機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力選線工程中的應(yīng)用

張曉東，竇延娟，劉 平，張 煜

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力選線工程中的應(yīng)用

張曉東1，2，竇延娟2，劉 平2，張 煜3

（1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012；2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079；3.長(zhǎng)江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010）

介紹了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)及傳統(tǒng)電力選線的方法，闡述了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力選線工程中的具體應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在線路及立桿點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、需要砍伐樹(shù)木的面積估算、房屋拆遷數(shù)量估算、樹(shù)木及房屋高度測(cè)量、實(shí)時(shí)斷面量測(cè)等方面。介紹了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在安徽省電力線路設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的應(yīng)用，相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，以及基于ArcGIS用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的真三維電力選線測(cè)圖系統(tǒng)。野外測(cè)量表明，應(yīng)用該系統(tǒng)選線能夠滿足電力選線的精度要求。最后客觀總結(jié)了該技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)指出該技術(shù)在未來(lái)具有的應(yīng)用前景。

機(jī)載激光雷達(dá)；DEM；DOM；電力選線

1 概 述

機(jī)載激光雷達(dá)（Airborne Light Detection and Ran-ging，簡(jiǎn)稱機(jī)載LIDAR）源于1988- 1993年間德國(guó)斯圖加特（Stuttgart）大學(xué)研制的空載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)（Ackermann－19），該系統(tǒng)成功地將激光雷達(dá)技術(shù)與即時(shí)定位定姿系統(tǒng)結(jié)合。機(jī)載激光雷達(dá)集激光、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3種技術(shù)于一身，它將激光掃描儀、GPS接受機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)及控制元件等搭載在載體飛機(jī)上，通過(guò)主動(dòng)向目標(biāo)地表發(fā)射激光脈沖獲取地表的三維信息，突破了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量被動(dòng)成像的局限性，從系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)成功后即得到迅速發(fā)展，現(xiàn)已成為21世紀(jì)具有極大應(yīng)用前景的空間信息獲取技術(shù)。由于激光波長(zhǎng)短（一般在800～1 600 nm），能夠穿透植被葉冠到達(dá)地表，可同時(shí)獲取地表和植被的信息，此外還能夠探測(cè)細(xì)小目標(biāo)，如電力線，這些都是傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法做到的。

目前我國(guó)正在加快電網(wǎng)建設(shè)，國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司的“十一五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃顯示，今后五年，我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)總投資將超過(guò)1萬(wàn)億元，這表明我國(guó)將迎來(lái)一輪大規(guī)模電網(wǎng)建設(shè)高潮。此次“十一五”電網(wǎng)建設(shè)范圍大、線路長(zhǎng)，尤其當(dāng)線路穿越植被覆蓋的山區(qū)時(shí)，電力線路設(shè)計(jì)和建設(shè)的技術(shù)難度大，給電網(wǎng)建設(shè)提出了更高的技術(shù)要求。應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可加快電網(wǎng)設(shè)計(jì)的進(jìn)度，同時(shí)使工程投資預(yù)算更加科學(xué)，該技術(shù)在我國(guó)電力線建設(shè)工程中將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)電力選線方法

傳統(tǒng)電力選線一般包括圖上選線和野外選線2個(gè)過(guò)程，圖上選線一般在比例為1∶5 000，1∶10 000或更大比例的地形圖上進(jìn)行，先將線路的起始端標(biāo)出，然后將一切可能選線方案的轉(zhuǎn)角點(diǎn)用不同顏色的線連接起來(lái)，即構(gòu)成若干個(gè)路徑的初步方案。根據(jù)收集到的有關(guān)資料，舍去明顯不合理的方案，對(duì)剩下的方案進(jìn)行比較和計(jì)算，鎖定2～3個(gè)較優(yōu)方案，待野外踏勘后決定取舍，確定線路最佳方案。圖上選線完成之后進(jìn)行野外選線，將圖上選定的路徑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)，確定最終線路并埋設(shè)標(biāo)石，用于后期勘測(cè)［1］。

