孟昊，韓保民，王勝利，王進(jìn)

( 1. 山東理工 大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2. 山東科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3. 山東科技大學(xué) 測(cè)繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266590 )

0 引 言

機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)測(cè)量系統(tǒng)是集激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高動(dòng)態(tài)定姿技術(shù)，高精度全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)于一體的高新技術(shù)手段. 機(jī)載LiDAR 測(cè)量系統(tǒng)能夠獲取高精度的三維(3D)地理空間數(shù)據(jù)，結(jié)合航空相機(jī)、電荷耦合器件(CCD)相機(jī)等，可以為地球空間信息智能化的處理提供新的多源融合數(shù)據(jù)[1]. 機(jī)載LiDAR 的高精度定位，在電力線巡檢工作中得到廣泛地應(yīng)用，將機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)生成的多源融合數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，生成可視化的3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)的電力線點(diǎn)云分類識(shí)別和危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)等提供基礎(chǔ)[2].

機(jī)載LiDAR 測(cè)量系統(tǒng)主要由激光掃描儀，機(jī)載GNSS 接收機(jī)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和成像CCD 相機(jī)組成. 其中機(jī)載GNSS 接收機(jī)和INS 提供空間位置、姿態(tài)信息及飛行軌跡，它的精度將直接影響電力線分類識(shí)別的精度[1]. 現(xiàn)在常用的GNSS 動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)主要是在無(wú)人機(jī)航線上布設(shè)一定密度的地面控制點(diǎn)，并將控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站進(jìn)行GNSS 差分運(yùn)算. 但根據(jù)實(shí)際情況，我國(guó)電力線走廊大多跨越深山、密林、湖泊等地形復(fù)雜地區(qū)，架設(shè)基準(zhǔn)站較為困難，在幾千公里長(zhǎng)的輸電線路走廊中使用此種方法不僅經(jīng)濟(jì)成本高而且基站難以順利架設(shè)[3]. 而連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)能提供相同等級(jí)的定位精度，在電力線巡檢工作中，通常要跨越幾千公里，途徑數(shù)省. 現(xiàn)在CORS基站主要分布在交通發(fā)達(dá)的中東部地區(qū)，分布不均勻，且申請(qǐng)CORS 網(wǎng)絡(luò)極為繁瑣[4].

