机载LiDAR数据应用于塔位地形图绘制的精度分析

王瑞琪，胡 博，张 栋，杨永文

( 北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120)

0 引言

在输电线路勘测工程中，塔位地形图是优化排位、外业终勘过程中影响塔位位置及塔高选择的重要因素[1]，塔位地形测量的目的是反映塔位周围的地形现状，以便于正确确定施工基面、选择合适的接腿和基础型式，达到减少开挖量，降低塔高和造价，保护环境的效果。目前塔位地形图的测量可采用全站仪或全球定位系统实时动态(global positioning system real -time kinematic，GPS RTK)外业现场测量，也可采用机载LiDAR 技术测量。前者外业工作量较大，工期较长[3]。

基于机载LiDAR 技术可快速获取输电线路沿线高密度高精度的点云数据。通过激光点云分类可得到地面点云、植被点云、杆塔点云、房屋点云等信息，可分类别显示测区内三维线路走廊地形地貌，利用地面点云数据可在内业实现自动提取塔位地形图，可减轻野外工作强度[1]。

本文主要针对山区有植被覆盖的输电线路工程，利用上述两种不同的方法进行塔位地形图的测量[2]。将不同植被覆盖条件下不同点云密度的激光点云数据制作的塔位地形图成果与外业现场勘测成果进行对比分析，验证不同条件下的激光点云数据成果的精度，探索激光点云数据应用于塔位地形图绘制的适用性。

1 工程概况

1.1 试验区选择

本研究选取某±800 kV 特高压直流在湖南省境内的输电线路，长度约100 km，线路自西向东，沿线地形比例为；平地14.39%，丘陵47.05%，一般山地38.56%。线路沿线植被覆盖率达92%。测区内地物较为丰富，测区内有各类水系、植被、房屋、道路等。路径所经区域示意图如图1 所示。

图1 试验区示意图

1.2 机载LiDAR数据获取

在植被覆盖区域，利用机载LiDAR 技术高强度激光脉冲信号、多次回波的特点能够穿透植被森林获取高密度高精度的点云数据[4]。依据GB 50548—2018《330 kV ～750 kV 架空输电线路勘测规范》中对于植被覆盖区域激光点云密度的要求[5]以及塔位地形图比例尺1：200 的要求，激光点云密度设计为8 个/m2、16 个/m2。根据试验区点云密度的要求结合相应的航摄设备，设计合适的飞行参数和航摄方案。通过架设地面基站差分的解算方式提高机载GNSS 的精度，最终获得了高精度的点云数据。通过点云预处理、检校、噪声点去除以及点云数据滤波分类可获取高精度的地面点云数据用于后续试验研究[6]。

2 塔位地形图的绘制

2.1 外业现场勘测手段绘制塔位地形图

目前线路施工图外业勘测阶段的塔位地形图大都采用外业现场勘测模式直接量测，一般进行“米”字形测量，如图2 所示，在地形起伏变化的位置加密测量，内业根据实测点位内插进行地形图绘制。但是在山地地形条件较差、植被覆盖较为密集的区域，外业工测的方法占用了大量的人力和时间，费时费力，在测点不到位的情况下，内业处理工作量也较大[2]。

图2 外业塔位地形图

2.2 利用机载LiDAR技术绘制塔位地形图

利用机载LiDAR 技术获取的高精度地面点云数据生成数字高程模型(digital elevation model，DEM)成果，DEM 格网间隔为1 m，采样间隔为0.5 m，结合杆塔位置可实现塔位地形图的自动化绘制，如图3 所示。

图3 内业激光自动提取塔位地形图

3 不同植被覆盖条件、不同密度点云的精度分析

选取试验段75 基杆塔进行精度分析，杆塔范围内共有外业测量点777 个，点位所在地形坡度均在25°以下的平坡或缓坡，点位植被覆盖情况分为较少、较多、特别密集。试验段利用机载激光技术获取的点云密度分为8 个/m2、16 个/m2，DEM 格网间隔为1 m，采样间隔为0.5 m。

提取外业现场终勘定位时量测的外业测量点的位置与高程，与基于机载激光技术获取的点云数据生成的DEM 成果提取的点位高程进行对比，分析两种模式下测量点位高程差值的平均值、极值、中误差、分布范围等。根据GB 50548—2018《330 kV ～750 kV 架 空 输 电线路勘测规范》中对外业塔位地形测量精度的要求，机载激光技术获取的测量点的高程值与外业现场勘测获取的高程值差值小于0.3 m，精度即可满足外业勘测的要求。测量点在不同植被覆盖、不同点云密度情况下机载激光技术获取的测量点的高程值与外业现场勘测获取的高程值对比分析结果如下所述。

