機載激光雷達系統(tǒng)在抽水蓄能電站地形測量中的應(yīng)用

武偉強

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

引言

傳統(tǒng)抽水蓄能電站地形測量采用的是RTK 數(shù)據(jù)采集模式（基準站+流動站），該作業(yè)方法外業(yè)工作量大。 由于項目現(xiàn)場通常地形陡峭、植被茂密，極大增加了測量人員的作業(yè)風險。 白天測繪人員進行數(shù)據(jù)采集， 晚上數(shù)據(jù)處理成圖， 容易導致地物、地貌繪制出錯，往往需要內(nèi)業(yè)成圖完成后進行野外檢查地物屬性及拓撲關(guān)系。 傳統(tǒng)測量模式周期長、成本高，容易造成工期延遲，易受微地形影響， 容易對蓄水量計算和土石方計算造成較大誤差，影響工程建設(shè)。

為了提高抽水蓄能電站地形測量的工作效率， 保證地形測量精度以及外業(yè)測繪人員人身安全，機載激光雷達測量系統(tǒng)應(yīng)運而生。 機載激光雷達測量系統(tǒng)主要由4 個部分組成，包括飛行平臺、激光雷達掃描儀、 定位與慣性測量單元以及控制單元[1]。 其中激光雷達傳感器和慣性測量單元（IMU）裝置是系統(tǒng)的核心部件，雷達傳感器是發(fā)射測量激光脈沖和接收激光脈沖遇到障礙物后所反射的回波，IMU 慣性測量裝置為確定任一瞬間系統(tǒng)在空間中的姿態(tài)，定位單元（GPS）為激光雷達系統(tǒng)提供精確的定時和定位數(shù)據(jù)， 數(shù)碼相機可獲得高分辨率的影像數(shù)據(jù)， 控制單元在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時為操作人員提供有效的實時監(jiān)控信息。

本文具體對機載激光雷達技術(shù)在抽水蓄能電站地形測量中的應(yīng)用進行論述， 詳細介紹機載激光雷達測量系統(tǒng)的使用及數(shù)據(jù)處理， 分析測量成果的準確性并總結(jié)該技術(shù)的優(yōu)勢， 使該技術(shù)更好的服務(wù)于工程建設(shè)項目。

1 工程概況

本工程項目位于重慶市，電站初選裝機1200MW，安裝4 臺300MW 的立軸單級混流式水泵水輪發(fā)電機組，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，屬一等大（Ⅰ）型工程。 樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開關(guān)站、下水庫等組成。 全庫盆采用瀝青混凝土面板進行防滲處理； 輸水發(fā)電系統(tǒng)位于上水庫和下水庫之間的山體內(nèi)，引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)均采用兩洞四機布置， 總長約2 024.43m；地下廠房位于輸水系統(tǒng)中部； 下水庫利用天然河道筑壩成庫。 該工程測量項目時間緊、任務(wù)重、要求高，對外業(yè)測量方法及儀器設(shè)備的選擇尤為重要，機載激光雷達測量系統(tǒng)可以有效的完成抽水蓄能電站這類復雜困難測繪任務(wù)[2]。

2 RTK 測量系統(tǒng)和機載激光雷達測量系統(tǒng)的應(yīng)用特點

2.1 RTK 測量系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用特點

RTK 測量系統(tǒng)構(gòu)成主要包括基站（GNSS 接收機、發(fā)射電臺、發(fā)射天線等）和流動站（GNSS 接收機、對中桿）。 通過在已知控制點上架設(shè)基準站，再通過電纜線將GNSS 接收機與發(fā)射電臺連接，從而發(fā)射無線電信號。 流動站通過接收基站無線電信號，達到固定解進行數(shù)據(jù)采集。由于傳統(tǒng)RTK 測量容易受到無線電信號等各種干擾因素影響， 為了保證測量精度,需要加密碎布點采集。

