%，丘陵47.05%，一般山地38.56%。線路沿線植被覆蓋率達(dá)92%。測(cè)區(qū)內(nèi)地物較為豐富，測(cè)區(qū)內(nèi)有各類水系、植被、房屋、道路等。路徑所經(jīng)區(qū)域示意圖如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)示意圖

1.2 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取

在植被覆蓋區(qū)域，利用機(jī)載LiDAR 技術(shù)高強(qiáng)度激光脈沖信號(hào)、多次回波的特點(diǎn)能夠穿透植被森林獲取高密度高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]。依據(jù)GB 50548—2018《330 kV ～750 kV 架空輸電線路勘測(cè)規(guī)范》中對(duì)于植被覆蓋區(qū)域激光點(diǎn)云密度的要求[5]以及塔位地形圖比例尺1：200 的要求，激光點(diǎn)云密度設(shè)計(jì)為8 個(gè)/m2、16 個(gè)/m2。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)點(diǎn)云密度的要求結(jié)合相應(yīng)的航攝設(shè)備，設(shè)計(jì)合適的飛行參數(shù)和航攝方案。通過架設(shè)地面基站差分的解算方式提高機(jī)載GNSS 的精度，最終獲得了高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過點(diǎn)云預(yù)處理、檢校、噪聲點(diǎn)去除以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波分類可獲取高精度的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于后續(xù)試驗(yàn)研究[6]。

2 塔位地形圖的繪制

2.1 外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)手段繪制塔位地形圖

目前線路施工圖外業(yè)勘測(cè)階段的塔位地形圖大都采用外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)模式直接量測(cè)，一般進(jìn)行“米”字形測(cè)量，如圖2 所示，在地形起伏變化的位置加密測(cè)量，內(nèi)業(yè)根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)位內(nèi)插進(jìn)行地形圖繪制。但是在山地地形條件較差、植被覆蓋較為密集的區(qū)域，外業(yè)工測(cè)的方法占用了大量的人力和時(shí)間，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在測(cè)點(diǎn)不到位的情況下，內(nèi)業(yè)處理工作量也較大[2]。

圖2 外業(yè)塔位地形圖

2.2 利用機(jī)載LiDAR技術(shù)繪制塔位地形圖

利用機(jī)載LiDAR 技術(shù)獲取的高精度地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)成果，DEM 格網(wǎng)間隔為1 m，采樣間隔為0.5 m，結(jié)合桿塔位置可實(shí)現(xiàn)塔位地形圖的自動(dòng)化繪制，如圖3 所示。

圖3 內(nèi)業(yè)激光自動(dòng)提取塔位地形圖

3 不同植被覆蓋條件、不同密度點(diǎn)云的精度分析

選取試驗(yàn)段75 基桿塔進(jìn)行精度分析，桿塔范圍內(nèi)共有外業(yè)測(cè)量點(diǎn)777 個(gè)，點(diǎn)位所在地形坡度均在25°以下的平坡或緩坡，點(diǎn)位植被覆蓋情況分為較少、較多、特別密集。試驗(yàn)段利用機(jī)載激光技術(shù)獲取的點(diǎn)云密度分為8 個(gè)/m2、16 個(gè)/m2，DEM 格網(wǎng)間隔為1 m，采樣間隔為0.5 m。

提取外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)終勘定位時(shí)量測(cè)的外業(yè)測(cè)量點(diǎn)的位置與高程，與基于機(jī)載激光技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的DEM 成果提取的點(diǎn)位高程進(jìn)行對(duì)比，分析兩種模式下測(cè)量點(diǎn)位高程差值的平均值、極值、中誤差、分布范圍等。根據(jù)GB 50548—2018《330 kV ～750 kV 架 空 輸 電線路勘測(cè)規(guī)范》中對(duì)外業(yè)塔位地形測(cè)量精度的要求，機(jī)載激光技術(shù)獲取的測(cè)量點(diǎn)的高程值與外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)獲取的高程值差值小于0.3 m，精度即可滿足外業(yè)勘測(cè)的要求。測(cè)量點(diǎn)在不同植被覆蓋、不同點(diǎn)云密度情況下機(jī)載激光技術(shù)獲取的測(cè)量點(diǎn)的高程值與外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)獲取的高程值對(duì)比分析結(jié)果如下所述。

3.1 植被覆蓋較少區(qū)域

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合正射影像可判斷，在植被覆蓋較少的地區(qū)，如圖4 所示，共有77 個(gè)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)，機(jī)載激光技術(shù)內(nèi)業(yè)獲取的測(cè)量點(diǎn)的高程值與外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)獲取的高程值對(duì)比分析如表1、表2、圖5 所示。