進(jìn)行傳統(tǒng)的圖上選線時(shí)，設(shè)計(jì)人員使用的地形圖資料由測(cè)量專業(yè)組提供或從測(cè)繪局購(gòu)買。傳統(tǒng)地形圖是二維的，三維信息只能通過(guò)等高線和高程注記獲取，產(chǎn)品單一且不直觀；而測(cè)量專業(yè)組進(jìn)行實(shí)地地形圖測(cè)繪時(shí)，速度慢、工期長(zhǎng)，而且受到視野局限性的制約［2］，對(duì)于植被茂密的地區(qū)無(wú)法測(cè)量，或直接采取將視野范圍內(nèi)植被砍伐掉再進(jìn)行測(cè)量的手段，造成許多不必要的植被砍伐，破壞了周圍環(huán)境。航空攝影測(cè)量技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)三維圖的重建，但是無(wú)法穿透植被獲取植被下的地形信息。

3 在電力選線工程中的應(yīng)用

3.1 技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

激光雷達(dá)可穿透植被，快速獲取地表的三維信息，在電力選線工程中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)及其同時(shí)拍攝的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，可以得到高精度的DEM、DSM、DOM，等高線以及植被分類圖等豐富的地表信息，結(jié)合DSM和DOM可得到真實(shí)的三維場(chǎng)景圖，參考三維場(chǎng)景圖進(jìn)行電力選線，可從不同視角觀看線路周圍的地物、地貌信息，使設(shè)計(jì)人員在室內(nèi)即可高效地完成圖上選線及線路優(yōu)化工作［3］。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品在電力選線工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括如下5個(gè)方面。

3.1.1 線路及立桿點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［3，4］

通過(guò)對(duì)激光點(diǎn)云的處理可以得到高精度的DEM和DSM，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用攝影測(cè)量軟件對(duì)影像進(jìn)行正射糾正，得到高幾何分辨率的DOM。結(jié)合DSM和DOM可生成高分辨率的真實(shí)三維場(chǎng)景圖，可以多視角地觀看線路周圍的地貌、地物等豐富的細(xì)節(jié)信息，通過(guò)放大、縮小、漫游還可以看到全線程的地形條件，可綜合考慮沿線的交通運(yùn)輸、施工和運(yùn)行維護(hù)的難易程度、對(duì)地物的影響及受地形的影響等，從而使設(shè)計(jì)的立桿點(diǎn)位、線路更合理更經(jīng)濟(jì)，對(duì)附近環(huán)境和居民的影響降低到最小。

3.1.2 估算需砍伐樹(shù)木的面積

利用激光雷達(dá)點(diǎn)云完成地面濾波后，參考地面點(diǎn)按不同高度對(duì)植被進(jìn)行分類處理，得到全線范圍內(nèi)的植被分布區(qū)域。從植被分布區(qū)中可直觀地判斷需砍伐植被的位置，應(yīng)用面積查詢工具可估計(jì)需砍伐植被的面積，從而避免了不必要的植被砍伐，減少了建設(shè)輸電線路對(duì)環(huán)境的破壞。

3.1.3 估算房屋拆遷數(shù)量及賠償費(fèi)用

房屋賠償費(fèi)用在輸電線路建設(shè)成本中占有一部分比例，根據(jù)高分辨率的三維真實(shí)景觀圖，可清晰地查看設(shè)計(jì)線路走廊內(nèi)房屋狀況，包括房屋建筑結(jié)構(gòu)、層數(shù)及占地面積，根據(jù)這些細(xì)節(jié)可準(zhǔn)確地計(jì)算需拆遷房屋數(shù)量，估算賠償費(fèi)用，使輸電線路建設(shè)成本預(yù)算更科學(xué)。3.1.4 樹(shù)高、房高測(cè)量

應(yīng)用激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以方便快捷地測(cè)量設(shè)計(jì)線路走廊內(nèi)植被的高度、房屋的高度等，避免了傳統(tǒng)航測(cè)作業(yè)中由內(nèi)業(yè)人員逐點(diǎn)進(jìn)行立體量測(cè)的繁瑣過(guò)程。圖1所示為已完成分類的地面及不同高度植被測(cè)量。

圖1 植被高度測(cè)量Fig.1 The vegetation heightmeasurement

3.1.5 實(shí)時(shí)獲取斷面［4］

利用LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以快速獲取不同方向、不同深度的斷面圖，可方便地觀看設(shè)計(jì)電力線與周圍地物在空間上的關(guān)系，如交叉線路在高程上的差異、設(shè)計(jì)線路與走廊范圍內(nèi)植被的高差等，有利于設(shè)計(jì)線路及桿塔的高度。

