基于激光雷達(dá)的抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集方法

戚國(guó)香

(江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225002)

現(xiàn)階段抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)的采集主要采用模擬圖解的方法，通過測(cè)繪大比例尺地形圖例，讀取目標(biāo)地形數(shù)據(jù)[1]。這種方法雖然在一定程度上降低了數(shù)據(jù)采集階段的成本和時(shí)間投入，但是在精度方面存在明顯的不足[2]，后續(xù)的施工圖設(shè)計(jì)階段對(duì)平面線形的設(shè)定需求要進(jìn)行多次完善修正[3]。不僅如此，從數(shù)據(jù)采集操作角度進(jìn)行分析，中間環(huán)節(jié)多、精度損失大是限制數(shù)據(jù)應(yīng)用的主要問題，在高出錯(cuò)率、低效率的背景下[4]，地形數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的好壞與實(shí)際投資的多少并未表現(xiàn)出同比關(guān)系。

激光雷達(dá)作為一種高精度的掃描技術(shù)[5]，可以實(shí)現(xiàn)有障礙和無障礙環(huán)境下信息的快速識(shí)別獲取[6]，將其應(yīng)用在地形數(shù)據(jù)采集中，具有極為廣闊的發(fā)展空間[7]。與其他類型的數(shù)據(jù)采集方式相比，激光雷達(dá)的一個(gè)較為突出的優(yōu)勢(shì)就是其采集頻率的可調(diào)節(jié)范圍更大，對(duì)于不同規(guī)模的地形變化均可以實(shí)現(xiàn)有效獲取。

為了解決現(xiàn)階段抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集方法精度不足的問題，本文提出基于激光雷達(dá)的抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集方法，并對(duì)該方法開展實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可靠性，可以為抽水蓄能電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供幫助。

1 抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集

1.1 以激光雷達(dá)為核心的多線程數(shù)據(jù)采集控制模式

抽水蓄能電站的地形具有明顯的不規(guī)則特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，需要遍歷所在環(huán)境的各個(gè)位置[8]。因此，本文采用具有激光雷達(dá)、慣性測(cè)量單元以及GPS的地形掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)信息的多元并行采集。需要注意到的是，地形結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不同，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集頻率也需要進(jìn)行差異化的設(shè)置[9]。為了獲取高精度的地形高程數(shù)據(jù)，本文構(gòu)建了針對(duì)激光雷達(dá)、慣性測(cè)量單元和GPS接收機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，其可以表示為：

T=ts=tc=tg

(1)

式中，T—基準(zhǔn)時(shí)鐘；ts—激光雷達(dá)的時(shí)間參量；tc—慣性測(cè)量單元的時(shí)間參量；tg—GPS接收機(jī)的時(shí)間參量。通過這樣的方式，利用1個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)多線程運(yùn)行模式的同時(shí)調(diào)節(jié)，確保數(shù)據(jù)采集的有效配合。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)激光雷達(dá)、慣性測(cè)量單元和GPS接收機(jī)的采集目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，其中，激光雷達(dá)的采集目標(biāo)可以表示為：

s={t，sx，sy，sz}

(2)

式中，s—激光雷達(dá)的地形數(shù)據(jù)采集目標(biāo)；t—在設(shè)置基準(zhǔn)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)下，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間；sx—x軸方向的地形位置信息；sy—y軸方向的地形位置信息；sz—z軸方向的地形位置信息。

慣性測(cè)量單元的采集目標(biāo)可以表示為：

c={t，cy，cc，ch}

(3)

式中，c—慣性測(cè)量單元在地形數(shù)據(jù)采集階段獲取的目標(biāo)數(shù)據(jù)；cy—慣性測(cè)量單元的仰角信息；cc—慣性測(cè)量單元的側(cè)角信息；ch—慣性測(cè)量單元的航向信息。

GPS的采集目標(biāo)可以表示為：

g={t，gj，gw，gc}

(4)

式中，g—GPS的地形數(shù)據(jù)采集目標(biāo)；gj—地形的經(jīng)度信息；gw—地形的緯度信息；gc—地形的高程信息。

影響抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集效果的另一因素就是地形掃描裝置實(shí)際輸出的滯后性，由此導(dǎo)致的數(shù)據(jù)精度較低問題是限制其數(shù)據(jù)利用價(jià)值的關(guān)鍵。為此，本文通過保障激光雷達(dá)和姿態(tài)位置測(cè)量裝置，也就是慣性測(cè)量單元和GPS，三者之間的協(xié)同性，確保采集數(shù)據(jù)的可靠性。并采用多線程技術(shù)對(duì)激光雷達(dá)、慣性測(cè)量單元以及GPS的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制?？紤]到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的設(shè)置，本文利用C++語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供擴(kuò)展的C/C+第三方庫(kù)組織開發(fā)Boost庫(kù)，通過這樣的方式確保控制系統(tǒng)具有良好的可移植性和穩(wěn)定性，并且在這種源代碼開放的環(huán)境下，也可以根據(jù)需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置。構(gòu)建的控制邏輯可以表示為：

K=(Ti，Pis，Pic，Pig)

(5)

式中，K—多線程控制的指令；Ti—基準(zhǔn)時(shí)鐘的參量設(shè)置；Pis—在Ti基準(zhǔn)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)下，激光雷達(dá)的采樣效率；Pic—在Ti基準(zhǔn)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)下，慣性測(cè)量單元的采樣效率；Pig—在Ti基準(zhǔn)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)下，GPS接收機(jī)的采樣效率。通過這樣的方式，利用單一指令即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集系統(tǒng)不同單元的同步控制，確保激光雷達(dá)、慣性測(cè)量單元和GPS的采樣間隔和時(shí)間保持高度一致，避免滯后問題帶來的影響。

