董海洋 楊看迪 王龍

摘要：受某公司委托，我單位承擔(dān)提供其蓄能電站三維掃描測(cè)量服務(wù)，包括營(yíng)地和開關(guān)站兩洞口1：500三維掃描測(cè)量，征地紅線范圍三維模型建模。根據(jù)測(cè)繪環(huán)境、成果要求和委托方建議，采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)和無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能;三維掃描;數(shù)據(jù)處理

一、三維掃描測(cè)量技術(shù)工作流程

1.1 機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)流程

本項(xiàng)目數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)是對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地類地物、地貌采用內(nèi)外業(yè)結(jié)合的方法進(jìn)行成圖，外業(yè)手段采用機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過激光雷達(dá)可以掃描到建筑物立面的特征，對(duì)建筑進(jìn)行繪圖，省去傳統(tǒng)航測(cè)需要進(jìn)行屋檐改正的步驟，通過激光雷達(dá)可以穿透植被的特征，對(duì)野外地形地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取野外植被下方的地表高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后在此基礎(chǔ)上派外業(yè)人員到實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，重點(diǎn)調(diào)繪對(duì)象有：①地名、房屋結(jié)構(gòu)、井蓋、消防栓等遙感手段不易識(shí)別的對(duì)象;②電線桿、線纜類型、線纜走向等點(diǎn)云上可能漏測(cè)的對(duì)象;③坎、田埂、農(nóng)村小路等點(diǎn)云上可能混淆的對(duì)象。調(diào)繪完成后根據(jù)調(diào)繪成果進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)，內(nèi)業(yè)編輯，生成最終的全要素?cái)?shù)字化地形圖。

1.2 傾斜攝影測(cè)量作業(yè)流程

對(duì)于征地紅線范圍利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，生產(chǎn)三維模型。模型質(zhì)量與像控點(diǎn)的精度和航線的規(guī)劃有關(guān)。像控點(diǎn)的布設(shè)要按照規(guī)范要求，平均500米布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)。航線的規(guī)劃則根據(jù)具體分辨率要求來設(shè)置相關(guān)重疊度和航高等參數(shù)。外業(yè)采集到相片后，首先對(duì)pos進(jìn)行PPK后差分處理，然后進(jìn)行空三加密計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行三維重建，生產(chǎn)出三維模型。

1.3基準(zhǔn)站架設(shè)選點(diǎn)

本無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)，是通過GPS后處理差分動(dòng)態(tài)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在無人機(jī)搭載一個(gè)GPS模塊作業(yè)的同時(shí)，我們需要在一個(gè)已知點(diǎn)（已知WGS84坐標(biāo)即可）點(diǎn)位上架設(shè)靜態(tài)模式的GPS接收機(jī)，采集相同作業(yè)時(shí)段內(nèi)的GPS數(shù)據(jù)，基站理論覆蓋距離為25公里。

1.4航線規(guī)劃

本無人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)整體來說具有三個(gè)誤差來源，第一是GPS后處理差分的誤差，第二個(gè)是慣導(dǎo)的誤差，第三個(gè)是掃描儀本身的測(cè)距誤差，在同一個(gè)測(cè)區(qū)同樣的航線規(guī)劃下，GPS后處理的精度與慣導(dǎo)的精度是基本固定的，因此主要可以控制的誤差為掃描儀的測(cè)距誤差。SZT-250型激光雷達(dá)掃描技術(shù)采用的是脈沖式掃描技術(shù)，脈沖式掃描技術(shù)與全站儀類似，其測(cè)距誤差具有隨著測(cè)距距離越長(zhǎng)誤差越大的特點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)閽呙璺绞?，還具有掃描角度越大的區(qū)域誤差越大。

根據(jù)對(duì)SZT-250設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行推算，為了滿足1：500地形成圖的高程與平面精度，我們航線設(shè)計(jì)原則為：飛行最高高度不大于100米，解算只保留正下方90度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以確保點(diǎn)云精度滿足1：500地形成圖要求。SZT-R250機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備最長(zhǎng)測(cè)程為250米，為保證作業(yè)精度我們?cè)O(shè)計(jì)離地最大航高為100米，為保障飛行安全，每高差落差100米需要選擇一個(gè)起飛點(diǎn)進(jìn)行飛行任務(wù)，在山區(qū)需選擇區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)作為起飛點(diǎn)。在參考原始文件測(cè)區(qū)內(nèi)施工方提供的1：2000地形圖，同時(shí)參考OpenCycle等高線地圖測(cè)區(qū)內(nèi)地形地貌起伏情況后，我們對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)高差起伏有了一個(gè)初步認(rèn)識(shí)。而此次機(jī)載雷達(dá)測(cè)量區(qū)域面積較小，地勢(shì)平緩，合計(jì)用2個(gè)架次完成原始點(diǎn)云采集工作。

