輕型機載LiDAR技術在高山風電工程勘測中的應用

駱斌 程鐵洪 黃磊

【摘? 要】機載LiDAR設備的小型化、搭載平臺多樣化促使了輕型機載LiDAR的發展。高山風電工程勘測需要新的技術為其提供數據基礎，本文從輕型機載LiDAR應用的角度，探索該技術在高山風電工程勘測中的應用。

【關鍵詞】高山風電工程;勘測;輕型機載LiDAR

引言

江西地區高山風電的發展勢頭良好，如何為電力工程建設提供準確可靠的地形圖是電力勘測人孜孜不倦的探求。江西地區高山風電測圖面臨著植被發育良好，嚴重影響GPS及傳統光學設備作業;局部地形陡峭險峻，難以實施測量;交通不便，嚴重影響項目進度等問題。輕型機載設備的靈活機動性、LiDAR設備的高精度、POS系統的穩定可靠性和光學相機提供的豐富光譜信息組成的輕型機載LiDAR技術為高山風電工程勘測提供了新的解決方案。通過工程實踐的分析，采用輕型機載LiDAR技術縮短了勘測作業周期，減少了工程投入，為設計專業提供了可靠的高精度圖紙、數據。

1.技術原理及生產流程

機載LiDAR（Light Detection and Ranging）是激光探測及測距系統的簡稱。機載LiDAR測量系統是一種主動式航空遙感裝置，是集激光測距、GPS、IMU和數碼相機等設備于一體的空間測量系統，其中主動傳感系統（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測目標高分辨率的距離和反射率等信息，而被動光電成像技術可獲取探測目標的數字成像信息，經過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標。圖1.1展示的是機載LiDAR技術的工作原理圖，而輕型機載LiDAR技術是LiDAR設備搭載平臺的小型化、輕型化的成果。

輕型機載LiDAR航測作業的生產環節，主要包括航飛權申請和航攝準備、航空攝影、數據處理、數字產品制作等環節。

2.生產應用

輕型機載LiDAR作為原始數據的獲取平臺，自我院首次應用該技術測制江西新干縣某風電場工程地形圖以來已在其他近20余個高山風電場項目中應用該技術完成風場地形圖的測繪，并完成了數據精度和可靠性的驗證工作。本文以江西崇義縣某風電場和永豐縣某風電場兩個高山風電場為代表論述輕型機載LiDAR的精度和可靠性情況，精度對比采用工測測量成果與輕型機載LiDAR測制的圖紙進行高程對比：

江西崇義縣某風電場檢測對比：該風電場統計檢查點204個，有5個超限點，其中3個異常點。高程較差分為：0-0.5米134個，66%;0.5-1米43個，21%;1-2米22個，11%;3-4米2個，1%;異常點3個，1%。1米以內87%，2米以內98%。圖2.1為該工程檢測點高差分布圖。

江西永豐縣某風電場檢測對比：該風電工程統計檢查點54個，高程較差分為：0-0.5米28個，52%;0.5-1米13個，24%;1-2米8個，15%;2米以上5個，9%。1米以內77%，2米以內91%。圖2.2為該工程檢測點高差分布圖。

從風場檢測對比結果來看，采用輕型機載LiDAR測制的地形圖基本滿足CH/T 8023和CH/T 8024規范要求，但施工單位反應高程精度差異較大的問題經過核實也確實存在。

3.存在的問題

通過圖紙質量檢測和施工單位復測反饋的信息，采用輕型機載LiDAR測制的地形圖也反映出了技術問題。

江西永豐縣風電場反映出：（1）該風場大面積測區為林場，主要樹種為杉樹，高度在12米左右，根據施工單位反饋的信息設計道路路徑上有沖溝在圖紙上未明顯表現出來;（2）該風場局部有直立的孤石，高差約24米，圖上用等高線未能有效地表示出地形情況;