圖4 植被覆蓋較少的測(cè)量點(diǎn)位

圖5 植被覆蓋較少區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值分布圖

表1 植被覆蓋較少區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值精度表

表2 植被覆蓋較少區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值分布表

通過對(duì)比兩種不同點(diǎn)云密度下外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值得出，在植被覆蓋較少的地區(qū)，高程差值中誤差均滿足CH/T 8023—2011《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》對(duì)于1：500 比例尺下精度要求點(diǎn)云高程中誤差的要求(規(guī)范要求高程中誤差值：平地小于0.2 m，丘陵地小于0.4 m，山地小于0.5 m，高山地小于0.7 m)。點(diǎn)云8 個(gè)密度的情況下，92.21%差值絕對(duì)值在0 ～0.3 之間；點(diǎn)云16 個(gè)密度的情況下，97.40%差值絕對(duì)值在0 ～0.3 之間。

3.2 植被覆蓋較多區(qū)域

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合正射影像可判斷，在植被覆蓋較多的地區(qū)，如圖6 所示，共有293 個(gè)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)，機(jī)載激光技術(shù)內(nèi)業(yè)獲取的測(cè)量點(diǎn)的高程值與外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)獲取的高程值對(duì)比分析如表3、表4、圖7 所示。

圖6 植被覆蓋較多的測(cè)量點(diǎn)位

圖7 植被覆蓋較多區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值分布圖

表3 植被覆蓋較多區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值精度表

表4 植被覆蓋較多區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值分布表

通過對(duì)比兩種不同點(diǎn)云密度下外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值得出，在植被覆蓋較多的地區(qū)，高程差值中誤差均滿足CH/T 8023—2011《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》對(duì)于1：500 比例尺下精度要求點(diǎn)云高程中誤差的要求。點(diǎn)云8 個(gè)密度的情況下，92.83%差值絕對(duì)值在0 ～0.3 之間；點(diǎn)云16 個(gè)密度的情況下，96.93%差值絕對(duì)值在0 ～0.3 之間。

3.3 植被覆蓋特別密集區(qū)域

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合正射影像可判斷，在植被覆蓋特別密集的地區(qū)(如圖8)，共有407 個(gè)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)，機(jī)載激光技術(shù)內(nèi)業(yè)獲取的測(cè)量點(diǎn)的高程值與外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)獲取的高程值對(duì)比分析如表5、表6、圖9 所示。

圖8 植被覆蓋特別密集的測(cè)量點(diǎn)位

圖9 植被覆蓋特別密集區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值分布圖

表5 植被覆蓋特別密集區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值精度表

表6 植被覆蓋特別密集區(qū)域外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值分布表

通過對(duì)比兩種不同點(diǎn)云密度下外業(yè)勘測(cè)測(cè)量點(diǎn)兩種模式高程差值得出，在植被覆蓋特別密集的地區(qū)，高程差值中誤差均滿足CH/T 8023—2011《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》對(duì)于1：500 比例尺下精度要求點(diǎn)云高程中誤差的要求。點(diǎn)云8 個(gè)密度的情況下，55.53%差值絕對(duì)值在0 ～0.3 之間；點(diǎn)云16 個(gè)密度的情況下，58.23%差值絕對(duì)值在0 ～0.3 之間。

3.4 不同點(diǎn)云密度精度分析結(jié)果

圖10 不同植被覆蓋地區(qū)差值中誤差對(duì)比結(jié)果

通過上述對(duì)比結(jié)果可看出，在植被越密集的區(qū)域，點(diǎn)位誤差值越大，且隨著植被覆蓋密集度的增大，差值中誤差也隨著增大。

4 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)得出，塔位地形圖使用LiDAR 數(shù)據(jù)繪制時(shí)，在植被覆蓋較少或較多的區(qū)域，點(diǎn)云密度8 個(gè)/m2的情況下，僅需外業(yè)少量點(diǎn)位檢查校核即可滿足塔位地形圖外業(yè)勘測(cè)的精度。但在植被覆蓋特別密集的區(qū)域，點(diǎn)云密度16 個(gè)/m2的情況下，機(jī)載激光技術(shù)獲取的點(diǎn)云成果直接提取塔位地形圖的精度有待提升。后續(xù)可針對(duì)塔位位置對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步精細(xì)分類，提高激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，然后利用外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)采集的測(cè)量點(diǎn)對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)校正后的成果提取塔位地形圖的方法提升內(nèi)業(yè)成果的精度。