無人機LIDAR在抽水蓄能項目地形測繪中的應(yīng)用

肖維 劉毅 鐘平

1.湖南五凌電力科技有限公司 湖南 長沙 410029

2.湖南五凌電力有限公司 湖南 長沙 410029

抽水蓄能是利用水的勢能差實現(xiàn)電能儲存和釋放的技術(shù)。是當(dāng)前世界上比較成熟、廣泛應(yīng)用的儲能技術(shù)之一。抽水蓄能電站能夠在電力系統(tǒng)過剩時利用電力抽水到高處，以“水”的形式將富余的電能存儲起來，并在電力系統(tǒng)電力短缺時進行水力發(fā)電。抽水蓄能電站是確保電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行的有效途徑，它具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、儲能和應(yīng)急備用等多種功能[1]。抽水蓄能電站一般包括上水庫、下水庫、輸水道、廠房及開關(guān)站等組成部分。其上/下水庫的布置需要因地制宜，考慮地形和地質(zhì)等因素，同時具有相應(yīng)的水資源條件。因此，一般抽水蓄能電站大多分布在山地區(qū)域。山區(qū)地勢較為險要，植被茂密，設(shè)計和施工高度復(fù)雜，對地形測繪精度要求較高。只有得到了高精度的抽水蓄能項目區(qū)域的地形測繪成果，才能做好規(guī)劃設(shè)計、施工建造等階段的工作，促進整個抽水蓄能項目的順利完成。現(xiàn)有的常規(guī)的地形測繪通常采用全站儀，GNSS-RTK人工全野外測量進行，作業(yè)周期較長，原始地形圖采集的數(shù)據(jù)密度偏低，不能完全反應(yīng)現(xiàn)場的實際地形，且山區(qū)地形復(fù)雜，作業(yè)人員安全風(fēng)險系數(shù)高。若采用無人機航空攝影測量，則因無法拍攝到茂密植被下的地表，導(dǎo)致地形測繪的高程精度較差。為滿足抽水蓄能項目高速發(fā)展的需求，急需一種作業(yè)周期短、成果質(zhì)量高的新作業(yè)手段代替常規(guī)測繪方法。激光雷達技術(shù)（Light Laser Detection and Ranging，LiDAR）作為快速獲取高精度三維空間數(shù)據(jù)的主要技術(shù)手段，在數(shù)據(jù)采集效率、三維信息獲取能力等方面具有獨到優(yōu)勢，迅速在地形測繪、基礎(chǔ)設(shè)施運維等場景中受到追捧[2]。利用集成了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及激光掃描儀等傳感器設(shè)備的無人機LiDAR進行原始地形測繪，可以克服傳統(tǒng)測量方法的不足，精確、高效、安全地獲取測繪4D產(chǎn)品、輸出設(shè)計和工程建設(shè)所需圖紙，從而在抽水蓄能項目土建工程達到設(shè)計優(yōu)化的作用。

1 無人機LIDAR地形測繪方法

1.1 機載激光雷達技術(shù)

自激光測距技術(shù)出現(xiàn)以后，LiDAR技術(shù)逐步得到發(fā)展，它主要通過發(fā)射激光束來獲得目標(biāo)的位置、速度等信息。根據(jù)搭載平臺的區(qū)別激光雷達可分為車載、機載以及背包式等。機載LiDAR技術(shù)通常采用無人機作為飛行平臺，作為一種主動式航空測量技術(shù)利用了無人機的機動性強、靈活性高等優(yōu)點。具有較高的距離、角度等分辨率，可獲取地面目標(biāo)的多種空間信息，且受天氣影響較小，在當(dāng)前地形測繪中得到了廣泛的應(yīng)用。無人機LiDAR主要集成了激光掃描儀、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等傳感器設(shè)備。激光掃描儀由光源、發(fā)射器和接收器等部件組成，激光脈沖信號通過發(fā)射器發(fā)出經(jīng)過地面物體反射被接收器接收，根據(jù)信號傳播的速度和時間即可獲取發(fā)射器與反射地物之間的距離[3]。采集得到大量原始數(shù)據(jù)稱為點云，原始點云數(shù)據(jù)經(jīng)航跡解算、融合、去噪、濾波等處理步驟即可得到地表點云數(shù)據(jù)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可為無人機飛行提供定位導(dǎo)航信息，采用差分技術(shù)其定位精度可達到厘米級。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可在無人機分型作業(yè)中獲取其瞬時航向角、俯仰角和橫滾角等姿態(tài)信息。多種傳感器高度集成與互補，可以準(zhǔn)確獲取每一個激光點的空間三維坐標(biāo)，確保數(shù)據(jù)采集的精度，在山區(qū)地形測繪中，相對于其他傳統(tǒng)手段有著很大的優(yōu)勢。無人機LiDAR地形圖測繪的數(shù)據(jù)采集和后期處理流程如圖1所示。

