轻型机载LiDAR技术在高山风电工程勘测中的应用

骆斌 程铁洪 黄磊

【摘  要】机载LiDAR设备的小型化、搭载平台多样化促使了轻型机载LiDAR的发展。高山风电工程勘测需要新的技术为其提供数据基础，本文从轻型机载LiDAR应用的角度，探索该技术在高山风电工程勘测中的应用。

【关键词】高山风电工程;勘测;轻型机载LiDAR

引言

江西地区高山风电的发展势头良好，如何为电力工程建设提供准确可靠的地形图是电力勘测人孜孜不倦的探求。江西地区高山风电测图面临着植被发育良好，严重影响GPS及传统光学设备作业;局部地形陡峭险峻，难以实施测量;交通不便，严重影响项目进度等问题。轻型机载设备的灵活机动性、LiDAR设备的高精度、POS系统的稳定可靠性和光学相机提供的丰富光谱信息组成的轻型机载LiDAR技术为高山风电工程勘测提供了新的解决方案。通过工程实践的分析，采用轻型机载LiDAR技术缩短了勘测作业周期，减少了工程投入，为设计专业提供了可靠的高精度图纸、数据。

1.技术原理及生产流程

机载LiDAR（Light Detection and Ranging）是激光探测及测距系统的简称。机载LiDAR测量系统是一种主动式航空遥感装置，是集激光测距、GPS、IMU和数码相机等设备于一体的空间测量系统，其中主动传感系统（激光扫描仪）利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离和反射率等信息，而被动光电成像技术可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标。图1.1展示的是机载LiDAR技术的工作原理图，而轻型机载LiDAR技术是LiDAR设备搭载平台的小型化、轻型化的成果。

轻型机载LiDAR航测作业的生产环节，主要包括航飞权申请和航摄准备、航空摄影、数据处理、数字产品制作等环节。

2.生产应用

轻型机载LiDAR作为原始数据的获取平台，自我院首次应用该技术测制江西新干县某风电场工程地形图以来已在其他近20余个高山风电场项目中应用该技术完成风场地形图的测绘，并完成了数据精度和可靠性的验证工作。本文以江西崇义县某风电场和永丰县某风电场两个高山风电场为代表论述轻型机载LiDAR的精度和可靠性情况，精度对比采用工测测量成果与轻型机载LiDAR测制的图纸进行高程对比：

江西崇义县某风电场检测对比：该风电场统计检查点204个，有5个超限点，其中3个异常点。高程较差分为：0-0.5米134个，66%;0.5-1米43个，21%;1-2米22个，11%;3-4米2个，1%;异常点3个，1%。1米以内87%，2米以内98%。图2.1为该工程检测点高差分布图。

江西永丰县某风电场检测对比：该风电工程统计检查点54个，高程较差分为：0-0.5米28个，52%;0.5-1米13个，24%;1-2米8个，15%;2米以上5个，9%。1米以内77%，2米以内91%。图2.2为该工程检测点高差分布图。

从风场检测对比结果来看，采用轻型机载LiDAR测制的地形图基本满足CH/T 8023和CH/T 8024规范要求，但施工单位反应高程精度差异较大的问题经过核实也确实存在。

3.存在的问题

通过图纸质量检测和施工单位复测反馈的信息，采用轻型机载LiDAR测制的地形图也反映出了技术问题。

江西永丰县风电场反映出：（1）该风场大面积测区为林场，主要树种为杉树，高度在12米左右，根据施工单位反馈的信息设计道路路径上有冲沟在图纸上未明显表现出来;（2）该风场局部有直立的孤石，高差约24米，图上用等高线未能有效地表示出地形情况;

江西崇义县风电场反映出：高程误差超限，进场道路从K0+200m至K4+0这一段内多处高程误差超过6米。

测图项目中反馈的核心问题是地形图的高程误差超过规范要求，通过现场检测和内业数据对比分析：图纸高程误差较大的区域都是植被茂密或光线难以穿透的植被覆盖区，这也是LiDAR技术应用推广的瓶颈。在永丰县风电场中采用了不同设备多架次获取LiDAR点云，从而增加数据获取的概率，图3.1和图3.2分别为LiDAR点云未穿透植被和穿透植被的剖面圖（图中小方框为实测高程数据，离散点为LiDAR点云数据）。同时，图3.1是采用Riegl VUX-1第一次获取的点云数据剖面，图3.2是采用Riegl 480I加密飞行叠加后的点云数据剖面。

对比可知：（1）不同的LiDAR设备穿透性有一定的差异;（2）多架次加密飞行增加了数据获取的概率。

4.拟解决方案

通过在风电工程采用轻型机载LiDAR辅助勘测的经验分析，将该技术难点分为两大类：

（1）内业成图相关问题，表现为等高线与高程注记点不匹配、等高线过度平滑等。通过人工编辑对局部异常区域进行整饰可以有效解决这类问题，同时在人工整饰地形图时可以校核图纸是否存在局部异常的情况。

（2）与数据获取相关的问题，表现为采用工程测量的方式检测机载LiDAR测制的图纸时，统计结果存在平面及高程精度不满足规范要求的情况。

在我院已完成的应用项目中采用过Riegl VUX-1和Riegl 480I等多种LiDAR设备，各种设备适用性有所不同，但点云密度一般在2～10点/ m2，由此可见点的密度是足够的。但从不同设备获取同一个工程的LiDAR点云数据的“穿透性”来看是有差异的，因此LiDAR设备的选型很重要。

对点云数据进行分类，将其分为地面点、植被层、地物点等类别，绘制的等高线图是以地面点为基础数据，因此点云的分类至关重要，如果将非地面点归为地面点将直接影响等高线图的精度，而分类的原始点云数据如果非地面点的话，那么分类的结果必然存在错误。机载LiDAR可有效的“穿透”一定的植被覆盖层，这种“穿透”是以有光线透射为基本条件，而对郁闭度大的局部区域还是一项技术瓶颈。从已完成的高山风电场的场区分布来看，风机基本上建设在山脊、山梁附近，但大部分进场道路修建在植被发育良好的山体边坡上。根据在建的风电场工程反馈的情况，机载LiDAR测制的地形图高程精度超限，而且总体上为图纸高程较实地高，反馈的区域基本上都是在植被茂密的边坡上，通过技术分析、现场检查得出的结论是激光点未能穿透植被覆盖层。

针对这些问题初步提出了两个解决思路：

第一，在数据获取阶段：选择适宜的LiDAR设备;采用交叉飞行和多架次加密飞行获取原始点云数据等提高数据获取的概率;

第二，在数据处理阶段：结合光学影像立体像对调绘树高，修正非地面点数据;探索其他分类技术，提高分类数据的准确性。

但LiDAR获取的点云数据存在不确定性，以上思路能否解决问题有待进一步试验、研究。

5.结论

根据以上的论述、分析，可以得出以下结论：

（1）轻型机载LiDAR技术适合于山区、高山区大面积测图项目，采用机载LiDAR测图可以缩短作业周期、降低成本投入、减少人力资源的投入，测区面积越大优势越明显。

（2）图纸精度整体较好，通过对比已完成的测图项目和架空线路项目检测数据或终勘作业数据，在植被覆盖稀疏的区域轻型机载LiDAR测图成果满足《工程测量规范》GB 50026-2007和相关电力规范的要求。但植被覆盖度大、郁闭度高的区域，机载LiDAR还是存在一定的技术瓶颈。

参考文献

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