2.2 機載激光雷達系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用特點

機載激光雷達測量系統(tǒng)將傳統(tǒng)RTK 的各種設(shè)備集成組裝， 將激光雷達系統(tǒng)、GPS 接收機、IMU慣性測量裝置、數(shù)碼相機、控制系統(tǒng)、無人機設(shè)備等集中裝配后連接計算機。 機載激光雷達測量系統(tǒng)具有精度高、速度快、成果豐富等優(yōu)點[3]。 該測量設(shè)備可以實現(xiàn)自動定位， 通過網(wǎng)絡(luò)解算達到固定解， 無人機搭載激光雷達測量真正實現(xiàn)測量全自動化。 機載激光雷達測量系統(tǒng)比RTK 模式數(shù)據(jù)可視化程度更高，模型更直觀。 在今后抽水蓄能電站建設(shè)項目中使用機載激光雷達測量系統(tǒng)已是大趨勢。

機載激光雷達以脈沖激光作為技術(shù)手段，以激光束掃描的工作方式測量從傳感器導地面上激光照射點的距離， 即通過測量地面采樣點激光回波脈沖相對于發(fā)射激光主波之間的時間延遲得到傳感器到地面采樣點之間的距離[3]。 第一個回波信號被認為是從目標的較高部分反射， 最后一個回波則認為是從較低處反射而得到[4]。 該系統(tǒng)具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以根據(jù)不同項目需求，生成提取不同密度的點云數(shù)據(jù)， 從而生成各種比例尺地形圖，滿足工程項目建設(shè)需求。

3 機載激光雷達系統(tǒng)在抽水蓄能電站地形測量中的應(yīng)用

本次測量采用100%外業(yè)檢查模式進行，即通過傳統(tǒng)RTK 數(shù)據(jù)采集成圖與機載激光雷達測量成圖同時進行。 兩者各自成圖對地形圖精度進行對比分析，來驗證機載激光雷達測量系統(tǒng)在林地、草地、旱地、灌木從、道路等不同植被影響下高程精度情況，從而更好服務(wù)于類似工程建設(shè)項目。

該項目本次的測量任務(wù)為測量上庫區(qū)域范圍內(nèi)的地形圖，測量比例尺為1:500，等高距為1m。 精確測量上庫區(qū)范圍內(nèi)的農(nóng)田邊界及類型、 林地范圍、草地范圍、房屋、圍墻、道路、電力設(shè)備、通訊設(shè)施等平面位置及高程，并在地形圖中標注。

3.1 儀器設(shè)備及所用軟件

項目中使用的儀器設(shè)備有華測GNSS 接收機、大疆無人機、激光雷達探頭、控制器等，使用的數(shù)據(jù)處理軟件有南方CASS7.0 成圖軟件、Terrasolid數(shù)據(jù)后處理軟件、Terraphoto 數(shù)據(jù)后處理軟件和POSPAC MMS 定位數(shù)據(jù)后處理軟件。

3.2 測前準備及校驗飛行

（1）測前準備

根據(jù)《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CHT 8024-2011）[5]，在地形測量前，需要對機載激光雷達設(shè)備進行全面檢查、測試和校準（包括定位GPS、無人機、激光雷達、控制器等）。

（2）校驗飛行

機載激光雷達設(shè)備每次拆卸安裝， 或設(shè)備各部件相對關(guān)系發(fā)生改變后， 均應(yīng)重新進行校驗飛行。

3.3 航線敷設(shè)、劃分分區(qū)、航高保持以及補側(cè)

根據(jù)《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CHT 8024-2011）[5]及機載激光雷達性能和該抽水蓄能電站工程項目特點，本次測量航線布設(shè)原則如下：

