武偉強(qiáng)

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

引言

傳統(tǒng)抽水蓄能電站地形測(cè)量采用的是RTK 數(shù)據(jù)采集模式（基準(zhǔn)站+流動(dòng)站），該作業(yè)方法外業(yè)工作量大。 由于項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)通常地形陡峭、植被茂密，極大增加了測(cè)量人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。 白天測(cè)繪人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 晚上數(shù)據(jù)處理成圖， 容易導(dǎo)致地物、地貌繪制出錯(cuò)，往往需要內(nèi)業(yè)成圖完成后進(jìn)行野外檢查地物屬性及拓?fù)潢P(guān)系。 傳統(tǒng)測(cè)量模式周期長(zhǎng)、成本高，容易造成工期延遲，易受微地形影響， 容易對(duì)蓄水量計(jì)算和土石方計(jì)算造成較大誤差，影響工程建設(shè)。

為了提高抽水蓄能電站地形測(cè)量的工作效率， 保證地形測(cè)量精度以及外業(yè)測(cè)繪人員人身安全，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)主要由4 個(gè)部分組成，包括飛行平臺(tái)、激光雷達(dá)掃描儀、 定位與慣性測(cè)量單元以及控制單元[1]。 其中激光雷達(dá)傳感器和慣性測(cè)量單元（IMU）裝置是系統(tǒng)的核心部件，雷達(dá)傳感器是發(fā)射測(cè)量激光脈沖和接收激光脈沖遇到障礙物后所反射的回波，IMU 慣性測(cè)量裝置為確定任一瞬間系統(tǒng)在空間中的姿態(tài)，定位單元（GPS）為激光雷達(dá)系統(tǒng)提供精確的定時(shí)和定位數(shù)據(jù)， 數(shù)碼相機(jī)可獲得高分辨率的影像數(shù)據(jù)， 控制單元在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)為操作人員提供有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。

本文具體對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在抽水蓄能電站地形測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行論述， 詳細(xì)介紹機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的使用及數(shù)據(jù)處理， 分析測(cè)量成果的準(zhǔn)確性并總結(jié)該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)， 使該技術(shù)更好的服務(wù)于工程建設(shè)項(xiàng)目。

1 工程概況

本工程項(xiàng)目位于重慶市，電站初選裝機(jī)1200MW，安裝4 臺(tái)300MW 的立軸單級(jí)混流式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，屬一等大（Ⅰ）型工程。 樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開(kāi)關(guān)站、下水庫(kù)等組成。 全庫(kù)盆采用瀝青混凝土面板進(jìn)行防滲處理； 輸水發(fā)電系統(tǒng)位于上水庫(kù)和下水庫(kù)之間的山體內(nèi)，引水系統(tǒng)、尾水系統(tǒng)均采用兩洞四機(jī)布置， 總長(zhǎng)約2 024.43m；地下廠房位于輸水系統(tǒng)中部； 下水庫(kù)利用天然河道筑壩成庫(kù)。 該工程測(cè)量項(xiàng)目時(shí)間緊、任務(wù)重、要求高，對(duì)外業(yè)測(cè)量方法及儀器設(shè)備的選擇尤為重要，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)可以有效的完成抽水蓄能電站這類(lèi)復(fù)雜困難測(cè)繪任務(wù)[2]。

2 RTK 測(cè)量系統(tǒng)和機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 RTK 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用特點(diǎn)

RTK 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成主要包括基站（GNSS 接收機(jī)、發(fā)射電臺(tái)、發(fā)射天線等）和流動(dòng)站（GNSS 接收機(jī)、對(duì)中桿）。 通過(guò)在已知控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，再通過(guò)電纜線將GNSS 接收機(jī)與發(fā)射電臺(tái)連接，從而發(fā)射無(wú)線電信號(hào)。 流動(dòng)站通過(guò)接收基站無(wú)線電信號(hào)，達(dá)到固定解進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于傳統(tǒng)RTK 測(cè)量容易受到無(wú)線電信號(hào)等各種干擾因素影響， 為了保證測(cè)量精度,需要加密碎布點(diǎn)采集。

2.2 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用特點(diǎn)