精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)由于其單站作業(yè)、精度不受距離影響等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為廣域或全球范圍內(nèi)定位的新技術(shù). PPP 技術(shù)是利用國(guó)際GNSS 服務(wù)(IGS)提供的精密衛(wèi)星軌道和精密鐘差產(chǎn)品，僅用一臺(tái)GNSS 接收機(jī)就能實(shí)現(xiàn)全球精密絕對(duì)定位的技術(shù)[5].PPP 能夠?yàn)槲覀兲峁╅L(zhǎng)距離、高精度的事后動(dòng)態(tài)解決方案，為電力線巡檢工作提供了一種新的方法與思路，提高了外業(yè)作業(yè)的效率，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本. 近年來(lái)，隨著GNSS 系統(tǒng)的不斷發(fā)展，多系統(tǒng)GNSS 數(shù)據(jù)處理已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，多系統(tǒng)GNSS 增加了可視衛(wèi)星的數(shù)目，極大地優(yōu)化了衛(wèi)星的空間幾何結(jié)構(gòu)，提供了更豐富的頻率和信號(hào)[6-7]. 通過組合不同的GNSS，與相應(yīng)的單個(gè)GNSS 相比，定位的準(zhǔn)確性和可用性得以提高. 在城市、峽谷等困難的測(cè)量環(huán)境中，衛(wèi)星信號(hào)通常會(huì)受到干擾. 通過使用多個(gè)GNSS，可用信號(hào)的數(shù)量會(huì)增加，可以選擇最佳的信號(hào)組合. 目前，多系統(tǒng)GNSS 并存是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，IGS 的多模GNSS試驗(yàn)跟蹤網(wǎng)(Multi-GNSS Experiment，MGEX)已經(jīng)有多個(gè)國(guó)家加入，MGEX 在全球已有120 多個(gè)測(cè)站，我們可以通過MGEX分析中心及其他數(shù)據(jù)網(wǎng)站，如IGS、全球連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)(iGMAS)獲得多系統(tǒng)GNSS 精密衛(wèi)星軌道和精密鐘差改正等產(chǎn)品. 隨著中國(guó)北斗三號(hào)系統(tǒng)(BDS-3)的建成以及俄羅斯GLONASS 系統(tǒng)的恢復(fù)，任曉東等[8]研究了四系統(tǒng)GPS、GLONASS、Galileo、BDS 融合數(shù)據(jù)的PPP 收斂速度以及定位精度. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在單系統(tǒng)幾何構(gòu)形條件差的區(qū)域，多系統(tǒng)的定位精度提高約10%～30%. 袁修孝等[9]將雙頻動(dòng)態(tài)的GPS PPP 與差分GPS 定位獲取的攝站坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，兩者的精度基本一致. 張小紅等[10]利用GPS/GLONASS組合系統(tǒng)驗(yàn)證了雙系統(tǒng)的收斂速度和定位精度都是優(yōu)于單系統(tǒng)的. 吳俊等[11]利用IMU/PPP 輔助航空攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)實(shí)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行分析，結(jié)果表明，用GPS/IMU 輔助航空攝影測(cè)量能夠滿足大比例尺成圖的應(yīng)用. 張榮斗等[12]結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，采用PPP 與DGPS 兩種方法，分別對(duì)三個(gè)區(qū)域進(jìn)行航飛，解算POS 數(shù)據(jù)比較分析，平面精度為10 cm，高程精度約為15～40 cm. 杜躍飛等[3]將基站差分解算的定位結(jié)果作為基準(zhǔn)，比較了單系統(tǒng)PPP 和三系統(tǒng)PPP 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，與基站差分下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)距離偏差在10 cm 以內(nèi)，驗(yàn)證了三系統(tǒng)PPP 在點(diǎn)云處理的精度要優(yōu)于單系統(tǒng)PPP 且能夠進(jìn)行電力線精細(xì)巡檢.

本文提出將多系統(tǒng)融合PPP 應(yīng)用到機(jī)載LiDAR點(diǎn)云電力線巡檢中，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別解算基站差分定位、單系統(tǒng)PPP、多系統(tǒng)PPP 三種定位方式生成的POS 數(shù)據(jù)，然后將三種方式生成的點(diǎn)云坐標(biāo)與已知平面控制點(diǎn)進(jìn)行檢核，驗(yàn)證多系統(tǒng)PPP 精度是否能夠精細(xì)分離電力線，滿足電力線巡檢的要求.

1 PPP 與機(jī)載LiDAR 測(cè)量原理

多旋翼無(wú)人機(jī)搭載LiDAR 測(cè)量系統(tǒng)，首先將各傳感器通過硬件固定它們的相對(duì)位置，嚴(yán)格控制傳感器的時(shí)間同步. GPS 接收機(jī)用來(lái)獲得位置信息，慣性傳感器(IMU)用來(lái)獲得姿態(tài)信息，經(jīng)由傳感器發(fā)射的激光束在地物上反射后，由機(jī)載LiDAR 測(cè)量系統(tǒng)的接收裝置接收. 根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間間隔t，便可以獲得傳感器與地物的空間距離. 根據(jù)GPS 接收機(jī)獲得的傳感器位置信息 (Xs,Ys,Zs) 和方位角信息(φ,ω,κ)利用三角測(cè)量的相關(guān)理論方法計(jì)算得到地物的3D 空間坐標(biāo) (XR,YR,ZR) ：

式中，R為發(fā)射點(diǎn)到地物點(diǎn)的空間距離. 傳感器位置信息是由GPS 獲取的，傳感器發(fā)射信號(hào)的方向信息是由INS 獲取的，這樣就能精準(zhǔn)的得出每一個(gè)點(diǎn)云的大地坐標(biāo)值. 因?yàn)闄C(jī)載LiDAR 系統(tǒng)是由多個(gè)部分組成的，所以它存在多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，地物點(diǎn)的空間位置需要經(jīng)過一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換才能得到.