江西崇義縣風電場反映出：高程誤差超限，進場道路從K0+200m至K4+0這一段內多處高程誤差超過6米。

測圖項目中反饋的核心問題是地形圖的高程誤差超過規范要求，通過現場檢測和內業數據對比分析：圖紙高程誤差較大的區域都是植被茂密或光線難以穿透的植被覆蓋區，這也是LiDAR技術應用推廣的瓶頸。在永豐縣風電場中采用了不同設備多架次獲取LiDAR點云，從而增加數據獲取的概率，圖3.1和圖3.2分別為LiDAR點云未穿透植被和穿透植被的剖面圖（圖中小方框為實測高程數據，離散點為LiDAR點云數據）。同時，圖3.1是采用Riegl VUX-1第一次獲取的點云數據剖面，圖3.2是采用Riegl 480I加密飛行疊加后的點云數據剖面。

對比可知：（1）不同的LiDAR設備穿透性有一定的差異;（2）多架次加密飛行增加了數據獲取的概率。

4.擬解決方案

通過在風電工程采用輕型機載LiDAR輔助勘測的經驗分析，將該技術難點分為兩大類：

（1）內業成圖相關問題，表現為等高線與高程注記點不匹配、等高線過度平滑等。通過人工編輯對局部異常區域進行整飾可以有效解決這類問題，同時在人工整飾地形圖時可以校核圖紙是否存在局部異常的情況。

（2）與數據獲取相關的問題，表現為采用工程測量的方式檢測機載LiDAR測制的圖紙時，統計結果存在平面及高程精度不滿足規范要求的情況。

在我院已完成的應用項目中采用過Riegl VUX-1和Riegl 480I等多種LiDAR設備，各種設備適用性有所不同，但點云密度一般在2～10點/ m2，由此可見點的密度是足夠的。但從不同設備獲取同一個工程的LiDAR點云數據的“穿透性”來看是有差異的，因此LiDAR設備的選型很重要。

對點云數據進行分類，將其分為地面點、植被層、地物點等類別，繪制的等高線圖是以地面點為基礎數據，因此點云的分類至關重要，如果將非地面點歸為地面點將直接影響等高線圖的精度，而分類的原始點云數據如果非地面點的話，那么分類的結果必然存在錯誤。機載LiDAR可有效的“穿透”一定的植被覆蓋層，這種“穿透”是以有光線透射為基本條件，而對郁閉度大的局部區域還是一項技術瓶頸。從已完成的高山風電場的場區分布來看，風機基本上建設在山脊、山梁附近，但大部分進場道路修建在植被發育良好的山體邊坡上。根據在建的風電場工程反饋的情況，機載LiDAR測制的地形圖高程精度超限，而且總體上為圖紙高程較實地高，反饋的區域基本上都是在植被茂密的邊坡上，通過技術分析、現場檢查得出的結論是激光點未能穿透植被覆蓋層。

針對這些問題初步提出了兩個解決思路：

第一，在數據獲取階段：選擇適宜的LiDAR設備;采用交叉飛行和多架次加密飛行獲取原始點云數據等提高數據獲取的概率;

第二，在數據處理階段：結合光學影像立體像對調繪樹高，修正非地面點數據;探索其他分類技術，提高分類數據的準確性。

但LiDAR獲取的點云數據存在不確定性，以上思路能否解決問題有待進一步試驗、研究。

5.結論

根據以上的論述、分析，可以得出以下結論：

（1）輕型機載LiDAR技術適合于山區、高山區大面積測圖項目，采用機載LiDAR測圖可以縮短作業周期、降低成本投入、減少人力資源的投入，測區面積越大優勢越明顯。

（2）圖紙精度整體較好，通過對比已完成的測圖項目和架空線路項目檢測數據或終勘作業數據，在植被覆蓋稀疏的區域輕型機載LiDAR測圖成果滿足《工程測量規范》GB 50026-2007和相關電力規范的要求。但植被覆蓋度大、郁閉度高的區域，機載LiDAR還是存在一定的技術瓶頸。

參考文獻

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