無人機機載LiDAR在光伏發(fā)電項目大比例尺地形圖測量中的應(yīng)用

摘要：當(dāng)前，光伏電站多建設(shè)在海拔高且高差大、植被多的地區(qū)，常規(guī)實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK）測量方法效率較低，無人機傾斜攝影測量方法無法準(zhǔn)確獲取多植被區(qū)域的地面高程?；诖?，提出一種在光伏發(fā)電項目大比例尺地形圖測量中應(yīng)用的無人機機載激光雷達（LiDAR）測量方法。首先從外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個方面介紹無人機機載LiDAR測量方法的技術(shù)流程，然后根據(jù)光伏發(fā)電項目應(yīng)用實例數(shù)據(jù)對該測量方法的應(yīng)用效果進行具體分析。研究結(jié)果表明：無人機機載LiDAR測量方法的植被穿透力強，可以快速獲取植被下方高精度的地面點3D坐標(biāo)，操作簡單，且不需要布設(shè)大量像控點，外業(yè)采集的效率高；該測量方法的點云高程精度優(yōu)于平面位置精度，可生產(chǎn)高精度數(shù)字高程模型（DEM）成果，直接提取等高線用于地形圖成果繪制，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的速度快。無人機機載LiDAR測量方法可以更好地滿足在高山多植被地區(qū)的光伏發(fā)電項目建設(shè)的時間節(jié)點要求和精度要求，可以很好地應(yīng)用于山區(qū)大高差的光伏發(fā)電項目大比例尺地形圖測量作業(yè)。

關(guān)鍵詞：機載LiDAR;光伏發(fā)電項目；無人機；數(shù)字高程模型；大比例尺；點云數(shù)據(jù)；地形圖

中圖分類號：P237/TM615文獻標(biāo)志碼：A

0引言

2022年4月7日，云南省能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推進“十四五”規(guī)劃新能源項目配套接網(wǎng)工程有關(guān)工作的通知》（云能源辦水電[2022]70號）1，要求按照2022—2024年每年開工2000萬kW新能源項目并留有裕度的原則，加快新能源建設(shè)，確保2025年前新增5000萬kW新能源項目并全額消納。根據(jù)該通知中附件《云南省“十四五”規(guī)劃新能源項目清單》內(nèi)容，2021—2024年云南省光伏發(fā)電新增裝機容量分別為966.3萬、2101.5萬、1792萬、1557萬kW。

光伏發(fā)電項目建設(shè)的時間緊、任務(wù)重，并且規(guī)劃的選址地點必須避開生態(tài)保護紅線和永久基本農(nóng)田，當(dāng)前多建設(shè)在海拔高且高差大、植被多的坡地或空地上，因此項目的可行性研究設(shè)計報告需要快速提供準(zhǔn)確的大比例尺地形圖成果和數(shù)字正射影像（digital orthophoto map，DOM）成果。常規(guī)實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（real-timekinematic，RTK）測量方法不能滿足光伏發(fā)電項目建設(shè)工期的要求；無人機傾斜攝影測量方法可以獲得DOM成果及3D模型成果，但該方式需要布設(shè)大量像控點，尤其是在植被密集區(qū)域，很難準(zhǔn)確測量其地形。

基于此，為更好地滿足光伏發(fā)電項目建設(shè)的時間節(jié)點要求和精度需求[2-31，本文提出一種應(yīng)用于光伏發(fā)電項目大比例尺地形圖測量的無人機機載激光雷達（light laser detection and ranging，LiDAR）測量方法。首先從外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個方面介紹無人機機載LiDAR測量方法的技術(shù)流程，然后根據(jù)光伏發(fā)電項目實際應(yīng)用數(shù)據(jù)對該測量方法的應(yīng)用效果進行具體分析。

1無人機機載LiDAR測量方法的技術(shù)流程

無人機機載LiDAR系統(tǒng)是一個綜合測量系統(tǒng)，通常由無人機、激光掃描儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）、慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）、高分辨率相機等硬件設(shè)備和地面控制系統(tǒng)組成[4-61。其中，激光掃描儀可以獲取目標(biāo)的距離、反射率及斜率等信息，高分辨率相機可以獲取地表的高清照片信息，通過數(shù)據(jù)解算生成具有3D坐標(biāo)的海量點云和DOM成果17-8]。機載LiDAR的光束具有很強的植被穿透力，多回波技術(shù)可以快速獲取高精度的地面點3D坐標(biāo)，高程精度可以達到厘米級I？-101。