550 kV 電力線巡檢距離跨度大，需要統(tǒng)一基準(zhǔn)，而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)作業(yè)距離短，精度隨距離增加而降低，導(dǎo)致局部地區(qū)測(cè)量精度差異較大；PPP 定位精度高，能夠滿足巡檢要求，獲得的是全球坐標(biāo)框架下的絕對(duì)坐標(biāo)，基準(zhǔn)統(tǒng)一，測(cè)量精度均勻，只需要單個(gè)測(cè)站，不需要架設(shè)基準(zhǔn)站，作業(yè)成本低，所以本文采用PPP 提供機(jī)載LiDAR 測(cè)量中的定位信息.

目前，多系統(tǒng)GNSS 星座、MGEX 跟蹤網(wǎng)、多系統(tǒng)的精密軌道和精密鐘差產(chǎn)品的發(fā)布趨于成熟，精度不斷提升，多系統(tǒng)GNSS PPP 的數(shù)據(jù)處理理論算法不斷完善，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的高精度定位服務(wù)[13]，因此，文章提出了將多系統(tǒng)PPP 應(yīng)用到機(jī)載LiDAR 觀測(cè)系統(tǒng)中，能夠有效地節(jié)約電力線巡檢的經(jīng)濟(jì)成本.載波和偽距是GNSS 接收機(jī)接收到的原始觀測(cè)量，利用載波和偽距建立位置關(guān)系的原始觀測(cè)方程.

觀測(cè)方程經(jīng)過線性化，得到多系統(tǒng)PPP 的觀測(cè)方程，考慮其頻間偏差(IFB)和系統(tǒng)間偏差(ISB)的影響，文中采用無(wú)電離層組合觀測(cè)模型.

文中的隨機(jī)模型采用正弦函數(shù)高度角定權(quán)，參數(shù)估計(jì)方法采用擴(kuò)展卡爾曼濾波，卡爾曼濾波根據(jù)先驗(yàn)信息和新的觀測(cè)信息來(lái)進(jìn)行狀態(tài)更新，待估參數(shù)為接收機(jī)位置、接收機(jī)鐘差、天頂對(duì)流層延遲(ZTD)的濕分量和無(wú)電離層組合的模糊度. 卡爾曼濾波求解包含狀態(tài)一步預(yù)測(cè)和量測(cè)更新，其中狀態(tài)一步預(yù)測(cè)是根據(jù)前一時(shí)刻的狀態(tài)值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)值，量測(cè)更新是根據(jù)量測(cè)值和預(yù)測(cè)值更新當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)值.

2 研究區(qū)概況

本項(xiàng)目采用六軸無(wú)人多旋翼小型無(wú)人機(jī)搭載RieglVUX-1HA 激光掃描儀、NovatelPwrpak7 型GNSS接收機(jī). 將各個(gè)傳感器之間進(jìn)行精確地時(shí)間同步，固定硬件之間的相對(duì)位置，使用GNSS 接收機(jī)進(jìn)行定位，用IMU 進(jìn)行定姿[14]. 如圖1 所示，研究區(qū)域?yàn)榻K省500 kV 伊上5251 線，該輸電線路于2005 年投入運(yùn)行，線路起止點(diǎn)為：500 kV 伊蘆變至500 kV 上河變，全線共有桿塔283 座，全線長(zhǎng)119.028 km. 自南向北經(jīng)過淮安市、連云港市. 線路西部有G25 和G204公路，S327 和S328 公路橫穿線路，沿線村莊交通便利. 采用基站差分模式，需多次進(jìn)行基準(zhǔn)站架設(shè)，要將基準(zhǔn)站架設(shè)到指定位置，浪費(fèi)人力物力且經(jīng)濟(jì)成本較高.

圖1 500 kV 伊上5251 線路示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

使用武漢大學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的MGEX 的多系統(tǒng)的精密軌道、精密鐘差. 經(jīng)過預(yù)處理之后，用卡爾曼濾波將預(yù)處理的GNSS 數(shù)據(jù)與IMU 數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，生成軌跡，按一定的采樣率輸出坐標(biāo)、姿態(tài)等信息.數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示.

