困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線塔數(shù)據(jù)機載LiDAR三維掃描獲取

阮 羚，周 平，姚 堯

(1.湖北省電力公司電力試驗研究院，湖北武漢430077;2.武漢科西爾信息技術(shù)有限公司，湖北武漢430050)

困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線塔數(shù)據(jù)機載LiDAR三維掃描獲取

阮 羚1，周 平2，姚 堯1

(1.湖北省電力公司電力試驗研究院，湖北武漢430077;2.武漢科西爾信息技術(shù)有限公司，湖北武漢430050)

通過分析機載LiDAR的技術(shù)特點，論證該技術(shù)解決困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線塔數(shù)據(jù)采集技術(shù)難題的可行性。

LiDAR;輸電;防雷;線塔數(shù)據(jù)

一、引 言

截至2008年年底，全國運行線路220 kV及以上線路共364 796 km，其中，750 kV共有536 km，500 kV共有109 642 km，330 kV共有17 906 km，220 kV共有23 6712 km。雷擊、自然災(zāi)害和外力破壞成為直接干擾國民經(jīng)濟電網(wǎng)正常生產(chǎn)運行的三大誘因。若防雷方案和防雷措施更具有差異化和針對性，到2020年堅強智能電網(wǎng)建成時，僅防雷設(shè)施和雷擊跳閘事故修復(fù)部分，每年將為國家節(jié)省大量資金并明顯減少因非計劃停電帶來的損失。

傳統(tǒng)的航測方法因天氣原因易導(dǎo)致測量周期過長，且無法識別垂直層面的線塔設(shè)施和克服地表植被的嚴(yán)重影響，僅適用于新建輸電線路方案選線與比選要求;采用GPS、全站儀或GPS-RTK等人工測量方式，由于地勢過于陡峭、人力無法到達(dá)桿塔及塔間線路現(xiàn)場，無法適應(yīng)工程需要。因此為降低因雷電災(zāi)害未及時防治而造成的嚴(yán)重影響，架空輸電線路亟需一種能提高數(shù)據(jù)獲取效率的新方法。機載LiDAR(light detecting and ranging)三維掃描則為困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線塔數(shù)據(jù)獲取提供了技術(shù)可能。

二、LiDAR測量的主要設(shè)備

目前國內(nèi)應(yīng)用的主流機載 LiDAR有加拿大Optech公司ALTM系列的3100EA，德國IGI公司LiteMapper系列的 LiteMapper5600，徠卡公司的ALS60，RIEGL公司的CP680等。當(dāng)前國內(nèi)已知的最新LiDAR設(shè)備型號為RIEGL公司CP680二代。許多高校和科研單位如首都師范大學(xué)、武漢大學(xué)、中科院、中國測科院等，也對機載LiDAR進行了集成和自主研發(fā)，并取得一些研究成果。

雖然國內(nèi)從事機載LiDAR商用設(shè)備應(yīng)用的有40余家公司，但對機載LiDAR的工程應(yīng)用能力參差不齊。國內(nèi)在無人機載LiDAR的集成與應(yīng)用研究方面也逐漸成形，未來數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理成本也會隨之大幅降低，有利于大范圍推廣應(yīng)用。

三、機載LiDAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其技術(shù)優(yōu)點

機載LiDAR系統(tǒng)，集成機載GPS/IMU及CCD相機等傳感器，以飛機為搭載平臺，利用激光測距的時間-飛行差原理直接獲取地物三維數(shù)據(jù)。由于其主動獲取地物高精度三維空間數(shù)據(jù)和穿透植被的獨特優(yōu)點，在獲取高精度輸電線路走廊通道數(shù)據(jù)方面獨具優(yōu)勢［1-7］。機載LiDAR三維掃描工作的原理［5］如圖1所示。

