陳西強(qiáng)

（中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350003）

0 引言

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鐵路勘測、地形測繪、電力工程等眾多領(lǐng)域[1-4]，主要通過有人機(jī)進(jìn)行大范圍的地形地貌數(shù)據(jù)采集，同時(shí)獲取地表影像、激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)載GNSS 數(shù)據(jù)、IMU 慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，得到融合解算后的高精度軌跡數(shù)據(jù)。由此與機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算，得到具有三維空間信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過專業(yè)軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波和分類，得到最終的目標(biāo)三維數(shù)據(jù)。該方法能夠快速獲取大范圍的地表高程數(shù)據(jù)，效率高，精度好，能夠滿足1∶2000 及以下的地形圖測繪需求。但也存在前期準(zhǔn)備工作長、工序復(fù)雜，且設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)，對飛行平臺(tái)具有嚴(yán)格的技術(shù)要求。

近幾年隨著無人機(jī)技術(shù)的長足發(fā)展及激光雷達(dá)小型化、輕量化的出現(xiàn)，給無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)提供了良好的實(shí)踐機(jī)遇，本文通過無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程的應(yīng)用實(shí)踐，分析其在電力工程中所能達(dá)到的精度及應(yīng)用可行性，并結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)其應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)，為今后無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程的應(yīng)用提供借鑒意義。

1 無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)主要包括無人機(jī)飛行平臺(tái)和機(jī)載雷達(dá)荷載兩個(gè)部分，其中搭載激光雷達(dá)設(shè)備的無人機(jī)飛行平臺(tái)主流的有旋翼無人機(jī)和固定垂起復(fù)合翼無人機(jī)兩種，其續(xù)航時(shí)間、起飛重量一般有限，要求機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備在5kg 以內(nèi)。目前國內(nèi)所采用的大部分為短測程在400m 以內(nèi)和長測程為1000 至1500 之間的激光雷達(dá)，但長測程激光雷達(dá)設(shè)備較為昂貴，主要用于大范圍地形點(diǎn)云獲取的應(yīng)用場景，如山區(qū)長距離的輸電線路巡檢業(yè)務(wù)，而短測程激光雷達(dá)主要用于變電站、光伏等小范圍的地形測圖業(yè)務(wù)。

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用主要包括電力線路巡檢、電力線路設(shè)計(jì)與優(yōu)化、變電站站址小范圍測圖等，其生成流程包括項(xiàng)目準(zhǔn)備、無人機(jī)激光雷達(dá)飛行、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云解算及點(diǎn)云分類、質(zhì)量控制與精度檢核，生成DEM 數(shù)據(jù)并提交成果，其生成流程如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用流程

項(xiàng)目準(zhǔn)備階段包括航飛計(jì)劃的備案、飛行方案設(shè)計(jì)、人員與設(shè)備安排及測區(qū)踏勘，其中飛行方案設(shè)備根據(jù)測區(qū)范圍特點(diǎn)可布設(shè)為多邊形或者帶狀，飛行方式可采用常規(guī)飛行或交叉飛行。常規(guī)飛行模式主要用于線路兩側(cè)一定帶寬內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，在航高、重疊度控制下，點(diǎn)云密度能夠較好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而交叉飛行主要用于小范圍地形測圖及變電站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，較常規(guī)飛行其飛行時(shí)間相對長，點(diǎn)云密度高，且均勻性好。

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)飛行主要根據(jù)飛行方案，由無人機(jī)搭載激光雷達(dá)荷載進(jìn)行自動(dòng)巡航式飛行，其位置由高精度GNSS 及IMU 進(jìn)行控制，能夠快速獲取測區(qū)內(nèi)高密度的三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。

基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)飛行所獲得的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括飛行差分GNSS 數(shù)據(jù)處理，飛行軌跡POS 的解算，獲取高精度軌跡數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云解算及點(diǎn)云分類是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的核心處理過程，結(jié)合數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到的高精度飛行軌跡數(shù)據(jù)和機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過專業(yè)軟件進(jìn)行點(diǎn)云解算。解算成功后進(jìn)行點(diǎn)云去噪及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到相對干凈的具有絕對坐標(biāo)的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對點(diǎn)云進(jìn)行賦色。賦色可通過無人機(jī)自行拍攝的照片或獲取影像生成的DOM 進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行點(diǎn)云分類細(xì)化處理，采用自動(dòng)分類與人工分類相結(jié)合的方式將地面點(diǎn)、植被、房屋等感興趣的點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化分類處理，并輸出標(biāo)準(zhǔn)的LAS 格式。最后將輸出后的LAS 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Googlemapper 專業(yè)軟件中，生成所需要的DEM 數(shù)據(jù)。

質(zhì)量控制主要是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度、條帶拼接誤差、完整性進(jìn)行內(nèi)業(yè)質(zhì)量控制，同時(shí)通過野外RTK 所采集的地面特征點(diǎn)及裸露位置的地面高程點(diǎn)，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高程和平面精度的檢驗(yàn)。在滿足設(shè)計(jì)方案要求時(shí)，方可提交最終的DEM 供項(xiàng)目使用。