結(jié)合DSM和DOM得到的真實(shí)三維場(chǎng)景與實(shí)際的地形、地貌和地物條件相差很小，最小在厘米級(jí)。利用三維真實(shí)場(chǎng)景圖在室內(nèi)選線不受視線范圍的限制，大大減少了野外選線的工作量。

3.2 工程應(yīng)用實(shí)例

安徽省電力設(shè)計(jì)院在承擔(dān)的銅陵至黃山的電力線設(shè)計(jì)工程中采用了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取地形數(shù)據(jù)。銅陵至黃山沿線范圍大部分都是植被覆蓋的山區(qū)，且高程變化大，應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)很難快速獲取高精度的地形數(shù)據(jù)。

在這次工程應(yīng)用中，首先根據(jù)原始的激光測(cè)距數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)及地面基準(zhǔn)站GPS接收的數(shù)據(jù)解算原始LAS格式激光點(diǎn)云，利用TerraSolid系列軟件的TerraScan模塊對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行地面點(diǎn)的濾波和植被分類，利用TerraModeler模塊提取0.5 m采樣間隔的DEM和DSM，通過(guò)inpho公司的攝影測(cè)量系統(tǒng)Ap-plicationsMaster對(duì)同時(shí)拍攝的影像進(jìn)行正射糾正及鑲嵌，得到0.2 m分辨率的DOM?？紤]到工程應(yīng)用中要估算影響電力線建設(shè)的植被，編程實(shí)現(xiàn)了不同高度植被的分布圖，結(jié)合高度測(cè)量可以很方便地估算待砍伐植被的區(qū)域及面積；另外，也用自己的算法提取出地面點(diǎn)的密度分布圖，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的精度要求可從密度分布圖中判斷哪些區(qū)域需要進(jìn)行人工補(bǔ)測(cè)。

基于ArcGIS用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了電力選線測(cè)圖系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維真實(shí)場(chǎng)景圖的放大、縮小及漫游，快速獲取DEM及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的斷面，斷面高度測(cè)量，二維平面圖及三維立體圖同步顯示，電力選線及優(yōu)化等。經(jīng)實(shí)地外業(yè)測(cè)量，達(dá)到了選線的精度要求。

在這次工程應(yīng)用中，利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)得到了豐富的地形信息，并在分析工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上從原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品中又提取出不同高度植被分布區(qū)等信息，利用自己開(kāi)發(fā)的電力選線系統(tǒng)進(jìn)行電力選線，大大提高了工作效率。

4 總結(jié)分析

（1）應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠同時(shí)獲取測(cè)區(qū)高精度的DEM，DSM，DOM以及樹(shù)高等豐富信息，可直接快速地進(jìn)行三維瀏覽、樹(shù)高房高測(cè)量、斷面查看等，能夠滿足電力選線的多種要求，設(shè)計(jì)人員在室內(nèi)即可完成線路的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，極大地提高了電力選線的作業(yè)效率。

（2）利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取地形數(shù)據(jù)，精度高，速度快，可在很大程度上避免測(cè)繪人員的野外測(cè)量工作，大大提高了工作效率。激光能夠穿透植被葉冠到達(dá)地表，同時(shí)獲取地面和植被信息，相比傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量獲取的信息更豐富，同時(shí)還可以減少地面控制點(diǎn)的布設(shè)。

（3）除了電力選線，激光雷達(dá)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用還有電力巡線、數(shù)字電網(wǎng)管理等，提高了電網(wǎng)設(shè)計(jì)管理的先進(jìn)性，既安全效率又高，在我國(guó)電力行業(yè)有很大的應(yīng)用前景［5］。

（4）激光點(diǎn)云為一個(gè)個(gè)不連續(xù)的點(diǎn)，單獨(dú)從點(diǎn)云中很難判斷詳細(xì)的地物信息，必須參考同時(shí)拍攝得到的正射影像才能得到更豐富的地物信息。