a）航線敷設(shè)和劃分分區(qū)時，應(yīng)根據(jù)IMU 誤差積累的指標確定每條航線的直線飛行時間[5]；

b）飛行高度的確定應(yīng)綜合考慮點云的密度和精度要求、激光有效距離及飛行安全的要求[5]；

c）航線旁向重疊應(yīng)達到20%，最小為13%，航向起始和結(jié)束應(yīng)超出半幅圖幅范圍[5]；

d）為了保證測量精度，每個測區(qū)應(yīng)至少設(shè)計1條構(gòu)架航線；

e）對不滿足測量要求的及時進行補測。

3.4 控制點采集、雷達數(shù)據(jù)采集及存儲

（1）控制點采集

根據(jù)項目技術(shù)設(shè)計及工作計劃， 在上庫區(qū)的水泥地面、屋前平地、山頂開闊處、旱地旁等適合做平高控制點的地方共布設(shè)16 個控制點， 采用RTK 控制點采集方法測量其坐標和高程， 每個控制點采用地形點測量方法測3 測回， 每測回測3次，測回結(jié)束時關(guān)閉接收機，重新啟動接受機進行下一測回數(shù)據(jù)采集。 并對照相關(guān)技術(shù)標準，檢查控制點分布的合理性[5]。 數(shù)據(jù)采集完成，內(nèi)業(yè)進行平差處理，最終求得控制點坐標及高程。

（2）數(shù)據(jù)采集與存儲

按要求導入航攝測線至無人機控制器， 按要求選擇合適起飛場地（為了保證無人機安全，選擇場地非常重要）。 現(xiàn)場檢查儀器設(shè)置參數(shù)無誤，設(shè)備狀態(tài)正常即可起飛。 無人機操作人員可通過控制器實時查看無人機狀態(tài)以及雷達工作情況，測量中保證無人機始終沿著布設(shè)航線勻速行駛，技術(shù)人員及時查看無人機電池電量， 保證數(shù)據(jù)正常記錄， 電量不足時要及時返航， 所測數(shù)據(jù)及時備份，防止數(shù)據(jù)丟失。 該項目外業(yè)飛行時間僅1 天即完成上庫區(qū)所有飛行任務(wù)。 傳統(tǒng)RTK 人工采集模式共分4 組，受植被茂密信號遮擋影響，外業(yè)工作15 天完成。

3.5 數(shù)據(jù)處理

對采集的數(shù)據(jù)及時進行處理和備份 （含雷達數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)），然后采用Pospac 軟件將采集的雷達數(shù)據(jù)、IMU 數(shù)據(jù)、GNSS 數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算。 基于不規(guī)則三角網(wǎng)原理， 首先導入地面平高控制點進行平差糾正，用Terrasolid 軟件濾波通過設(shè)定參數(shù)閥值進行濾波，濾波分離地面點和非地面點，采用雷達的首次回波生成地表模型， 采用雷達數(shù)據(jù)的末次回波即可過濾掉高于地面的物體， 生成地面模型。根據(jù)影像數(shù)據(jù)進行地物繪制。數(shù)據(jù)處理完成后導出點云數(shù)據(jù)，即碎布點的三維坐標。 將點云數(shù)據(jù)和地物圖形數(shù)據(jù)進行疊置， 導入南方CASS，按照要求進行等高線繪制。 等高線的勾繪必須合理，房屋注記、道路注記、等高線注記等須符合規(guī)范要求。 碎部點的密度以能準確勾繪等高線、真實地表達地形特征為原則。

4 結(jié)果與討論

4.1 成圖比較

為檢測機載激光雷達系統(tǒng)測量精度， 隨機選取部分區(qū)域地形進行機載激光雷達系統(tǒng)點云數(shù)據(jù)生成等高線（圖1）與RTK 測量高程點繪制等高線（圖2）成圖進行對比分析，兩圖等高線走向及分布一致， 地形吻合。 機載激光雷達點云數(shù)據(jù)分布均勻， 圖面整齊， 這說明該項技術(shù)不易受微地形影響。

圖1 機載激光雷達掃描地形

圖2 RTK 測量地形

4.2 精度統(tǒng)計分析

4.2.1 同精度檢測

同精度檢測中誤差由RTK 測量高程和機載激光雷達測量（下表簡稱雷達）高程較差計算，從120對檢核點中隨機選取10 對高程點進行中誤差計算，進行精度分析，詳見表1。

表1 RTK 與雷達高程中誤差統(tǒng)計表 單位m

由同精度中誤差計算求得本次高程測量中誤差為0.124m,精度結(jié)果優(yōu)于《機載激光雷達點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標及計算方法》[8]允許誤差值，滿足要求。