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)將傳統(tǒng)RTK 的各種設(shè)備集成組裝， 將激光雷達(dá)系統(tǒng)、GPS 接收機(jī)、IMU慣性測(cè)量裝置、數(shù)碼相機(jī)、控制系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)設(shè)備等集中裝配后連接計(jì)算機(jī)。 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)具有精度高、速度快、成果豐富等優(yōu)點(diǎn)[3]。 該測(cè)量設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位， 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)解算達(dá)到固定解， 無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)測(cè)量真正實(shí)現(xiàn)測(cè)量全自動(dòng)化。 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)比RTK 模式數(shù)據(jù)可視化程度更高，模型更直觀。 在今后抽水蓄能電站建設(shè)項(xiàng)目中使用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)已是大趨勢(shì)。

機(jī)載激光雷達(dá)以脈沖激光作為技術(shù)手段，以激光束掃描的工作方式測(cè)量從傳感器導(dǎo)地面上激光照射點(diǎn)的距離， 即通過(guò)測(cè)量地面采樣點(diǎn)激光回波脈沖相對(duì)于發(fā)射激光主波之間的時(shí)間延遲得到傳感器到地面采樣點(diǎn)之間的距離[3]。 第一個(gè)回波信號(hào)被認(rèn)為是從目標(biāo)的較高部分反射， 最后一個(gè)回波則認(rèn)為是從較低處反射而得到[4]。 該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以根據(jù)不同項(xiàng)目需求，生成提取不同密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 從而生成各種比例尺地形圖，滿(mǎn)足工程項(xiàng)目建設(shè)需求。

3 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在抽水蓄能電站地形測(cè)量中的應(yīng)用

本次測(cè)量采用100%外業(yè)檢查模式進(jìn)行，即通過(guò)傳統(tǒng)RTK 數(shù)據(jù)采集成圖與機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量成圖同時(shí)進(jìn)行。 兩者各自成圖對(duì)地形圖精度進(jìn)行對(duì)比分析，來(lái)驗(yàn)證機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)在林地、草地、旱地、灌木從、道路等不同植被影響下高程精度情況，從而更好服務(wù)于類(lèi)似工程建設(shè)項(xiàng)目。

該項(xiàng)目本次的測(cè)量任務(wù)為測(cè)量上庫(kù)區(qū)域范圍內(nèi)的地形圖，測(cè)量比例尺為1:500，等高距為1m。 精確測(cè)量上庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)的農(nóng)田邊界及類(lèi)型、 林地范圍、草地范圍、房屋、圍墻、道路、電力設(shè)備、通訊設(shè)施等平面位置及高程，并在地形圖中標(biāo)注。

3.1 儀器設(shè)備及所用軟件

項(xiàng)目中使用的儀器設(shè)備有華測(cè)GNSS 接收機(jī)、大疆無(wú)人機(jī)、激光雷達(dá)探頭、控制器等，使用的數(shù)據(jù)處理軟件有南方CASS7.0 成圖軟件、Terrasolid數(shù)據(jù)后處理軟件、Terraphoto 數(shù)據(jù)后處理軟件和POSPAC MMS 定位數(shù)據(jù)后處理軟件。

3.2 測(cè)前準(zhǔn)備及校驗(yàn)飛行

（1）測(cè)前準(zhǔn)備

根據(jù)《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CHT 8024-2011）[5]，在地形測(cè)量前，需要對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行全面檢查、測(cè)試和校準(zhǔn)（包括定位GPS、無(wú)人機(jī)、激光雷達(dá)、控制器等）。

（2）校驗(yàn)飛行

機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備每次拆卸安裝， 或設(shè)備各部件相對(duì)關(guān)系發(fā)生改變后， 均應(yīng)重新進(jìn)行校驗(yàn)飛行。

3.3 航線敷設(shè)、劃分分區(qū)、航高保持以及補(bǔ)側(cè)

根據(jù)《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》（CHT 8024-2011）[5]及機(jī)載激光雷達(dá)性能和該抽水蓄能電站工程項(xiàng)目特點(diǎn)，本次測(cè)量航線布設(shè)原則如下：

a）航線敷設(shè)和劃分分區(qū)時(shí)，應(yīng)根據(jù)IMU 誤差積累的指標(biāo)確定每條航線的直線飛行時(shí)間[5]；

b）飛行高度的確定應(yīng)綜合考慮點(diǎn)云的密度和精度要求、激光有效距離及飛行安全的要求[5]；

c）航線旁向重疊應(yīng)達(dá)到20%，最小為13%，航向起始和結(jié)束應(yīng)超出半幅圖幅范圍[5]；

d）為了保證測(cè)量精度，每個(gè)測(cè)區(qū)應(yīng)至少設(shè)計(jì)1條構(gòu)架航線；

e）對(duì)不滿(mǎn)足測(cè)量要求的及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

3.4 控制點(diǎn)采集、雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)