無人機機載LiDAR測量方法進行大比例尺地形圖測量時的主要技術(shù)流程為外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，具體如圖1所示。其中：外業(yè)采集主要包括空域申請、航線規(guī)劃和實地踏勘、控制測量、LiDAR點云數(shù)據(jù)采集和影像數(shù)據(jù)采集等；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括基站靜態(tài)數(shù)據(jù)處理、無人機GNSS和IMU聯(lián)合軌跡解算、點云數(shù)據(jù)處理（包括原始點云數(shù)據(jù)解算和點云濾波分類）、影像數(shù)據(jù)預(yù)處理（包括影像空間位置信息（positioning and orientation system，POS）獲取和影像檢查整理）、生成數(shù)字高程模型（digitalelevationmodel，DEM）成果和DOM成果、地形圖編繪（包括等高線生成和地物要素采集）、數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查等[11-12]。

1.1外業(yè)采集

本文涉及的點云數(shù)據(jù)均采用“D20多旋翼無人機+DV-LiDAR22雷達系統(tǒng)”獲取。D20多旋翼無人機采用六旋翼電動垂直起降，最大載重為6 kg，載荷續(xù)航為50 min;配備雙GNSS，平面定位精度為“1 cm+1 ppm”，垂直定位精度為“2 cm+1 ppm”;具備仿地飛行和自動避障功能，相比固定翼無人機更安全靈活。DV-LiDAR22雷達系統(tǒng)由型號為riegl VUX-1LR22的雷達、型號為霍尼韋爾HG 4930的IMU、18 mm焦距/4200萬像素的相機組成，可360°單線掃描，最大測距為1845 m;可多次回波數(shù)據(jù)，最大點頻可達每秒150萬點。

按照光伏電站可行性研究設(shè)計報告的要求，需要提供比例尺為1：2000的地形圖及分辨率為0.2 m的DOM成果。因此，在無人機機載LiDAR系統(tǒng)設(shè)置中，仿地飛行的相對航高設(shè)置為300 m;照片分辨率設(shè)置為10 cm左右；照片的航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為60%～65%13-14]。

1.1.1控制測量和檢查點測量

按照測區(qū)范圍，最少需布設(shè)4個四等靜態(tài)GNSS控制點，進行靜態(tài)GNSS控制點觀測解算；同時利用千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司提供的厘米級高精度定位服務(wù)—千尋知寸服務(wù)，在測區(qū)平坦區(qū)域按一定密度采集平面和高程檢查點。

1.1.2 LiDAR數(shù)據(jù)采集

無人機機載LiDAR系統(tǒng)的LiDAR數(shù)據(jù)采集具體步驟為：

1）首先進行無人機和雷達的組裝。無人機組裝包括腳架安裝、機翼旋鈕鎖扣、槳葉展開、電池安裝，同時將電池卡扣上鎖；雷達組裝包括雷達與無人機組裝、雷達天線安裝、雷達天線數(shù)據(jù)線與雷達連接。

2）然后利用飛馬無人機管家軟件進行測區(qū)航線規(guī)劃，在影像地圖上選取作業(yè)區(qū)塊起飛點，并保證起飛點的信號良好。同時，架設(shè)GNSS基站，架設(shè)時需要設(shè)置項目坐標(biāo)系并輸入中央子午線，測定GNSS基站點位坐標(biāo)；靜態(tài)數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)置為2 Hz（0.5 s）;要保證GNSS基站設(shè)置為在雷達開機之前的5 min為靜態(tài)采集模式，在雷達關(guān)機之后的5 min后再停止靜態(tài)采集。

3）最后利用遙控器進行任務(wù)調(diào)取，執(zhí)行飛行任務(wù)，執(zhí)行完畢后無人機返航，導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)。無人機機載LiDAR系統(tǒng)的工作示意圖如圖2所示。

1.1.3影像數(shù)據(jù)采集

機載LiDAR系統(tǒng)集成了雷達和相機，因此點云數(shù)據(jù)采集和影像數(shù)據(jù)采集可同步進行。單個測區(qū)布設(shè)4～5個像控點，像控點的目標(biāo)影像應(yīng)清晰，一般采用油漆布設(shè)“L”形地標(biāo)；采用千尋知寸服務(wù)測量像控點的坐標(biāo)。

1.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括基站靜態(tài)數(shù)據(jù)、無人機GNSS和IMU聯(lián)合軌跡解算、點云數(shù)據(jù)處理、影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、生成DEM成果和DOM成果、地形圖編繪、數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查等。其中，點云數(shù)據(jù)處理軟件采用Inertial Explore軟件、飛馬智激光軟件和TerraSolid軟件；影像數(shù)據(jù)處理軟件采用PhotoScan實景3D建模軟件和ContextCapture Center實景建模軟件[13-14;地形圖編輯軟件采用EPS 3D測圖軟件和南方CASS軟件。