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

3.1 不同定位方式解算POS 數(shù)據(jù)

如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)對(duì)伊上5251 線路上部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解算，在GoogleEarth 軌跡中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的航線進(jìn)行飛行，無(wú)人機(jī)首先進(jìn)行“8”字飛行，然后進(jìn)入測(cè)區(qū)往返飛行，確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整采集. 基站架設(shè)在線路附近，沒有遮擋的地方. 根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程分別對(duì)基站差分、單GPS 系統(tǒng)PPP、多系統(tǒng)PPP解算POS 數(shù)據(jù)，進(jìn)行定位精度的分析. 圖4(a)為用基站差分解算得到的東(E)、北(N)、天(U)位置均方根誤差(RMSE)，圖4(b)為用單GPS 系統(tǒng)PPP 解算得到的E、N、U 位置RMSE，圖4(c)為用多系統(tǒng)PPP 解算得到的E、N、U 位置RMSE.

圖3 無(wú)人機(jī)飛行路線

由圖4(a)可知，基站差分E 方向收斂到0.004 m，N 方向收斂到0.004 2 m，U 方向收斂到0.007 m，在203 400 歷元附近，收斂出現(xiàn)波動(dòng)，主要原因是在該區(qū)域無(wú)人機(jī)處于半空懸停狀態(tài)，無(wú)人機(jī)震蕩，導(dǎo)致衛(wèi)星失鎖. 由圖4(b)可知，單GPS 系統(tǒng)PPP 在E 方向收斂到0.014 5 m，N 方向收斂到0.011 0 m，U 方向收斂到0.009 4 m. 由圖4(c)可知，多系統(tǒng)PPP 在E 方向收斂到0.008 7 m，N 方向收斂到0.007 8 m，U 方向收斂到0.012 9 m. 從點(diǎn)云數(shù)據(jù)所需精度來(lái)看，三種定位方式都符合要求. 與單系統(tǒng)PPP 相比，多系統(tǒng)PPP在U 方向提高了12%，在E 方向提高了21%，在N方向提高了17%. 同時(shí)，收斂速度比單系統(tǒng)PPP、差分GPS 都要快.

圖4 三種定位方式POS 數(shù)據(jù)精度

3.2 點(diǎn)云精度檢核

處理完P(guān)OS 數(shù)據(jù)之后，結(jié)合LiDAR 數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，利用VSursPROCESS 軟件生成3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本工程在20 km的實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，將兩個(gè)塔基處分別布設(shè)一組檢查點(diǎn). 檢查點(diǎn)分為平面檢查點(diǎn)和高程檢查點(diǎn)，平面檢查點(diǎn)選擇在具有地物特征處，如道路拐角、房角等. 如周邊無(wú)特征點(diǎn)則應(yīng)在地表制作標(biāo)志點(diǎn)，間距在5～10 m，平面檢查點(diǎn)需要制作點(diǎn)之記，方便內(nèi)業(yè)進(jìn)行平面位置判讀從而進(jìn)行精度評(píng)定. 高程控制點(diǎn)選取地表變化連續(xù)且無(wú)植被覆蓋的地方，高程控制點(diǎn)無(wú)需制作點(diǎn)之記. 將三種定位方式生成的POS 數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)載LiDAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到VSursPROCESS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件中生成點(diǎn)云坐標(biāo)，對(duì)于激光點(diǎn)云精度，將內(nèi)業(yè)激光點(diǎn)云解算的結(jié)果與外業(yè)測(cè)區(qū)布設(shè)檢查點(diǎn)的高程進(jìn)行對(duì)比，獲得三種解算方式的高程精度；將外業(yè)布設(shè)的平面檢查點(diǎn)導(dǎo)入到VSursPROCESS軟件中，依據(jù)高度變化、坡度和坡向等高程信息，結(jié)合激光回波的強(qiáng)度信息，在點(diǎn)云影像中進(jìn)行檢查點(diǎn)定位，并確定點(diǎn)云待檢查點(diǎn)坐標(biāo)，然后比較待檢查點(diǎn)坐標(biāo)與外業(yè)實(shí)測(cè)位置之間的偏差，獲得三種解算方式的平面精度. 將得到的坐標(biāo)與人工布設(shè)的檢查點(diǎn)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5 和圖6所示.

