LIDAR技術(shù)可獲取各種地表數(shù)據(jù)。它發(fā)射的激光能穿透地面的植被,在剔除地面植被和地物的數(shù)據(jù)后,就可以生成地表的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)。利用DEM數(shù)據(jù)及通過(guò)差分GPS和INS得到的航空數(shù)碼影像的外方位元素,對(duì)航空數(shù)碼影像進(jìn)行正射糾正,可以生成正射影像圖。還可以對(duì)地面的地物、道路、植被等信息進(jìn)行分類提取。LIDAR技術(shù)測(cè)量只需要做少量的地面控制點(diǎn)和少量的外業(yè)調(diào)繪工作。LIDAR技術(shù)不需要做航測(cè)外控點(diǎn)測(cè)量,只需在利用LIDAR技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí),在地面做少量的基站。LIDAR技術(shù)能獲取地物、植被的數(shù)據(jù),還可以直接提取所需要的交叉跨越(道路、河流、電力線、通信線等)、房屋、獨(dú)立地物等信息。LIDAR技術(shù)具有如下特點(diǎn):
(1)主動(dòng)式遙感系統(tǒng):它由機(jī)載激光掃描儀發(fā)射激光,接收地面反射回來(lái)的激光。激光脈沖信號(hào)能部分穿透植被,可以同時(shí)獲取地面和地物數(shù)據(jù)。
?。?)高效率:LIDAR技術(shù)采集高程點(diǎn)的密度大,能夠迅速采集大量的高程數(shù)據(jù)。LIDAR數(shù)據(jù)后處理工作可以自動(dòng)或半自動(dòng)將LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)。
?。?)高精度:激光脈沖不易受陰影、太陽(yáng)光角度的影響,高程精度不受航高的限制,它的平面精度可以達(dá)到亞米級(jí),高程精度可以達(dá)到10 cm左右。
?。?)采集的信息豐富:LIDAR技術(shù)可以獲得地面和地物三維坐標(biāo),通過(guò)濾波處理,可以得到我們想要的地面、地物、植被的數(shù)據(jù)。
1 傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用
在傳統(tǒng)電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中,多采取工程測(cè)量和航空攝影測(cè)量的方法進(jìn)行。工程測(cè)量方法測(cè)量的地面信息精度高,但外業(yè)工作量大,測(cè)量的工期長(zhǎng),而且不利于勘測(cè)設(shè)計(jì)的一體化與優(yōu)化設(shè)計(jì)。而利用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量進(jìn)行電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì),不僅需要進(jìn)行大量的GPS外控點(diǎn)測(cè)量,還需要進(jìn)行大量的野外調(diào)繪工作,航測(cè)的內(nèi)業(yè)時(shí)間長(zhǎng),勘測(cè)設(shè)計(jì)的成本很高,工期偏長(zhǎng)。而且傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量在測(cè)量植被厚的隱秘地區(qū)時(shí),測(cè)量的高程精度很低,影響電氣專業(yè)人員準(zhǔn)確排桿;傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量方法也不能生成準(zhǔn)確的塔基斷面圖。所以,采用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì),獲得的勘測(cè)成品精度較低,內(nèi)、外業(yè)工作量大,勘測(cè)設(shè)計(jì)工期長(zhǎng),不利于勘測(cè)設(shè)計(jì)優(yōu)化,不利于降低工程投資。
2 LIDAR技術(shù)應(yīng)用方法及流程探討
利用LIDAR技術(shù)進(jìn)行電力線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)具有很大的優(yōu)越性。LIDAR技術(shù)只要做少量的GPS控制點(diǎn)和少量的調(diào)繪工作,縮短了勘測(cè)設(shè)計(jì)的工期,減少了勘測(cè)設(shè)計(jì)的成本。LIDAR技術(shù)的激光能穿透植被,得到地面數(shù)據(jù),這樣就能進(jìn)行隱秘地帶的測(cè)量。對(duì)LIDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,可生成正射影像圖,進(jìn)而生成帶電力線路路徑的三維數(shù)字地面模型圖,可以方便在上面進(jìn)行線路路徑選擇。確定了線路路徑后,可以生成線路平斷面圖,再生成塔基斷面圖,便可進(jìn)行一次性勘測(cè)設(shè)計(jì),能讓勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化,大大地縮短了勘測(cè)設(shè)計(jì)的周期,減少了勘測(cè)設(shè)計(jì)成本,并且能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),節(jié)省工程投資。