（1）控制點(diǎn)采集

根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)及工作計(jì)劃， 在上庫(kù)區(qū)的水泥地面、屋前平地、山頂開(kāi)闊處、旱地旁等適合做平高控制點(diǎn)的地方共布設(shè)16 個(gè)控制點(diǎn)， 采用RTK 控制點(diǎn)采集方法測(cè)量其坐標(biāo)和高程， 每個(gè)控制點(diǎn)采用地形點(diǎn)測(cè)量方法測(cè)3 測(cè)回， 每測(cè)回測(cè)3次，測(cè)回結(jié)束時(shí)關(guān)閉接收機(jī)，重新啟動(dòng)接受機(jī)進(jìn)行下一測(cè)回?cái)?shù)據(jù)采集。 并對(duì)照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，檢查控制點(diǎn)分布的合理性[5]。 數(shù)據(jù)采集完成，內(nèi)業(yè)進(jìn)行平差處理，最終求得控制點(diǎn)坐標(biāo)及高程。

（2）數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

按要求導(dǎo)入航攝測(cè)線至無(wú)人機(jī)控制器， 按要求選擇合適起飛場(chǎng)地（為了保證無(wú)人機(jī)安全，選擇場(chǎng)地非常重要）。 現(xiàn)場(chǎng)檢查儀器設(shè)置參數(shù)無(wú)誤，設(shè)備狀態(tài)正常即可起飛。 無(wú)人機(jī)操作人員可通過(guò)控制器實(shí)時(shí)查看無(wú)人機(jī)狀態(tài)以及雷達(dá)工作情況，測(cè)量中保證無(wú)人機(jī)始終沿著布設(shè)航線勻速行駛，技術(shù)人員及時(shí)查看無(wú)人機(jī)電池電量， 保證數(shù)據(jù)正常記錄， 電量不足時(shí)要及時(shí)返航， 所測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)備份，防止數(shù)據(jù)丟失。 該項(xiàng)目外業(yè)飛行時(shí)間僅1 天即完成上庫(kù)區(qū)所有飛行任務(wù)。 傳統(tǒng)RTK 人工采集模式共分4 組，受植被茂密信號(hào)遮擋影響，外業(yè)工作15 天完成。

3.5 數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行處理和備份 （含雷達(dá)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)），然后采用Pospac 軟件將采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)、IMU 數(shù)據(jù)、GNSS 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算。 基于不規(guī)則三角網(wǎng)原理， 首先導(dǎo)入地面平高控制點(diǎn)進(jìn)行平差糾正，用Terrasolid 軟件濾波通過(guò)設(shè)定參數(shù)閥值進(jìn)行濾波，濾波分離地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，采用雷達(dá)的首次回波生成地表模型， 采用雷達(dá)數(shù)據(jù)的末次回波即可過(guò)濾掉高于地面的物體， 生成地面模型。根據(jù)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地物繪制。數(shù)據(jù)處理完成后導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即碎布點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和地物圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置， 導(dǎo)入南方CASS，按照要求進(jìn)行等高線繪制。 等高線的勾繪必須合理，房屋注記、道路注記、等高線注記等須符合規(guī)范要求。 碎部點(diǎn)的密度以能準(zhǔn)確勾繪等高線、真實(shí)地表達(dá)地形特征為原則。

4 結(jié)果與討論

4.1 成圖比較

為檢測(cè)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量精度， 隨機(jī)選取部分區(qū)域地形進(jìn)行機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等高線（圖1）與RTK 測(cè)量高程點(diǎn)繪制等高線（圖2）成圖進(jìn)行對(duì)比分析，兩圖等高線走向及分布一致， 地形吻合。 機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布均勻， 圖面整齊， 這說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)不易受微地形影響。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)掃描地形

圖2 RTK 測(cè)量地形

4.2 精度統(tǒng)計(jì)分析

4.2.1 同精度檢測(cè)

同精度檢測(cè)中誤差由RTK 測(cè)量高程和機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量（下表簡(jiǎn)稱(chēng)雷達(dá)）高程較差計(jì)算，從120對(duì)檢核點(diǎn)中隨機(jī)選取10 對(duì)高程點(diǎn)進(jìn)行中誤差計(jì)算，進(jìn)行精度分析，詳見(jiàn)表1。

表1 RTK 與雷達(dá)高程中誤差統(tǒng)計(jì)表 單位m

由同精度中誤差計(jì)算求得本次高程測(cè)量中誤差為0.124m,精度結(jié)果優(yōu)于《機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法》[8]允許誤差值，滿(mǎn)足要求。