2 工程應(yīng)用分析

2.1 線路工程應(yīng)用分析

電力線路工程主要呈帶狀分布特征，且大部分在遠(yuǎn)離人口密集區(qū)域，植被相對茂密，采用無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以快速獲取線路走廊內(nèi)地表高程數(shù)據(jù)，相比常規(guī)無人機(jī)航測技術(shù)，能夠通過激光發(fā)散及回波穿透稀疏植被，滿足線路勘測設(shè)計(jì)要求。以某220kV 線路工程為例，采用D2000 四旋翼無人機(jī)搭載機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行線路設(shè)計(jì)走廊類帶寬為500m 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，航飛相對高度為150m，采用變高飛行模式，航線重疊度為45%，飛行后采用無人機(jī)管家智激光模塊進(jìn)行飛行軌跡融合機(jī)載激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)解算，去噪后得到高密度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 高密度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在此基礎(chǔ)上，通過智激光模塊進(jìn)行點(diǎn)云分類和人工去噪，最后生成線路平斷面圖所需的高精度數(shù)字高程模型DEM，如圖3 所示。

圖3 線路走廊內(nèi)的DEM 數(shù)據(jù)

通過野外RTK 對該區(qū)域內(nèi)裸露的平坦、有明顯特征的地物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將其與無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)所獲取得的DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，其高程較差對比分析如圖4所示，高程較差絕對值分布如圖5所示。

圖4 RTK 與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程較差

圖5 RTK 實(shí)測高程與機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程較差絕對值分布

根據(jù)1:2000 地形圖數(shù)字高程模型中誤差精度要求，即丘陵地區(qū)限差1m，山地限差2.4m，高山地限差3m。由圖4 圖5 可知該線路工程無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理所生成的DEM 數(shù)據(jù)與實(shí)測高程數(shù)據(jù)較差在1m 以內(nèi)的達(dá)到73%，2.4m-3m 之間的在18%，2.4m-3m 較差在3%，大于3m 較差的占3%，根據(jù)現(xiàn)場地形條件分布可知，滿足1∶2000數(shù)字高程模型精度要求的比例占94%，現(xiàn)場局部區(qū)域由于樹木茂密差值可達(dá)到7m，屬于缺乏地面點(diǎn)造成，針對此局部區(qū)域現(xiàn)場已加強(qiáng)野外數(shù)據(jù)校測工程。由此可知本次由機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理所生成的DEM 數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，滿足1∶2000 數(shù)字化地形測量高程精度要求，局部林木高密地區(qū)加強(qiáng)測量點(diǎn)校測。

2.2 變電工程應(yīng)用分析

變電站工程主要呈塊狀區(qū)域，具有范圍小、植被茂密等顯著特點(diǎn)，在勘測設(shè)計(jì)階段，主要為設(shè)計(jì)提供大比例尺地形圖，為變電站總平布置設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文以某變電站擴(kuò)建工程為例，采用無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)，飛行高度為150m，航線設(shè)計(jì)為交叉飛行，飛行時(shí)間為20 分鐘。飛行后采用無人機(jī)管家智激光模塊進(jìn)行飛行軌跡融合機(jī)載激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)解算，去噪后得到高密度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖6 所示，其密度高達(dá)36.560 個(gè)/m2，如圖7 所示。

圖6 某變電站高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖7 某變電站區(qū)域點(diǎn)云密度

經(jīng)過人工去噪與點(diǎn)云分類后，得到相對干凈的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并輸出生成DEM，通過野外RTK 數(shù)據(jù)采集對其進(jìn)行精度檢核比較，如圖8 所示，分析可知，地表裸露的地方其精度最小為0.004m，最大為0.136m，總體中誤差為0.059m，滿足1∶500 地形圖測圖高程限差的規(guī)范要求。

圖8 野外數(shù)據(jù)精度校核

3 結(jié)論

通過無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)獲取自然地表三維空間信息，為電力工程勘測提供了新的技術(shù)方案，能夠快速地得到設(shè)計(jì)所需要的DEM 數(shù)據(jù)，具有效率高、精度好、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力線路優(yōu)化選線、路徑排位、變電站站址測圖及電力三維數(shù)字化等。

在山區(qū)植被茂密區(qū)域，通過變高飛行，能夠快速獲取滿足1∶2000 數(shù)字化地形測量高程精度要求，但也存在部分茂密林區(qū)植被穿透有限，需要在野外定位過程中對局部林木高密地區(qū)加強(qiáng)測量點(diǎn)校測。

變電電站應(yīng)用過程中，通過合理飛行方案設(shè)計(jì)，采用交叉飛行，能夠提過點(diǎn)云密度及其均勻性，在地表植被稀疏區(qū)域，能夠滿足1∶500 地形圖高程測量要求。但在地形變化劇烈如陡坎等區(qū)域，存在誤差超限的情況。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)在測區(qū)均勻采集特征點(diǎn)，用于后期數(shù)據(jù)處理過程中的無人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)人工去噪提供實(shí)測依據(jù)。