(1)LIDAR技術(shù)外業(yè)航飛。
首先做基站點(diǎn),基站點(diǎn)要分布合理,保證航飛時(shí)飛機(jī)30km內(nèi)至少有一個(gè)基站?;拘枰x在開(kāi)闊、交通便利的地方,沒(méi)有樹(shù)木、房屋等擋住衛(wèi)星信號(hào),周圍無(wú)電子干擾源,不能有大片水面或其他反射面。基站最好事先進(jìn)行高程、坐標(biāo)的聯(lián)系測(cè)量,便于以后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行外業(yè)測(cè)量的時(shí)候,應(yīng)注意航帶是要有一定的重疊度,要注意LIDAR系統(tǒng)的以下參數(shù)的選用如激光波長(zhǎng)、最大重復(fù)脈沖頻率、脈沖回波?錄模式、功率、光斑尺寸、掃描角、掃描模式等。
(2)LIDAR數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理。
先進(jìn)行異常點(diǎn)的剔除,在LIDAR數(shù)據(jù)中有些數(shù)據(jù)明顯不合理,要將它剔除,例如:經(jīng)過(guò)多重反射回來(lái)的數(shù)據(jù)、空中飛行物反射的數(shù)據(jù)等。再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,GPS接收、解算的均是WGS84坐標(biāo),而我們常用的一般為1954北京坐標(biāo),要將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成1954北京坐標(biāo),一般要聯(lián)測(cè)3個(gè)以上的54坐標(biāo)控制點(diǎn),進(jìn)行七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。高程系統(tǒng)一般與平面坐標(biāo)同時(shí)處理,將大地高轉(zhuǎn)換成正高。再進(jìn)行航帶合并,進(jìn)行航飛時(shí)經(jīng)常有多條航帶,這些航帶必須有(10%~20%)的重疊度,要將不同航帶的LIDAR原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合并,按一定的順序合并成一個(gè)整體。
內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理最重要的步驟是LIDAR數(shù)據(jù)的濾波。目前可采用芬蘭公司的TerraSolid商業(yè)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)LIDAR數(shù)據(jù)的濾波,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和提取。TerraSolid在MicroStation平臺(tái)上運(yùn)行,利用瑞典Axelsson等人提出的分類和提取算法,包括TerraScan(用于數(shù)據(jù)分類提?。?、TerraModeler(用于生成和處理各種面)、TerraPhoto(用于處理原始影像)等多個(gè)模塊。此軟件是目前比較成熟的LIDAR數(shù)據(jù)處理軟件,但對(duì)復(fù)雜建筑,還需要人工手動(dòng)處理。此軟件可以進(jìn)行機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)的濾波,將地面數(shù)據(jù)和地物數(shù)據(jù)進(jìn)行分層,再將機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫拼接(在這里要消除航帶間的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差),生成DEM數(shù)據(jù),并將DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分層或合并輸出。接著進(jìn)行正射影像圖和三維立體模型數(shù)據(jù)的生成,將已有的電力線數(shù)據(jù)、協(xié)議區(qū)數(shù)據(jù)、與電力線路路徑有關(guān)的擬建、在建項(xiàng)目等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入,一起生成正射影像圖和三維立體模型數(shù)據(jù)。
?。?)電力線路路徑優(yōu)化。
