肖維 劉毅 鐘平

1.湖南五凌電力科技有限公司 湖南 長沙 410029

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抽水蓄能是利用水的勢能差實(shí)現(xiàn)電能儲存和釋放的技術(shù)。是當(dāng)前世界上比較成熟、廣泛應(yīng)用的儲能技術(shù)之一。抽水蓄能電站能夠在電力系統(tǒng)過剩時(shí)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(tǒng)電力短缺時(shí)進(jìn)行水力發(fā)電。抽水蓄能電站是確保電力系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效途徑，它具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、儲能和應(yīng)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(guān)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(zhì)等因素，同時(shí)具有相應(yīng)的水資源條件。因此，一般抽水蓄能電站大多分布在山地區(qū)域。山區(qū)地勢較為險(xiǎn)要，植被茂密，設(shè)計(jì)和施工高度復(fù)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(xiàng)目區(qū)域的地形測繪成果，才能做好規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建造等階段的工作，促進(jìn)整個(gè)抽水蓄能項(xiàng)目的順利完成?，F(xiàn)有的常規(guī)的地形測繪通常采用全站儀，GNSS-RTK人工全野外測量進(jìn)行，作業(yè)周期較長，原始地形圖采集的數(shù)據(jù)密度偏低，不能完全反應(yīng)現(xiàn)場的實(shí)際地形，且山區(qū)地形復(fù)雜，作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高。若采用無人機(jī)航空攝影測量，則因無法拍攝到茂密植被下的地表，導(dǎo)致地形測繪的高程精度較差。為滿足抽水蓄能項(xiàng)目高速發(fā)展的需求，急需一種作業(yè)周期短、成果質(zhì)量高的新作業(yè)手段代替常規(guī)測繪方法。激光雷達(dá)技術(shù)（Light Laser Detection and Ranging，LiDAR）作為快速獲取高精度三維空間數(shù)據(jù)的主要技術(shù)手段，在數(shù)據(jù)采集效率、三維信息獲取能力等方面具有獨(dú)到優(yōu)勢，迅速在地形測繪、基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維等場景中受到追捧[2]。利用集成了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及激光掃描儀等傳感器設(shè)備的無人機(jī)LiDAR進(jìn)行原始地形測繪，可以克服傳統(tǒng)測量方法的不足，精確、高效、安全地獲取測繪4D產(chǎn)品、輸出設(shè)計(jì)和工程建設(shè)所需圖紙，從而在抽水蓄能項(xiàng)目土建工程達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化的作用。

1 無人機(jī)LIDAR地形測繪方法

1.1 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)

自激光測距技術(shù)出現(xiàn)以后，LiDAR技術(shù)逐步得到發(fā)展，它主要通過發(fā)射激光束來獲得目標(biāo)的位置、速度等信息。根據(jù)搭載平臺的區(qū)別激光雷達(dá)可分為車載、機(jī)載以及背包式等。機(jī)載LiDAR技術(shù)通常采用無人機(jī)作為飛行平臺，作為一種主動(dòng)式航空測量技術(shù)利用了無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。具有較高的距離、角度等分辨率，可獲取地面目標(biāo)的多種空間信息，且受天氣影響較小，在當(dāng)前地形測繪中得到了廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)LiDAR主要集成了激光掃描儀、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等傳感器設(shè)備。激光掃描儀由光源、發(fā)射器和接收器等部件組成，激光脈沖信號通過發(fā)射器發(fā)出經(jīng)過地面物體反射被接收器接收，根據(jù)信號傳播的速度和時(shí)間即可獲取發(fā)射器與反射地物之間的距離[3]。采集得到大量原始數(shù)據(jù)稱為點(diǎn)云，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)航跡解算、融合、去噪、濾波等處理步驟即可得到地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可為無人機(jī)飛行提供定位導(dǎo)航信息，采用差分技術(shù)其定位精度可達(dá)到厘米級。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可在無人機(jī)分型作業(yè)中獲取其瞬時(shí)航向角、俯仰角和橫滾角等姿態(tài)信息。多種傳感器高度集成與互補(bǔ)，可以準(zhǔn)確獲取每一個(gè)激光點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，確保數(shù)據(jù)采集的精度，在山區(qū)地形測繪中，相對于其他傳統(tǒng)手段有著很大的優(yōu)勢。無人機(jī)LiDAR地形圖測繪的數(shù)據(jù)采集和后期處理流程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)LIDAR地形測繪作業(yè)流程