1.2.1軌跡數(shù)據(jù)聯(lián)合解算

使用Inertial Explore軟件對基站靜態(tài)數(shù)據(jù)、無人機GNSS和IMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算，導(dǎo)出軌跡文件。

1.2.2點云數(shù)據(jù)處理

使用飛馬智激光軟件對Inertial Explore軟件導(dǎo)出的軌跡文件、IMU文件和原始LiDAR數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)解算，保留左右各45°開角的點云數(shù)據(jù)，檢查航帶間點云數(shù)據(jù)的匹配情況，校正分層航帶數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出las格式的點云數(shù)據(jù)；使用TerraSolid軟件對las格式的點云數(shù)據(jù)進行編輯處理，通過參數(shù)轉(zhuǎn)換獲得指定的坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)下的點云數(shù)據(jù)成果；然后剔除低點及孤立點，通過濾波獲取地面點云。由于軟件自動化提取的地面點比較粗糙，需要通過點云數(shù)據(jù)檢查和編輯對地面點進行進一步糾正，以獲得準(zhǔn)確的地面點云。

1.2.3影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

提取軌跡文件中的影像POS數(shù)據(jù)；對所采集的影像數(shù)據(jù)進行重疊度、色彩、分辨率等指標(biāo)檢查，并對符合要求的影像進行整理備用。

1.2.4生成DEM成果和DOM成果

利用地面點云數(shù)據(jù)在TerraSolid軟件中生成高精度DEM成果；利用PhotoScan實景3D建模軟件和ContextCaptureCenterr實景建模軟件自動化生成DOM成果。

1.2.5地形圖編繪

利用DEM成果在TerraSolid軟件中生成等高線，根據(jù)比例尺設(shè)定等高距，在進行少量的人工編輯后得到等高線成果；使用DOM成果在EPS 3D測圖軟件中進行平面地物要素采集，再結(jié)合高精度DEM成果生成的等高線成果，在南方CASS軟件中進行合并處理，對整個地形圖的符號表達、圖廓修飾進行編繪，最后形成最終的地形圖成果。

1.2.6數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查

利用外業(yè)測量檢查點進行數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查，以保證地形圖精度滿足要求。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程中主要的圖像結(jié)果及最終的地形圖成果如圖3所示。

2光伏發(fā)電項目應(yīng)用實例

2.1項目概況

截止到2022年9月，采用無人機機載LiDAR測量方法已完成面積超過190 km2的光伏發(fā)電項目測量作業(yè)，項目地點涉及云南省的9個縣（市），均屬于高山地形，多植被，平均海拔高度在2000m以上，且測區(qū)的高差大部分在400 m以上，屬于大高差。由于光伏發(fā)電項目建設(shè)的工期短且項目地點分布零散，導(dǎo)致測繪的工期緊、任務(wù)重且測量困難，常規(guī)測量方式不能滿足光伏發(fā)電項目設(shè)計方的時間要求；且光伏發(fā)電項目需要同時提供分辨率為0.2 m的高精度DOM成果和比例尺為1：2000的地形圖成果，因此最終這9個縣（市）光伏發(fā)電項目的地形圖測量作業(yè)采用了無人機機載LiDAR測量方法，作業(yè)清單如表1所示。

2.2數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查

1）點云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。檢查內(nèi)容包括點云密度、點云高程精度、點云平面位置精度和粗差率等。采用外業(yè)采集的RTK實測數(shù)據(jù)與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成的地面點云數(shù)據(jù)進行對比分析，從外業(yè)采集的RTK實測點中選取部分平坦裸露位置的點作為點云數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查點。由于點云屬于離散點，其平面位置精度通過地形圖地物要素進行檢查。點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查結(jié)果如表2所示。

2）DOM成果質(zhì)量檢查。檢查內(nèi)容主要包括清晰度、分辨率及平面位置精度，選取實測的地物要素特征作為檢查點，具體結(jié)果如表3所示。

3）地形圖成果質(zhì)量檢查。檢查內(nèi)容包括地物要素的完整性檢查、點位平面和高程的精度檢查等。地形圖成果的質(zhì)量檢查結(jié)果如表4所示。通過對比DOM成果和地面點云數(shù)據(jù)可以看出，本次9個縣（市）光伏發(fā)電項目的地形圖成果均滿