4.2.2 高精度檢測

該項目涉及庫容計算，水位差計算，對高程控制嚴格。 為了更加準確分析機載激光雷達測量成果質(zhì)量，同時采用高精度檢測進行比較分析。 根據(jù)《數(shù)字線劃圖（DLG）質(zhì)量檢驗技術(shù)規(guī)程》[6]規(guī)定，高程檢測點位置應(yīng)分布均勻， 避免選擇高程急劇變化處。抽取部分數(shù)據(jù)用于本次成果分析。 根據(jù)《機載激光雷達點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標及計算方法》[7]，檢查點應(yīng)分布均勻、位置明顯，高山地點云數(shù)據(jù)高程中誤差為0.50m。

通過提取傳統(tǒng)RTK 采集數(shù)據(jù)與機載激光雷達測量數(shù)據(jù)進行比對，本次測量共檢查120 對數(shù)據(jù)，樣本分布及高程差值比對結(jié)果見表2 和表3。

表2 不同地貌類型樣本分布情況 樣本單位： 個

表3 RTK 高程和雷達高程差值范圍比對統(tǒng)計表 樣本單位： 個

高程中誤差計算公式為：

公式中：ZRMSE—高程中誤差，單位為m；Zi—第i 個比對點對應(yīng)的激光雷達高程數(shù)據(jù)；n—檢查點個數(shù)，單位為個；Z^i—第i 個檢查點的實測高程。

當高程對比不符要求點的數(shù)量超過參加比對總點數(shù)的15%時， 應(yīng)綜合分析超限原因， 合理處置，必要時應(yīng)重測驗證。 該抽水蓄能電站屬于高山地類別，按照高山地測量精度要求，計算求得該項目高程中誤差為0.1767m，優(yōu)于《機載激光雷達點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標及計算方法》[6]要求。

4.3 效率對比分析

由于機載激光雷達測量系統(tǒng)外業(yè)工作簡單，需內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成三維坐標， 本次內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用時5 天，外業(yè)用時1 天。傳統(tǒng)RTK 模式數(shù)據(jù)采集在野外即可采集三維坐標， 內(nèi)業(yè)只需導出利用成圖即可，本次內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用時3 天，外業(yè)用時15 天。 通過作業(yè)時間分析得出機載激光雷達在作業(yè)速度上有顯著優(yōu)勢。

5 結(jié)論

抽水蓄能電站項目一般選址環(huán)境比較惡劣，這就對測量儀器設(shè)備有非常高的要求來滿足項目需求。在傳統(tǒng)測繪工作模式下，使用RTK 采集的數(shù)據(jù)高程點數(shù)量有限，且分布不均勻，易受微地形影響，同時野外工作效率低，極大增加了測繪人員的體力勞動以及作業(yè)人員的危險性。 通過機載激光雷達點云數(shù)據(jù)成圖可有效避免傳統(tǒng)測繪帶來的弊端，同時可保證測量精度，可以根據(jù)繪圖比例尺生成不同密度的點云數(shù)據(jù)， 比傳統(tǒng)RTK 采集模式節(jié)約三分之二的時間。 該項目使用機載激光雷達系統(tǒng)大大提高了工作效率和測量精度， 極大降低了測繪人員野外作業(yè)的危險性。

通過本次機載激光雷達測量系統(tǒng)在該抽水蓄能電站項目中的應(yīng)用， 經(jīng)比對綜合分析得出機載激光雷達系統(tǒng)具有精度可靠、性能穩(wěn)定、可根據(jù)不同比例尺生成點云數(shù)據(jù)等優(yōu)點。 可實時進行姿態(tài)改正， 克服了因環(huán)境復雜無法保證測量精度的問題， 大大提高了工作效率， 有效保證工程建設(shè)進度。 機載激光雷達測量系統(tǒng)生成的點云數(shù)據(jù)可對復雜的地形地貌進行詳細化展示， 生成可視化三維模型，直觀反映項目現(xiàn)場的地形情況。 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，更多誤差參與改正，機載激光雷達測量系統(tǒng)將在越來越多的工程建設(shè)項目中發(fā)揮作用。