無人機機載激光雷達掃描系統在抽水蓄能電站工程中的應用研究

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

0.引言

在抽水蓄能電站工程建設中，地形復雜、傳統測繪工作難度較大、人力物力成本高而效率低，已經不滿足社會發展需求。近年來，隨著無人機技術的快速發展，傳統測繪已經向信息化測繪邁進，航測以其高效率、低成本、成果多樣的特點，在測繪領域得到了全面的應用。特別是無人機航測，相比傳統航測又是巨大的進步，現在可以實現免像控高精度的測量。但抽水蓄能電站工程環境一般都是密林山區，測繪難度大，無人機航測無法拍攝到植被茂密的地面，因此無法獲取次此環境中的地表地形，而機載激光雷達技術可以彌補這方面的不足。

機載激光雷達（LiDAR）集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數碼相機等光譜成像設備[1-3]。激光掃描設備裝置可記錄一個單發射脈沖返回的首回波、中間多個回波與最后回波，通過對每個回波時刻記錄，可同時獲得多個高程信息，將IMU/DGPS系統和激光掃描技術進行集成，飛機向前飛行時，掃描儀橫向對地面發射連續的激光束，同時接受地面反射回波，IMU/DGPS系統記錄每一個激光發射點的瞬間空間位置和姿態，從而可計算得到激光反射點的空間位置（三維坐標點云）。

圖1 地表點云獲取技術流程

應用分類(Classification)技術在原始三維坐標點云數據中移除建筑物、人造物、覆蓋植物等測點數據，即可獲得地面數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM),據此可以生產常規的地形圖（DLG）等測繪產品。產品拓展還可用于三維設計、建設征地勘測定界、數據庫數據融合疊加及對比分析、斷面數據提取、工程量計算、庫容計算、施工進度匯報等。

機載激光雷達（LiDAR）的技術優勢有[4-5]：（1）穿透性強。激光雷達能夠很好的穿透植被區域，獲取植被下的地面數據；（2）數據獲取面積大，速度快。利用無人機平臺能夠快速獲取大面積的點云數據；（3）精度高。利用高精度的GPS/IMU傳感器，激光雷達獲取的數據具有較高的相對精度和絕對精度。

1.試驗區概況

抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站，又稱蓄能式水電站。典型抽水蓄能電站由上、下水庫、引水洞、發電廠房、輸變電設施等結構組成。

本文試驗區抽水蓄能電站上、下水庫落差約700m，平均海拔約800m，工程勘察范圍面積約12km2，工程區地勢起伏、溝谷縱橫、山高坡陡、植被茂盛。

2.試驗方法

為滿足可研設計質量和進度要求，需在短期內完成抽水蓄能電站工程范圍12km2的1:500地形測量工作。經技術設計，常規測量作業難度大，攝影測量很難滿足高程精度要求，無人機搭載輕型激光雷達方案具備作業成本低、設備起降簡單、機動靈活、低航高、單位面積點云密度大等優點。最終確定采用無人機機載激光雷達掃描系統進行測繪，具體技術流程如圖1。

2.1 航飛采集點云數據和數碼影像

（1）根據測區范圍、地形地物條件、成圖精度等要求進行分區設計、航高設計、航帶劃分、航線設計、重疊度設計等。

（2）選取氣象條件良好的合適時間段開展航飛作業。

（3）定位定姿設備采用中海達的海達數云Hi-POS組合導航系統，機載GPS記錄無人機飛行軌跡，通過事后差分獲取系統的位置和姿態參數。

（4）激光掃描測量。設置好飛行速度、掃描鏡的擺動方向和擺動角度、激光脈沖頻率、激光反射鏡轉動速度，無人機沿航線飛行時，激光發生器不停發射激光通過掃描鏡運動反射，使激光束掃向不同角度。激光束遇到物體反射回來，被激光雷達設備上感應單元接收，根據激光發射到接收的時間差，測出距離。

（5）通過搭載的數碼相機按無人機攝影方式獲取影像，與激光掃描儀的定位定姿設備同步記錄影像曝光時刻位置和姿態。

2.2 數據處理

將基站GPS采集的靜態數據和機載設備采集的實時POS數據進行差分解算，得到飛行的軌跡數據，再利用點云融合軟件將軌跡和原始激光數據融合出點云數據。點云數據經過分類處理、編輯，提取有效的地面高程點后生成數字高程模型（DEM）。

2.2.1 DGPS解算

利用GPS靜態數據和機載實時獲取的POS數據以及基站的已知坐標進行PPK后差分結算，得到高精度的POS數據。

2.2.2 數據融合

采用數據融合軟件進行激光數據融合，生成點云文件。激光器的角度和位置偏移量是出廠前由設備檢驗人員進行嚴格標定獲得。

2.2.3 點云分類

先使用Terrasoild軟件的T-scan模塊對點云數據進行自動分類[6-8]。

再結合T-model模塊，用地面點生成可編輯的模型（Editable model），參考模型及點云來進行手動精細分類，得到地表點云，進而利用地表點云生成DEM[9-10]。

2.2.4 制作DOM和DLG

通過機載的POS設備，得到相機拍照時刻的外方位元素，結合原始影像，刺入少量控制點，進行空中三角測量處理，輸出正攝影像（DOM）。

由于現場高差較大，采用立體采集的方式采集道路、田埂、地類界等地物信息，結合DEM得到DLG。

由于建筑物的層數材質、涵洞出水口等信息無法從點云和正射影像圖中識別出來，還需要進行外業調繪補測。

3.數據檢驗和分析

表1 1:500 DOM精度要求

表2 1:500 DEM高程插值精度

根據上一節的技術流程，獲取了試驗區的地表點云、DEM和DOM。為檢驗掃描成圖的精度，按照航測1:500比例尺成圖的平面位置中誤差和高程插值精度要求（見表1和表2所示），通過對居民區、無植被區、不同類型不同郁閉度植被區實測了檢查點，精度統計如表3所示。點云數據都是離散的三維點，不容易比較平面精度。借助點云編輯處理軟件，切片自動提取房屋輪廓，比較房角的平面位置。

表3 掃描成圖精度統計

從表3可以看出，竹林區郁閉度高，激光穿透性差，獲取地面反射點稀少，影響地形精度，實測檢查等高線高程中誤差超限。此類局部區域通過實測成圖替換激光掃描成圖，以滿足1:500地形圖精度要求。

4.結論和展望

（1）無人機機載激光雷達掃描系統在抽水蓄能電站1:500地形圖測繪中比傳統人工測量外業效率高（自動掃描）、比攝影測量精度好（可穿透樹障）。

（2）為滿足1:500地形圖測繪平面和高程精度要求，應根據地形情況和植被情況增加布設航線。抽水蓄能電站地形起伏大，實際重疊度和覆蓋范圍會因地形起伏而減小。布設航線應考慮實際重疊情況，避免產生航飛漏洞。航線宜垂直山溝水流方向，至少應保證山溝正上方有航線，植被高而密時，應加密航線，保證5m～10m間距內有激光束能穿透樹障到達地面。

（3）當局部測區激光束無法穿透密集植被、水面無法反射回波、點狀地物無法分辨等情況下，應采用人工實測的方法采集測點數據，與點云數據融合進行DLG生產。

（4）點云數據海量，內業數據處理工作量大，合理的分區處理，既能提高效率又能保證點云精度。