2.3效率對比分析

1）外業(yè)采集效率。針對大比例地形圖測量，相比于無人機傾斜攝影測量方法，無人機機載LiDAR測量方法不需要大量布設(shè)像控點，尤其是高山地區(qū)，由于植被茂密，像控點布設(shè)及測量困難，無人機機載LiDAR測量方法可以通過少量像控點甚至免像控點獲取3D點云數(shù)據(jù)。另外，無人機傾斜攝影測量方法需要采集大量檢查點，尤其是植被遮擋區(qū)域，需要進行大量的人工實測調(diào)繪；而無人機機載LiDAR測量方法只需要架設(shè)基站，一次性飛行即可采集所需數(shù)據(jù)。

需要說明的是：無人機機載LiDAR系統(tǒng)的點頻越高，點云數(shù)量越多，單個激光束的能量越低，測距能力越弱，穿透力越弱；反之，點頻越低，點云數(shù)量越少，測距能力越強，穿透力越強。因此，要根據(jù)實際地形選擇合適的點頻、重疊率、飛行高度及飛行速度。點云重疊率要合理設(shè)置，重疊率過高不但會產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，還會導(dǎo)致數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)的累計誤差變大，因此點云密度調(diào)節(jié)優(yōu)先通過降低飛機速度來進行，盡量不要調(diào)節(jié)航高和重疊率。

2）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率。無人機傾斜攝影測量方法需要進行空中三角測量，生成3D模型，并需要大量電腦工作站并行工作，處理時間久；而無人機機載LiDAR測量方法只需要1臺電腦進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)成果導(dǎo)出是3D地面點云數(shù)據(jù)，可以直接獲取高精度DEM成果，進而快速生成等高線，且地物要素采集使用DOM數(shù)據(jù)，處理時間更節(jié)省。

3結(jié)論

本文提出一種應(yīng)用于光伏發(fā)電項目大比例尺地形圖測量的無人機機載LiDAR測量方法，介紹了該測量方法的技術(shù)流程，并根據(jù)光伏發(fā)電項目應(yīng)用實例數(shù)據(jù)對該測量方法的效果進行了分析，可以得到以下結(jié)論：

1）無人機機載LiDAR測量方法的植被穿透力強，可以快速獲取植被下方高精度的地面點3D坐標(biāo)，操作簡單，且不需要布設(shè)大量像控點，外業(yè)采集的效率高。

2）無人機機載LiDAR測量方法的點云高程精度優(yōu)于平面位置精度，生產(chǎn)的DEM成果精度更高，可直接提取等高線用于地形圖成果繪制，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的速度快。

綜上所述，無人機機載LiDAR測量方法可以更好地滿足在高山多植被地區(qū)光伏發(fā)電項目建設(shè)的時間節(jié)點要求和精度需求，可以很好地應(yīng)用于山區(qū)大高差的光伏發(fā)電項目大比例尺地形圖測量作業(yè)。

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APPLICATION OF UAV LiDAR IN LARGE-SCALE TOPOGRAPHICMAP MEASUREMENT OF PV POWERGENERATION PROJECTS

Gao Shibin，MaoYunhua，HeNan，LuDajin

（Kunming engineering corporation limited ofPowerChina，Kunming 650000，China）

Abstract：Currently，PV power stations are mostly built in areas with high altitudes，large height differences，and abundant vegetation.Conventional real-time kinematic （RTK）measurement methods have low efficiency，and unmanned aerial vehicle （UAV）oblique photogrammetry methods cannot accurately obtain the groundelevation of abundant vegetation areas.Based on this，this paper proposes a UAV LiDAR measurement methodfor large-scale topographic map measurement in PV power generation projects.Firstly，the technical process ofUAV LiDAR measurement method is introduced from two aspects：field collection and internal data processing.Then，based on the data of application example of PV power generation projects，the application effect of thismeasurement method is analyzed in detail.The research results show that the vegetation penetration of the UAVLiDAR measurement method is strong，and it can quickly obtain high-precision 3D coordinates of ground pointsbelow the vegetation，the operation is simple，and there is no need to deploy a large number of image controlpoints.The efficiency of feld collection is high.The point cloud elevation accuracy of this measurement methodis superior to the plane position accuracy，and it can produce high-accuracy DEM results.Contour lines canbe directly extracted for topographic map drawing，and the speed of internal data processing is fast.TheUAVLiDAR measurement method can better meet the time node and accuracy requirements of PV power generationproject construction in mountainous and abundant vegetation areas，and can be well applied to large-scaletopographic map measurement operations of PV power generation projects with large elevation differences inmountainous areas.

Keywords：airborneLiDAR;PV power generation projects;UAV;DEM;large-scale;point cloud data;topographic map