4.2.2 高精度檢測(cè)

該項(xiàng)目涉及庫(kù)容計(jì)算，水位差計(jì)算，對(duì)高程控制嚴(yán)格。 為了更加準(zhǔn)確分析機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量成果質(zhì)量，同時(shí)采用高精度檢測(cè)進(jìn)行比較分析。 根據(jù)《數(shù)字線劃圖（DLG）質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》[6]規(guī)定，高程檢測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)分布均勻， 避免選擇高程急劇變化處。抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)用于本次成果分析。 根據(jù)《機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法》[7]，檢查點(diǎn)應(yīng)分布均勻、位置明顯，高山地點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程中誤差為0.50m。

通過(guò)提取傳統(tǒng)RTK 采集數(shù)據(jù)與機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，本次測(cè)量共檢查120 對(duì)數(shù)據(jù)，樣本分布及高程差值比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表2 和表3。

表2 不同地貌類(lèi)型樣本分布情況 樣本單位： 個(gè)

表3 RTK 高程和雷達(dá)高程差值范圍比對(duì)統(tǒng)計(jì)表 樣本單位： 個(gè)

高程中誤差計(jì)算公式為：

公式中：ZRMSE—高程中誤差，單位為m；Zi—第i 個(gè)比對(duì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)高程數(shù)據(jù)；n—檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)，單位為個(gè)；Z^i—第i 個(gè)檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程。

當(dāng)高程對(duì)比不符要求點(diǎn)的數(shù)量超過(guò)參加比對(duì)總點(diǎn)數(shù)的15%時(shí)， 應(yīng)綜合分析超限原因， 合理處置，必要時(shí)應(yīng)重測(cè)驗(yàn)證。 該抽水蓄能電站屬于高山地類(lèi)別，按照高山地測(cè)量精度要求，計(jì)算求得該項(xiàng)目高程中誤差為0.1767m，優(yōu)于《機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法》[6]要求。

4.3 效率對(duì)比分析

由于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)工作簡(jiǎn)單，需內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成三維坐標(biāo)， 本次內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用時(shí)5 天，外業(yè)用時(shí)1 天。傳統(tǒng)RTK 模式數(shù)據(jù)采集在野外即可采集三維坐標(biāo)， 內(nèi)業(yè)只需導(dǎo)出利用成圖即可，本次內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用時(shí)3 天，外業(yè)用時(shí)15 天。 通過(guò)作業(yè)時(shí)間分析得出機(jī)載激光雷達(dá)在作業(yè)速度上有顯著優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

抽水蓄能電站項(xiàng)目一般選址環(huán)境比較惡劣，這就對(duì)測(cè)量?jī)x器設(shè)備有非常高的要求來(lái)滿(mǎn)足項(xiàng)目需求。在傳統(tǒng)測(cè)繪工作模式下，使用RTK 采集的數(shù)據(jù)高程點(diǎn)數(shù)量有限，且分布不均勻，易受微地形影響，同時(shí)野外工作效率低，極大增加了測(cè)繪人員的體力勞動(dòng)以及作業(yè)人員的危險(xiǎn)性。 通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)成圖可有效避免傳統(tǒng)測(cè)繪帶來(lái)的弊端，同時(shí)可保證測(cè)量精度，可以根據(jù)繪圖比例尺生成不同密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 比傳統(tǒng)RTK 采集模式節(jié)約三分之二的時(shí)間。 該項(xiàng)目使用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)大大提高了工作效率和測(cè)量精度， 極大降低了測(cè)繪人員野外作業(yè)的危險(xiǎn)性。

通過(guò)本次機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)在該抽水蓄能電站項(xiàng)目中的應(yīng)用， 經(jīng)比對(duì)綜合分析得出機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)具有精度可靠、性能穩(wěn)定、可根據(jù)不同比例尺生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。 可實(shí)時(shí)進(jìn)行姿態(tài)改正， 克服了因環(huán)境復(fù)雜無(wú)法保證測(cè)量精度的問(wèn)題， 大大提高了工作效率， 有效保證工程建設(shè)進(jìn)度。 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可對(duì)復(fù)雜的地形地貌進(jìn)行詳細(xì)化展示， 生成可視化三維模型，直觀反映項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的地形情況。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多誤差參與改正，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)將在越來(lái)越多的工程建設(shè)項(xiàng)目中發(fā)揮作用。