無人機LIDAR在抽水蓄能項目地形測繪中的應用

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電能儲存和釋放的技術。是當前世界上比較成熟、廣泛應用的儲能技術之一。抽水蓄能電站能夠在電力系統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，并在電力系統電力短缺時進行水力發電。抽水蓄能電站是確保電力系統安全、可靠、穩定和經濟運行的有效途徑，它具有調峰、填谷、調頻、調相、儲能和應急備用等多種功能[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，考慮地形和地質等因素，同時具有相應的水資源條件。因此，一般抽水蓄能電站大多分布在山地區域。山區地勢較為險要，植被茂密，設計和施工高度復雜，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域的地形測繪成果，才能做好規劃設計、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?，F有的常規的地形測繪通常采用全站儀，GNSS-RTK人工全野外測量進行，作業周期較長，原始地形圖采集的數據密度偏低，不能完全反應現場的實際地形，且山區地形復雜，作業人員安全風險系數高。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，導致地形測繪的高程精度較差。為滿足抽水蓄能項目高速發展的需求，急需一種作業周期短、成果質量高的新作業手段代替常規測繪方法。激光雷達技術（Light Laser Detection and Ranging，LiDAR）作為快速獲取高精度三維空間數據的主要技術手段，在數據采集效率、三維信息獲取能力等方面具有獨到優勢，迅速在地形測繪、基礎設施運維等場景中受到追捧[2]。利用集成了全球衛星導航系統、慣性導航系統及激光掃描儀等傳感器設備的無人機LiDAR進行原始地形測繪，可以克服傳統測量方法的不足，精確、高效、安全地獲取測繪4D產品、輸出設計和工程建設所需圖紙，從而在抽水蓄能項目土建工程達到設計優化的作用。

1 無人機LIDAR地形測繪方法

1.1 機載激光雷達技術

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

圖1 無人機LIDAR地形測繪作業流程

1.2 無人機LIDAR地形測繪

無人機LiDAR地形測繪的作業流程主要包括外業航飛數據采集和內業數據處理。外業航飛數據采集的主要步驟一般包括前期踏勘、航線設計、地面基站布設、航攝飛行及現場精度檢查等[4]。前期踏勘首先可通過衛星影像或歷史地形圖信息掌握測區的大致地形情況，但由于實地情況會發生變化，故在項目實施之前還需進行實地踏勘，以掌握測區詳細情況，為航線規劃提供更豐富的依據。測區踏勘時需要了解測區公路、鐵路、鄉村道路等分布及通行情況，以便為野外作業時后勤配備奠定基礎。了解測區作業難度，為后面的項目實施進行分區規劃，調查山脈、水系、主要地貌類型和特征等自然地理情況。此外還要掌握作業區域內已有的控制點的分布情況。完成前期踏勘工作后，可開展航線設計，無人機LiDAR航線規劃時，首先根據項目需求進行關鍵參數計算，然后將飛行參數和雷達參數分別設置到采集控制端中。此外還需根據現場實際情況，對理論計算的參數酌情調整，設計適合測區飛行的航線。在航攝飛行前，必要時須在測區已知控制點架設GNSS基準站，為無人機的飛行提供差分定位服務。航攝飛行一般根據規劃好的航線自動完成飛行和點云數據采集[5]。為了檢查點云采集的精度，一般在測區現場均勻布設檢查點利用GNSS移動站采集其坐標。

在內業數據處理方面，主要包括軌跡解算、點云去噪、點云濾波及4D產品生成。軌跡解算時基于GNSS基準站和無人機搭載的GNSS接收機、慣性導航系統等進行無人機的位置姿態解算，利用得到的位姿數據與激光掃描儀所得到的點云數據進行融合可轉換得到指定坐標系下的點云數據[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據中剔除，這些粗差點主要由目標的物理特性、空氣環境中細微物質及儀器誤差等因素導致。復雜山區的點云數據濾波常采用于不規則三角網加密濾波算法，通過將測區進行規則格網的點云劃分，并選擇初始種子點構建稀疏不規則三角網，進而將滿足要求的點不斷加入網中進行加密，設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據，即可根據相應的算法進行DEM、DOM及DLG等4D測繪產品生成。

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”重點規劃項目。建成后對于構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劃設計階段需要獲取區域地形數據，該區域為山區地形，采用了無人機LiDAR技術展開地形測繪工作。機載平臺采用了華測導航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定制的高端無人機系統設備，具有科學美觀的結構設計，高度集成化的生產工藝以及全自動化的飛控系統。輕小便捷，螺旋槳、機臂可實現折疊展收，無需工具拆卸，快速部署，攜帶便利。動力強勁，單架次續航時間達到50分鐘。激光雷達采用了AA-1300激光雷達系統。如圖2(b所示，該系統為針對應急測繪、地籍和地形測量市場開發的一款高精度多平臺激光雷達產品，通過集成激光雷達掃描、影像、GNSS、高精度慣性導航等技術達到高精度地形數據采集的目的，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地形測繪設備

通過外業航飛數據采集獲取該抽水蓄能項目區域的點云數據之后，采用相應的軟件進行數據處理獲得地形測繪產品。如圖3(a)所示，將數據導入軟件抽稀后可以進行點云數據的預覽，然后通過網格分塊對對點云進行分塊轉換。完成分塊轉換后，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”等功能進行調參，加入小段數據進行處理，以便尋找合適的濾波參數。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果進行檢查和修改。當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產品如圖3(c)所示。在完成DEM的生成之后，為了輸出符合規范的DEM產品，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量，確保成果符合規范、圖式和設計書的各項要求，生成測繪產品之后對作業成果按《數字測繪成果質量檢查與驗收》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地形測繪產品

3 結束語

本文針對抽水蓄能項目位于山區的特征，研究采用無人機LiDAR技術進行地形測繪。在介紹無人機LiDAR技術原理及基本組成的基礎上，重點分析了無人機LiDAR進行外業數據采集和內業數據處理的主要流程。并結合具體的抽水蓄能項目展開了無人機LiDAR地形測繪的實際應用?？蔀闊o人機LiDAR技術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。