圖1 無人機LIDAR地形測繪作業(yè)流程

1.2 無人機LIDAR地形測繪

無人機LiDAR地形測繪的作業(yè)流程主要包括外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集的主要步驟一般包括前期踏勘、航線設(shè)計、地面基站布設(shè)、航攝飛行及現(xiàn)場精度檢查等[4]。前期踏勘首先可通過衛(wèi)星影像或歷史地形圖信息掌握測區(qū)的大致地形情況，但由于實地情況會發(fā)生變化，故在項目實施之前還需進行實地踏勘，以掌握測區(qū)詳細情況，為航線規(guī)劃提供更豐富的依據(jù)。測區(qū)踏勘時需要了解測區(qū)公路、鐵路、鄉(xiāng)村道路等分布及通行情況，以便為野外作業(yè)時后勤配備奠定基礎(chǔ)。了解測區(qū)作業(yè)難度，為后面的項目實施進行分區(qū)規(guī)劃，調(diào)查山脈、水系、主要地貌類型和特征等自然地理情況。此外還要掌握作業(yè)區(qū)域內(nèi)已有的控制點的分布情況。完成前期踏勘工作后，可開展航線設(shè)計，無人機LiDAR航線規(guī)劃時，首先根據(jù)項目需求進行關(guān)鍵參數(shù)計算，然后將飛行參數(shù)和雷達參數(shù)分別設(shè)置到采集控制端中。此外還需根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對理論計算的參數(shù)酌情調(diào)整，設(shè)計適合測區(qū)飛行的航線。在航攝飛行前，必要時須在測區(qū)已知控制點架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，為無人機的飛行提供差分定位服務(wù)。航攝飛行一般根據(jù)規(guī)劃好的航線自動完成飛行和點云數(shù)據(jù)采集[5]。為了檢查點云采集的精度，一般在測區(qū)現(xiàn)場均勻布設(shè)檢查點利用GNSS移動站采集其坐標(biāo)。

在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，主要包括軌跡解算、點云去噪、點云濾波及4D產(chǎn)品生成。軌跡解算時基于GNSS基準(zhǔn)站和無人機搭載的GNSS接收機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等進行無人機的位置姿態(tài)解算，利用得到的位姿數(shù)據(jù)與激光掃描儀所得到的點云數(shù)據(jù)進行融合可轉(zhuǎn)換得到指定坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)[6]。點云去噪是指對無人機LiDAR采集的原始點云中的粗差點從整體點云數(shù)據(jù)中剔除，這些粗差點主要由目標(biāo)的物理特性、空氣環(huán)境中細微物質(zhì)及儀器誤差等因素導(dǎo)致。復(fù)雜山區(qū)的點云數(shù)據(jù)濾波常采用于不規(guī)則三角網(wǎng)加密濾波算法，通過將測區(qū)進行規(guī)則格網(wǎng)的點云劃分，并選擇初始種子點構(gòu)建稀疏不規(guī)則三角網(wǎng)，進而將滿足要求的點不斷加入網(wǎng)中進行加密，設(shè)定閾值可將點分類為地面點和非地面點。對于獲取的地面點點云數(shù)據(jù)，即可根據(jù)相應(yīng)的算法進行DEM、DOM及DLG等4D測繪產(chǎn)品生成。