（5）在處理激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)地面濾波時(shí)，針對(duì)不同的地形要設(shè)置不同的參數(shù)，這要求數(shù)據(jù)處理人員要有豐富的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，如果碰到從未遇到過(guò)的地形，要重新設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行多次試驗(yàn)尋找最優(yōu)參數(shù)。目前的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件都不能實(shí)現(xiàn)濾波的完全自動(dòng)化，在自動(dòng)濾波完成之后，還要結(jié)合正射影像手動(dòng)分類，將自動(dòng)處理過(guò)程中錯(cuò)誤地把地形點(diǎn)分為非地形的點(diǎn)及非地形點(diǎn)分為地形的點(diǎn)手動(dòng)改正過(guò)來(lái)。另外，如果地面濾波不精確，還會(huì)影響到后期植被分類的精度。

綜合分析，激光雷達(dá)技術(shù)獲取的信息豐富，能夠很好地表現(xiàn)地形細(xì)節(jié)信息，在電力選線工程中有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可提高電網(wǎng)設(shè)計(jì)的效率和科學(xué)性。隨著算法的改進(jìn)，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的缺點(diǎn)會(huì)逐步得到改善，在電力選線工程中的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

［1］ 李鐵軍.淺談電力線路設(shè)計(jì)路徑的選擇與定位［J］.寧夏電力，2006，（3）：20－23.（LITie-jun.Choice and o-rientation of path in design of electric line［J］.Ningxia Electric Power，2006，（3）：20－23.（in Chinese））

［2］ 徐祖艦，王滋政，陽(yáng) 鋒.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及工程應(yīng)用實(shí)踐［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.（XU Zu-jian，WANG Zi-zheng，YANG Feng.The Lidar Sur-veying of Aircraft and Engineering Using Activities［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2009.（in Chinese））

［3］ 周學(xué)文.“3S”技術(shù)在電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的探討［J］.電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2009，21（1）：45－48.（ZHOU Xue-wen.Discussing of application of“3S”technology in reconnaissance and design for power trans-mission line projects［J］.Electric Power Technologic Ec-nomics，2009，21（1）：45－48.（in Chinese））

［4］ 蒙祥達(dá)，李新科.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)及其在電力工程中的應(yīng)用［J］.廣西電業(yè)，2007，（9）：81－83.（MENG Xiang-da，LIXin-ke.Airborne laser radar technology and its application in electric power engineering［J］.Guangxi Electric Utility，2007，（9）：81－83.（in Chinese））

［5］ 陳 功，程正逢，石克勤，等.激光雷達(dá)在電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2006，（6）：53－56.（CHENG Gong，CHENG Zheng-feng，SHI Ke-qin，et al.The application of LIDAR in surveying and design of power Line［J］.Electric Surveying and Design，2006，（6）：53－56.（in Chinese））

（編輯：劉運(yùn)飛）

Airborne Lidar Technology Used in Electrical Power Line Design Project

ZHANG Xiao-dong1，2，DOU Yan-juan2，LIU Ping2，ZHANG Yu3
（1.Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，The Second Institute of Oceanography，SOA，Hangzhou 310012，China；2 Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China；3 Spacial Information Technology Application Research Institute，Changjiang Water Conservancy Committee，Wuhan 430010，China）

The paper introduces airborne Lidar technology and traditional electrical power line designmethod brief-ly，clearly represents the superiority of using airborne Lidar technology in electrical power line design project，whichmainly displays the following aspects：the optimization design of an electric route and setting pole points，the area estimation for cutting down forest，the amount of house removal，the altitudemeasurement of trees and houses，and real-time cross-section survey，etc.Then，this paper describes the application of airborne lidar technology in the electric route design in Anhui province，the relevant data processing，the true 3Dmapping system for selecting electric route，which is developed by VB language on basis of ArcGIS.Themeasured results show that the above system can satisfy the precision requirement.Finally，the advantages and disadvantages of airborne lidar technology are summarized.

airborne lidar；DEM；DOM；power line route design

P407.8

A

1001－5485（2010）01－0026－03

2009-07-06

中國(guó)博士后科學(xué)基金（20070411172）；湖北省自然科學(xué)基金（2007ABA042）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（YWF200807）；長(zhǎng)江科學(xué)院科研基金項(xiàng)目（YJJ0804）

張曉東（1974-），男，湖北黃陂人，副教授，主要從事遙感圖像、LIDAR數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用研究，以及相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)工作，（電話）13871225037（電子信箱）dong＿windy＠hotmail.com。