由此，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集階段采集狀態(tài)的有效控制，為采集數(shù)據(jù)的可靠性提供保障。

1.2 地形數(shù)據(jù)采集

抽水蓄能電站的環(huán)境具有一定的野外環(huán)境特征，因此在地形數(shù)據(jù)采集階段，本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)區(qū)地形數(shù)據(jù)的掃描主要包括以下幾個(gè)步驟。

首先對(duì)采集數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況進(jìn)行分析，綜合了激光雷達(dá)、慣性測(cè)量單元以及GPS的數(shù)據(jù)信息，對(duì)其波動(dòng)情況的計(jì)算方式表示為：

(6)

式中，ε—數(shù)據(jù)的波動(dòng)強(qiáng)度；st、st-1—相鄰采集時(shí)刻的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集結(jié)果；ct和ct-1、gt和gt-1—相鄰采集時(shí)刻的慣性測(cè)量單元以及GPS的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。通過式(6)可以看出，ε值越高，表明采集到的地形數(shù)據(jù)波動(dòng)越明顯，對(duì)應(yīng)的地形情況越復(fù)雜；相反，ε值越小，表明采集到的地形數(shù)據(jù)波動(dòng)越小，對(duì)應(yīng)的地形情況越穩(wěn)定。

以此為基礎(chǔ)，本文對(duì)數(shù)據(jù)采集過程中參數(shù)的設(shè)置方式可以表示為：

(7)

式中，Ki—多線程控制的目標(biāo)指令；d—抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集精度要求。

通過這樣的方式，確保在數(shù)據(jù)采集階段，其執(zhí)行情況能夠根據(jù)實(shí)際的地形狀況進(jìn)行差異化設(shè)置，確保采集結(jié)果的精確性。

2 測(cè)試分析

為了測(cè)試本文提出的基于激光雷達(dá)的抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集方法在實(shí)際應(yīng)用中的性能，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

以某抽水蓄能電站為測(cè)試對(duì)象，將該電站地形參數(shù)為基準(zhǔn)，開展試驗(yàn)測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置激光雷達(dá)地形數(shù)據(jù)成像的像素值為160×160，240×240的2種規(guī)格，對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)數(shù)為20。為了更加直觀地對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行分析，本文采用M1—M7的7級(jí)Mallat小波提升方法，對(duì)采集到的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)景重建處理，再測(cè)試計(jì)算。設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)為Intel Core i3- 445，對(duì)應(yīng)的CPU大小為256G，裝置運(yùn)行的主頻為4.0GHz，內(nèi)存大小為64G，為了確保數(shù)據(jù)的完整性，設(shè)置了大小為2T的拓展硬盤，用于對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算。

以抽水蓄能電站0點(diǎn)方向?yàn)榛A(chǔ)，在不同角度下采集到的測(cè)試抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)信息的計(jì)算結(jié)果見表1。

將表1的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，以小波分層增強(qiáng)處理的方式進(jìn)行地形場(chǎng)景重建，考慮到地形的相對(duì)微觀變化難以通過紋理圖實(shí)現(xiàn)完成體現(xiàn)，因此本文在場(chǎng)景重建過程中融合了灰度像素值角點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，通過這樣的方式確保對(duì)地形關(guān)鍵點(diǎn)的跟蹤渲染能夠充分體現(xiàn)其走勢(shì)特征，最終得到地形場(chǎng)景重建結(jié)果如圖1所示。

圖1 測(cè)試場(chǎng)景地形重建結(jié)果

從圖1中可以看出，利用本文設(shè)計(jì)方法采集到的數(shù)據(jù)重構(gòu)的地形能夠詳細(xì)地體現(xiàn)相對(duì)微觀地勢(shì)信息的變化情況。為了更加具體地對(duì)其進(jìn)行分析，本文以歸一化均方根誤差為指標(biāo)，對(duì)地形重建結(jié)果與實(shí)際地形情況的誤差進(jìn)行分析。將文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]提出的方法作為對(duì)照組，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 地形信息歸一化均方根誤差對(duì)比圖

從圖2中可以看出，對(duì)比3種采集方法下的地形數(shù)據(jù)中，文獻(xiàn)[8]方法雖然歸一化均方根誤差均保持在相對(duì)較低的水平，但是整體波動(dòng)性較大，最小值為0.10%，最大值達(dá)到了0.175%，采集數(shù)據(jù)的可靠性存在一定的提升空間；文獻(xiàn)[9]方法雖然歸一化均方根誤差整體穩(wěn)定性較高，但是其始終處于相對(duì)高的水平，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性相對(duì)較低。相比之下，本文方法采集結(jié)果的歸一化均方根誤差一直穩(wěn)定在0.05%～0.10%范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的基于激光雷達(dá)的抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集方法實(shí)現(xiàn)對(duì)地形數(shù)據(jù)的高精度采集，對(duì)于實(shí)際的地勢(shì)分析具有實(shí)際意義。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出基于激光雷達(dá)的抽水蓄能電站地形數(shù)據(jù)采集方法，有效克服傳統(tǒng)采集方法中存在的采集精度較低，采集數(shù)據(jù)可靠性較差的問題，從抽水蓄能電站一體化的角度出發(fā)，對(duì)地形數(shù)據(jù)采集的全過程進(jìn)行系統(tǒng)化的研究與分析，在一定程度上提高了數(shù)據(jù)采集的效果。為抽水蓄能電站相關(guān)建設(shè)規(guī)劃提供可靠的地形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。