2 抽水蓄能項目地形測繪案例

木旺溪抽水蓄能電站位于湖南省常德市桃源縣，為國家“十四五”重點規(guī)劃項目。建成后對于構(gòu)建多元清潔的電力保障體系，推動能源清潔低碳高效利用、保障全市乃至全省能源安全，都具有重要意義[7]。在該抽水蓄能項目規(guī)劃設(shè)計階段需要獲取區(qū)域地形數(shù)據(jù)，該區(qū)域為山區(qū)地形，采用了無人機LiDAR技術(shù)展開地形測繪工作。機載平臺采用了華測導(dǎo)航BB4大黃蜂四旋翼無人機。如圖2(a)所示，該無人機是一款專門為搭載長測程高精度激光雷達測量系統(tǒng)定制的高端無人機系統(tǒng)設(shè)備，具有科學(xué)美觀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，高度集成化的生產(chǎn)工藝以及全自動化的飛控系統(tǒng)。輕小便捷，螺旋槳、機臂可實現(xiàn)折疊展收，無需工具拆卸，快速部署，攜帶便利。動力強勁，單架次續(xù)航時間達到50分鐘。激光雷達采用了AA-1300激光雷達系統(tǒng)。如圖2(b所示，該系統(tǒng)為針對應(yīng)急測繪、地籍和地形測量市場開發(fā)的一款高精度多平臺激光雷達產(chǎn)品，通過集成激光雷達掃描、影像、GNSS、高精度慣性導(dǎo)航等技術(shù)達到高精度地形數(shù)據(jù)采集的目的，測程可達到1845米，同時點云精度更高、密度更大，點云整體更清晰。

圖2 無人機LiDAR地形測繪設(shè)備

通過外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集獲取該抽水蓄能項目區(qū)域的點云數(shù)據(jù)之后，采用相應(yīng)的軟件進行數(shù)據(jù)處理獲得地形測繪產(chǎn)品。如圖3(a)所示，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件抽稀后可以進行點云數(shù)據(jù)的預(yù)覽，然后通過網(wǎng)格分塊對對點云進行分塊轉(zhuǎn)換。完成分塊轉(zhuǎn)換后，為了得到點云中的地面點，可以對分塊點云進行批濾波，可以使用濾波處理中的“孤立點濾波”、“低點濾波”以及“地面點濾波”等功能進行調(diào)參，加入小段數(shù)據(jù)進行處理，以便尋找合適的濾波參數(shù)。批濾波完成之后，由于存在地面點錯分或漏分的情況，還需要對批濾波的結(jié)果進行檢查和修改。當(dāng)所有塊的地面點被糾正完畢，即完成了點云類別的編輯工作，進一步的可以得到精細分類后的地面點云如圖3(b)所示。通過點云生成DEM工具即可生成DEM產(chǎn)品如圖3(c)所示。在完成DEM的生成之后，為了輸出符合規(guī)范的DEM產(chǎn)品，往往需要進行人工檢查和精細的編輯。最后可通過自動提取高程點并選擇等高線間距自動生成等高線如圖3(d)所示。為了保證測繪成果質(zhì)量，確保成果符合規(guī)范、圖式和設(shè)計書的各項要求，生成測繪產(chǎn)品之后對作業(yè)成果按《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》GB/T18316-2008等進行檢查[8]。凡不符合要求的成果，需返回作業(yè)人員修改或返工。

圖3 木旺溪抽水蓄能項目無人機LiDAR地形測繪產(chǎn)品

3 結(jié)束語

本文針對抽水蓄能項目位于山區(qū)的特征，研究采用無人機LiDAR技術(shù)進行地形測繪。在介紹無人機LiDAR技術(shù)原理及基本組成的基礎(chǔ)上，重點分析了無人機LiDAR進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的主要流程。并結(jié)合具體的抽水蓄能項目展開了無人機LiDAR地形測繪的實際應(yīng)用?？蔀闊o人機LiDAR技術(shù)在抽水蓄能項目地形測繪中提供新的解決方案，具有一定的參考價值。