圖5 點(diǎn)云平面檢核精度

圖6 點(diǎn)云高程檢核精度

由圖5 可知，基站差分平面點(diǎn)云檢核X方向大部分誤差都落在正負(fù)15 cm 的范圍內(nèi)，最大誤差為21 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.089 5 m；Y方向精度較高，大部分誤差在14 cm 范圍內(nèi)，最大誤差為22 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.086 1 m，可見，基站差分精度高，可靠性強(qiáng)，較為穩(wěn)定. 單系統(tǒng)PPP 在X方向大部分誤差都落在正負(fù)30 cm的范圍內(nèi)，最大誤差為29 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.164 m；Y方向精度不穩(wěn)定，大部分誤差在30 cm 內(nèi)，但最大誤差達(dá)到39 cm，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.209 m. 多系統(tǒng)PPP 與單系統(tǒng)PPP 相比，精度有提升了約32.5%，在X方向誤差大部分落在20 cm 以內(nèi)，最大誤差為31 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.140 m，Y方向誤差大部分落在25 cm 以內(nèi)，最大誤差為46 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.164 m. 由圖6 可知，基站差分在高程點(diǎn)云誤差大部分落在10 cm 范圍內(nèi)，單系統(tǒng)PPP 誤差大部分落在20 cm 范圍內(nèi)，而多系統(tǒng)PPP 誤差大部分落在16 cm 范圍內(nèi)，比單系統(tǒng)提升約20%. 三種處理模式下，基站差分的精度最高，多系統(tǒng)PPP 的精度能滿足電力線精細(xì)提取的要求，能夠應(yīng)用于分裂導(dǎo)線等精細(xì)吊艙的分類，單系統(tǒng)PPP 的精度基本滿足電力線巡檢的要求，但很難完整的拍攝出絕緣子串，可靠性無(wú)法得到滿足，無(wú)法適用電力線精細(xì)分類.

通過表1 對(duì)比結(jié)果分析可知：在三種定位方式下檢查點(diǎn)的樣本量一致情況下，基站差分平面檢查點(diǎn)中誤差為0.061 m，高程中誤差為0.063 m；單系統(tǒng)PPP 平面檢查點(diǎn)中誤差為0.092 m，高程中誤差為0.097 m；多系統(tǒng)PPP 平面檢查點(diǎn)中誤差為0.139 m，高程中誤差為0.119 m. 采用PPP 作為機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)的定位模式，不僅降低了經(jīng)濟(jì)成本，節(jié)省了人力物力，且多系統(tǒng)PPP 完全滿足電力線巡檢的精度，且能應(yīng)用于精細(xì)電力線提取. 因此本文證明了多系統(tǒng)PPP 應(yīng)用于機(jī)載LiDAR 電力線巡檢的可行性.

表1 三種處理策略點(diǎn)云精度對(duì)比m

4 結(jié) 論

本文通過無(wú)人機(jī)搭載LiDAR 測(cè)量系統(tǒng)對(duì)江蘇省500 kV 伊上5251 線進(jìn)行電力線巡檢實(shí)驗(yàn). 重點(diǎn)分析了基站差分、單系統(tǒng)PPP、多系統(tǒng)PPP 三種不同處理策略下生成POS 數(shù)據(jù)的精度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：多系統(tǒng)PPP 在收斂速度及精度方面均優(yōu)于單系統(tǒng)PPP，且與基站差分的精度相當(dāng). 然后根據(jù)地面布設(shè)的檢核點(diǎn)對(duì)POS 數(shù)據(jù)生成的點(diǎn)云精度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明：?jiǎn)蜗到y(tǒng)PPP 無(wú)法滿足精細(xì)電力線巡檢，多系統(tǒng)PPP精度滿足精細(xì)電力線巡檢. 文中實(shí)驗(yàn)是在觀測(cè)條件良好的前提下進(jìn)行的，在后續(xù)的工作中，要在山區(qū)、林區(qū)、城區(qū)等遮擋嚴(yán)重的觀測(cè)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣更能突出多系統(tǒng)PPP 的優(yōu)越性，但在電力線巡檢工作中，多系統(tǒng)PPP 完全滿足精度要求.