二、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

通過對(duì)飛行設(shè)備上GPS模塊的GNSS數(shù)據(jù)，聯(lián)合基準(zhǔn)站靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。在Inertial Explorer中將GPS基站、GPS流動(dòng)站、IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行組合導(dǎo)航解算，得到航跡文件。首先需要計(jì)算GPS流動(dòng)站天線到IMU中心的偏心矢量，并在軟件設(shè)置（每一套硬件有一個(gè)固定參數(shù)，定期進(jìn)行檢校），如圖1所示;其次，為每一個(gè)GPS基站輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)，如圖2所示，輸入的坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系;最后，解算完成后，查看處理精度報(bào)告，包括姿態(tài)、位置精度、IMU處理狀態(tài)、姿態(tài)、位置分離等，確認(rèn)無誤后輸出航跡文件。

（1） WGS-84坐標(biāo)系點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成

在PointProcess軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理，加載激光原始數(shù)據(jù)RXP文件、以及航跡文件，設(shè)置系統(tǒng)檢校參數(shù)、坐標(biāo)變換矩陣（如圖4所示），可設(shè)置根據(jù)激光點(diǎn)反射率及距離進(jìn)行粗濾波來過濾噪點(diǎn)，我們?cè)诖隧?xiàng)目中為了確保點(diǎn)云精度，將掃描角度120度以外的角度進(jìn)行濾波。

SZT-R250設(shè)備集成的為Rigel品牌的掃描頭，其默認(rèn)的原始點(diǎn)云格式為RXP格式，通過PointProcess軟件將其轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云通用格式LAS。

（2） WGS-84坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換

通過已知點(diǎn)求取的四參/七參，使用PointProcess軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?？紤]到測(cè)區(qū)面積較小，我們這個(gè)項(xiàng)目中擬使用四參進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（3）點(diǎn)云完整性檢查

①點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū);②航帶之間是否有重疊（不小于13%），是否有漏洞;③航帶拼接誤差差是否滿足后期處理需求（一般控制在0.5m以內(nèi)，大于0.5m時(shí)，返回預(yù)處理重新解算）

（4）航帶拼接誤差檢查

①裁切原始航跡文件。原始航跡是飛機(jī)飛行一個(gè)架次或多個(gè)架次的飛行軌跡，包含了多個(gè)航帶，無人機(jī)激光雷達(dá)設(shè)備集成的是輕量化小型化慣導(dǎo)，在轉(zhuǎn)彎區(qū)域的誤差會(huì)比較大，我們將此區(qū)域數(shù)據(jù)裁切掉以保證數(shù)據(jù)整體精度準(zhǔn)確性。②匹配航跡線與點(diǎn)云。原始點(diǎn)云沒有航跡信息，所有航線的點(diǎn)云顏色都一樣，無法判斷是否有高差，需要匹配航跡線與點(diǎn)云，使用TerraScan中的算法Deduce line numbers使點(diǎn)云攜帶與航跡線相對(duì)應(yīng)的航跡信息。③檢查航帶拼接誤差。使用剖面工具，檢查兩兩航帶重疊區(qū)域的剖面是否完全重疊，如果不完全重疊，則視為有拼接誤差（包含平面差和高程差）。

（5）粗分類

調(diào)整高差后的LiDAR點(diǎn)云雖然經(jīng)過了一次粗分類，但重疊區(qū)域的存在多條航帶的點(diǎn)云，所以需要對(duì)工程數(shù)據(jù)重新進(jìn)行粗分類。①更改宏命令。在上面宏命令的基礎(chǔ)上添加By class（將所有層點(diǎn)云歸為一層）、Deduce linenumbers（匹配點(diǎn)云與航跡）Cut overlap（去除重疊帶）三個(gè)算法，并將單航帶運(yùn)行前面的勾選去掉，如果此項(xiàng)目沒有要求分類建筑物，可以將Buildings算法刪除。②批處理粗分類。在調(diào)整完拼接誤差的工程中運(yùn)行更改后的宏命令，初步將地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)分離。③抽析地面點(diǎn)。將抽析后的地面點(diǎn)制作DEM，結(jié)合影像原始POS，制作DOM快視圖，為細(xì)分類提供參考。

（6）細(xì)分類

自動(dòng)化算法分類有著局限性，在工程行業(yè)等領(lǐng)域粗分類無法滿足應(yīng)用需求，因此需要進(jìn)行精細(xì)化分類，在此項(xiàng)目中，我們只需要對(duì)地表進(jìn)行精細(xì)化分類即可。

在TerraSolid軟件中導(dǎo)入粗分類后的點(diǎn)云，通過剖面工具，每隔一米進(jìn)行剖面檢查，查看分類成果是否有錯(cuò)誤。如下圖，綠色為非地表，黃色為地表，白色點(diǎn)位未知類別。

結(jié)束語：抽水蓄能電站三維掃描測(cè)量技術(shù)研究的相關(guān)實(shí)際工作進(jìn)行了探討，從工作流程到數(shù)據(jù)處理均作出了詳細(xì)的研究，希望為相關(guān)從業(yè)者提供些許借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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