3.1 植被覆盖较少区域

通过试验数据结合正射影像可判断，在植被覆盖较少的地区，如图4 所示，共有77 个外业现场勘测测量点，机载激光技术内业获取的测量点的高程值与外业现场勘测获取的高程值对比分析如表1、表2、图5 所示。

图4 植被覆盖较少的测量点位

图5 植被覆盖较少区域外业勘测测量点两种模式高程差值分布图

表1 植被覆盖较少区域外业勘测测量点两种模式高程差值精度表

表2 植被覆盖较少区域外业勘测测量点两种模式高程差值分布表

通过对比两种不同点云密度下外业勘测测量点两种模式高程差值得出，在植被覆盖较少的地区，高程差值中误差均满足CH/T 8023—2011《机载激光雷达数据处理技术规范》对于1：500 比例尺下精度要求点云高程中误差的要求(规范要求高程中误差值：平地小于0.2 m，丘陵地小于0.4 m，山地小于0.5 m，高山地小于0.7 m)。点云8 个密度的情况下，92.21%差值绝对值在0 ～0.3 之间；点云16 个密度的情况下，97.40%差值绝对值在0 ～0.3 之间。

3.2 植被覆盖较多区域

通过试验数据结合正射影像可判断，在植被覆盖较多的地区，如图6 所示，共有293 个外业现场勘测测量点，机载激光技术内业获取的测量点的高程值与外业现场勘测获取的高程值对比分析如表3、表4、图7 所示。

图6 植被覆盖较多的测量点位

图7 植被覆盖较多区域外业勘测测量点两种模式高程差值分布图

表3 植被覆盖较多区域外业勘测测量点两种模式高程差值精度表

表4 植被覆盖较多区域外业勘测测量点两种模式高程差值分布表

通过对比两种不同点云密度下外业勘测测量点两种模式高程差值得出，在植被覆盖较多的地区，高程差值中误差均满足CH/T 8023—2011《机载激光雷达数据处理技术规范》对于1：500 比例尺下精度要求点云高程中误差的要求。点云8 个密度的情况下，92.83%差值绝对值在0 ～0.3 之间；点云16 个密度的情况下，96.93%差值绝对值在0 ～0.3 之间。

3.3 植被覆盖特别密集区域

通过试验数据结合正射影像可判断，在植被覆盖特别密集的地区(如图8)，共有407 个外业现场勘测测量点，机载激光技术内业获取的测量点的高程值与外业现场勘测获取的高程值对比分析如表5、表6、图9 所示。

图8 植被覆盖特别密集的测量点位

图9 植被覆盖特别密集区域外业勘测测量点两种模式高程差值分布图

表5 植被覆盖特别密集区域外业勘测测量点两种模式高程差值精度表

表6 植被覆盖特别密集区域外业勘测测量点两种模式高程差值分布表

通过对比两种不同点云密度下外业勘测测量点两种模式高程差值得出，在植被覆盖特别密集的地区，高程差值中误差均满足CH/T 8023—2011《机载激光雷达数据处理技术规范》对于1：500 比例尺下精度要求点云高程中误差的要求。点云8 个密度的情况下，55.53%差值绝对值在0 ～0.3 之间；点云16 个密度的情况下，58.23%差值绝对值在0 ～0.3 之间。

3.4 不同点云密度精度分析结果

图10 不同植被覆盖地区差值中误差对比结果

通过上述对比结果可看出，在植被越密集的区域，点位误差值越大，且随着植被覆盖密集度的增大，差值中误差也随着增大。

4 结论

通过上述试验得出，塔位地形图使用LiDAR 数据绘制时，在植被覆盖较少或较多的区域，点云密度8 个/m2的情况下，仅需外业少量点位检查校核即可满足塔位地形图外业勘测的精度。但在植被覆盖特别密集的区域，点云密度16 个/m2的情况下，机载激光技术获取的点云成果直接提取塔位地形图的精度有待提升。后续可针对塔位位置对激光点云数据进一步精细分类，提高激光点云数据的精度，然后利用外业现场勘测采集的测量点对激光点云数据进行内业校正后的成果提取塔位地形图的方法提升内业成果的精度。