以線路電氣專業(yè)人員為主,在結(jié)構(gòu)、測(cè)量、地質(zhì)、水文等專業(yè)人員的配合下,進(jìn)行電力線路的路徑選擇和優(yōu)化。在LIDAR數(shù)據(jù)生成的正射影像圖和三維立體模型圖中,設(shè)計(jì)人員可以在圖上看到全局的真實(shí)情況,能很容易地避開(kāi)不利的因素,得到合理的線路路徑。由于LIDAR技術(shù)能對(duì)隱秘地帶進(jìn)行測(cè)量,能比較準(zhǔn)確地獲得每個(gè)塔位的位置和高程,設(shè)計(jì)人員在選擇路徑時(shí),可考慮塔位的具體情況,在設(shè)計(jì)時(shí)能做到線中有位、線位結(jié)合,能得到最優(yōu)的線路路徑。
?。?)確定線路桿塔位置。
在線路的路徑基本確定以后,就可以生成線路的平斷面圖,也可以生成風(fēng)偏點(diǎn)。美國(guó)的海拉瓦平臺(tái)和我國(guó)的適普軟件能較好地做到這些功能。由于LIDAR技術(shù)能穿透植被,建立的地面、地物高程模型比較準(zhǔn)確,生成的平斷面圖也比較準(zhǔn)確,線路設(shè)計(jì)人員可準(zhǔn)確地確定桿塔位置。
?。?)生成塔基斷面圖及三維立體模型。
在桿塔位置確定以后,可以生成較準(zhǔn)確的塔基斷面圖。設(shè)計(jì)人員可以檢查每一個(gè)塔位的地理情況,如果不合適,還可以進(jìn)行塔位的調(diào)整。如果找不到合適的塔位,還可以將線路路徑進(jìn)行調(diào)整。接著可制作帶塔位的線路路徑三維立體模型。
?。?)外業(yè)定位放樣。
確定了線路路徑、桿塔位置以后,就可以利用RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))GPS進(jìn)行外業(yè)定位放樣。此階段,要注意檢核危險(xiǎn)斷面點(diǎn)、高等級(jí)電力線、通訊線、重要跨越、隱秘地帶的高程、塔基斷面等,如,有出入的地方,要及?r改正,并反饋給設(shè)計(jì)人員。
3 應(yīng)用實(shí)例
在某500 kV線路工程中,應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化選線,取得了預(yù)期的效果,與初設(shè)相比,縮短了線路長(zhǎng)度1 km,減少了交叉跨越3處,減少了占用森林、農(nóng)田面積56畝,減少了房屋的拆遷4000 m2,節(jié)約了工程投資555萬(wàn)元,切實(shí)達(dá)到了線路路徑優(yōu)化的目的。
4 LIDAR技術(shù)的誤差分析
進(jìn)行了LIDAR系統(tǒng)的完善校正以后,機(jī)載LIDAR的定位精度是由GPS的定位精度、姿態(tài)測(cè)量裝置的量測(cè)精度、激光測(cè)距儀的測(cè)距精度和掃描角的測(cè)量精度決定的。系統(tǒng)中任何一種傳感器精度的降低,都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)定位精度的下降。誤差公式如下。
在飛行高度小于600 m、地面坡度小于30°的情況下,INS的姿態(tài)測(cè)量精度對(duì)測(cè)距誤差的貢獻(xiàn)程度要低于GPS的定位精度對(duì)測(cè)距誤差的貢獻(xiàn)程度。隨著飛行高度、地面坡度的增加,姿態(tài)測(cè)量精度對(duì)測(cè)距誤差的貢獻(xiàn)也就逐漸增加而超過(guò)GPS定位精度對(duì)測(cè)距誤差的貢獻(xiàn)。因此,在低空飛行時(shí)主要是要設(shè)法提高GPS的定位精度,而高空飛行時(shí)則必須有一個(gè)高精度的姿態(tài)測(cè)量裝置。
在某高壓線路工程中,使用4臺(tái)天寶GPS 5700,用運(yùn)五飛機(jī)進(jìn)行航飛,利用芬蘭公司的TerraSolid商業(yè)軟件進(jìn)行LIDAR數(shù)據(jù)處理,并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了精度分析。
5 結(jié)語(yǔ)
利用LIDAR技術(shù)進(jìn)行電力線路的勘測(cè)設(shè)計(jì),只需做少量的地面控制點(diǎn)和少量的外業(yè)調(diào)繪工作,能提高隱秘地帶測(cè)量的高程精度,縮短了勘測(cè)設(shè)計(jì)的周期,并且可以實(shí)現(xiàn)勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化??煞奖愕剡M(jìn)行電力線路工程優(yōu)化選線,效率更高,操作更簡(jiǎn)便。利用LIDAR技術(shù)生成的三維場(chǎng)景,可以進(jìn)行全線漫游及多視角觀察,設(shè)計(jì)人員能更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)地物的判斷、空間位置的確定更準(zhǔn)確、便捷,能更好地避讓重要地物,更合理地選擇線路路徑和桿塔位置。
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