1.2 無人機(jī)LIDAR地形測繪

無人機(jī)LiDAR地形測繪的作業(yè)流程主要包括外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集的主要步驟一般包括前期踏勘、航線設(shè)計(jì)、地面基站布設(shè)、航攝飛行及現(xiàn)場精度檢查等[4]。前期踏勘首先可通過衛(wèi)星影像或歷史地形圖信息掌握測區(qū)的大致地形情況，但由于實(shí)地情況會發(fā)生變化，故在項(xiàng)目實(shí)施之前還需進(jìn)行實(shí)地踏勘，以掌握測區(qū)詳細(xì)情況，為航線規(guī)劃提供更豐富的依據(jù)。測區(qū)踏勘時(shí)需要了解測區(qū)公路、鐵路、鄉(xiāng)村道路等分布及通行情況，以便為野外作業(yè)時(shí)后勤配備奠定基礎(chǔ)。了解測區(qū)作業(yè)難度，為后面的項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃，調(diào)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(yè)區(qū)域內(nèi)已有的控制點(diǎn)的分布情況。完成前期踏勘工作后，可開展航線設(shè)計(jì)，無人機(jī)LiDAR航線規(guī)劃時(shí)，首先根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算，然后將飛行參數(shù)和雷達(dá)參數(shù)分別設(shè)置到采集控制端中。此外還需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對理論計(jì)算的參數(shù)酌情調(diào)整，設(shè)計(jì)適合測區(qū)飛行的航線。在航攝飛行前，必要時(shí)須在測區(qū)已知控制點(diǎn)架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，為無人機(jī)的飛行提供差分定位服務(wù)。航攝飛行一般根據(jù)規(guī)劃好的航線自動(dòng)完成飛行和點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集[5]。為了檢查點(diǎn)云采集的精度，一般在測區(qū)現(xiàn)場均勻布設(shè)檢查點(diǎn)利用GNSS移動(dòng)站采集其坐標(biāo)。

在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，主要包括軌跡解算、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云濾波及4D產(chǎn)品生成。軌跡解算時(shí)基于GNSS基準(zhǔn)站和無人機(jī)搭載的GNSS接收機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等進(jìn)行無人機(jī)的位置姿態(tài)解算，利用得到的位姿數(shù)據(jù)與激光掃描儀所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合可轉(zhuǎn)換得到指定坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]。點(diǎn)云去噪是指對無人機(jī)LiDAR采集的原始點(diǎn)云中的粗差點(diǎn)從整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)中剔除，這些粗差點(diǎn)主要由目標(biāo)的物理特性、空氣環(huán)境中細(xì)微物質(zhì)及儀器誤差等因素導(dǎo)致。復(fù)雜山區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波常采用于不規(guī)則三角網(wǎng)加密濾波算法，通過將測區(qū)進(jìn)行規(guī)則格網(wǎng)的點(diǎn)云劃分，并選擇初始種子點(diǎn)構(gòu)建稀疏不規(guī)則三角網(wǎng)，進(jìn)而將滿足要求的點(diǎn)不斷加入網(wǎng)中進(jìn)行加密，設(shè)定閾值可將點(diǎn)分類為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)。對于獲取的地面點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即可根據(jù)相應(yīng)的算法進(jìn)行DEM、DOM及DLG等4D測繪產(chǎn)品生成。

2 抽水蓄能項(xiàng)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(diǎn)規(guī)劃項(xiàng)目。建成后對于構(gòu)建多元清潔的電力保障體系，推動(dòng)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(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段需要獲取區(qū)域地形數(shù)據(jù)，該區(qū)域?yàn)樯絽^(qū)地形，采用了無人機(jī)LiDAR技術(shù)展開地形測繪工作。機(jī)載平臺采用了華測導(dǎo)航BB4大黃蜂四旋翼無人機(jī)。如圖2(a)所示，該無人機(jī)是一款專門為搭載長測程高精度激光雷達(dá)測量系統(tǒng)定制的高端無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)備，具有科學(xué)美觀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高度集成化的生產(chǎn)工藝以及全自動(dòng)化的飛控系統(tǒng)。輕小便捷，螺旋槳、機(jī)臂可實(shí)現(xiàn)折疊展收，無需工具拆卸，快速部署，攜帶便利。動(dòng)力強(qiáng)勁，單架次續(xù)航時(shí)間達(dá)到50分鐘。激光雷達(dá)采用了AA-1300激光雷達(dá)系統(tǒng)。如圖2(b所示，該系統(tǒng)為針對應(yīng)急測繪、地籍和地形測量市場開發(fā)的一款高精度多平臺激光雷達(dá)產(chǎn)品，通過集成激光雷達(dá)掃描、影像、GNSS、高精度慣性導(dǎo)航等技術(shù)達(dá)到高精度地形數(shù)據(jù)采集的目的，測程可達(dá)到1845米，同時(shí)點(diǎn)云精度更高、密度更大，點(diǎn)云整體更清晰。

圖2 無人機(jī)LiDAR地形測繪設(shè)備

通過外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集獲取該抽水蓄能項(xiàng)目區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，采用相應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得地形測繪產(chǎn)品。如圖3(a)所示，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件抽稀后可以進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)覽，然后通過網(wǎng)格分塊對對點(diǎn)云進(jìn)行分塊轉(zhuǎn)換。完成分塊轉(zhuǎn)換后，為了得到點(diǎn)云中的地面點(diǎn)，可以對分塊點(diǎn)云進(jìn)行批濾波，可以使用濾波處理中的“孤立點(diǎn)濾波”、“低點(diǎn)濾波”以及“地面點(diǎn)濾波”等功能進(jìn)行調(diào)參，加入小段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便尋找合適的濾波參數(shù)。批濾波完成之后，由于存在地面點(diǎn)錯(cuò)分或漏分的情況，還需要對批濾波的結(jié)果進(jìn)行檢查和修改。當(dāng)所有塊的地面點(diǎn)被糾正完畢，即完成了點(diǎn)云類別的編輯工作，進(jìn)一步的可以得到精細(xì)分類后的地面點(diǎn)云如圖3(b)所示。通過點(diǎn)云生成DEM工具即可生成DEM產(chǎn)品如圖3(c)所示。在完成DEM的生成之后，為了輸出符合規(guī)范的DEM產(chǎn)品，往往需要進(jìn)行人工檢查和精細(xì)的編輯。最后可通過自動(dòng)提取高程點(diǎn)并選擇等高線間距自動(dòng)生成等高線如圖3(d)所示。為了保證測繪成果質(zhì)量，確保成果符合規(guī)范、圖式和設(shè)計(jì)書的各項(xiàng)要求，生成測繪產(chǎn)品之后對作業(yè)成果按《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》GB/T18316-2008等進(jìn)行檢查[8]。凡不符合要求的成果，需返回作業(yè)人員修改或返工。

圖3 木旺溪抽水蓄能項(xiàng)目無人機(jī)LiDAR地形測繪產(chǎn)品

3 結(jié)束語

本文針對抽水蓄能項(xiàng)目位于山區(qū)的特征，研究采用無人機(jī)LiDAR技術(shù)進(jìn)行地形測繪。在介紹無人機(jī)LiDAR技術(shù)原理及基本組成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了無人機(jī)LiDAR進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的主要流程。并結(jié)合具體的抽水蓄能項(xiàng)目展開了無人機(jī)LiDAR地形測繪的實(shí)際應(yīng)用?？蔀闊o人機(jī)LiDAR技術(shù)在抽水蓄能項(xiàng)目地形測繪中提供新的解決方案，具有一定的參考價(jià)值。