1)數(shù)據(jù)密度高。激光點云的地表掃描采樣間距在0.1～1.2 m間，甚至更小，數(shù)據(jù)密度極大，非常有利于真實線路走廊線路桿塔識別與模型的仿真模擬，如圖2所示。

圖1 機載LiDAR三維掃描工作原理

圖2 機載LiDAR三維掃描線塔數(shù)據(jù)

2)植被穿透能力強。由于其多次回波特性，任一束激光在穿越植被空隙時，可返回葉面、枝椏、地面等多個空間屬性數(shù)據(jù)，有效克服植被影響，更接近真實地表。

3)不受陰影和太陽高度角影響。以主動測量方式采用激光測距方法，不依賴自然光;不受太陽高度角、植被、山嶺等影響。

4)人工野外作業(yè)量少。采集的每個地面點都帶有真實三維坐標(biāo)，僅需布設(shè)極少量野外基站點;由于能同時獲取高分辨率數(shù)碼影像，為后期展示全景真三維可視化線路走廊提供了支持。

機載LiDAR系統(tǒng)具有快速、高密度、高精度的數(shù)據(jù)獲取能力，特別適合帶狀數(shù)據(jù)采集，為輸電線路走廊各類參數(shù)的獲取提供了全新技術(shù)手段，也為地表環(huán)境困難復(fù)雜地區(qū)線路及桿塔數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確獲取提供了可能，是一種困難地區(qū)高精度信息獲取的創(chuàng)新技術(shù)手段。

四、基于機載LiDAR技術(shù)的輸電防雷線塔數(shù)據(jù)獲取

1.高精度線塔數(shù)據(jù)掃描采集

(1)GPS基站的布設(shè)

機載LiDAR在空中對輸電線路進行掃描時，根據(jù)GPS基站發(fā)出的信號進行實時差分定位。單個GPS基站的覆蓋半徑通常為30 km左右，可根據(jù)輸電線路走廊掃描范圍的長度和帶寬設(shè)定。

(2)航飛任務(wù)設(shè)計

結(jié)合架空輸電線路走廊的特點，針對地形和數(shù)據(jù)采集間距要求，確立飛行高度，估算飛行用時和架次。對于高差較大、地勢過陡等特殊地貌地區(qū)，可以適當(dāng)重飛，避免采集過程中盲區(qū)的產(chǎn)生，獲取更豐富、準(zhǔn)確的地表和線路桿塔設(shè)施數(shù)據(jù)。

2.高精度激光點云預(yù)處理與精分類提取

野外數(shù)據(jù)采集完成后，需針對獲取的原始激光點云和原始地表影像進行預(yù)處理，實現(xiàn)激光腳點大地定向，激光點云過濾及分類、影像還原糾正等一系列處理［1-2，4，7］。

3.三維線路桿塔矢量模型逆向構(gòu)建

根據(jù)精分類后的激光點云數(shù)據(jù)，采用專業(yè)軟件Plext和TowerModeling快速逆向建模的方法。所謂逆向建模就是通過近距離掃描獲得高密度激光點云數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù)，使用專業(yè)軟件進行模型的精細(xì)制作和貼圖，得到真實準(zhǔn)確、細(xì)節(jié)完整的數(shù)字化模型，如圖3所示。

建立輸電線路通道線塔設(shè)備層三維矢量化圖形數(shù)據(jù)，一是用于三維立體可視化，二是用于線塔雷電專業(yè)參數(shù)計算時彌補采樣點間隔太大或缺失的客觀現(xiàn)實，確保參數(shù)分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

圖3 線塔矢量模型

4.線路桿塔雷電參數(shù)應(yīng)用挖掘

地形地貌數(shù)據(jù)中，線路參數(shù)和桿塔數(shù)據(jù)是防雷方案需要重點獲取的對象。根據(jù)機載LiDAR的數(shù)據(jù)特點，采用自主專業(yè)軟件TowerTreat輔助分析計算的方法，能夠客觀表達(dá)塔形、結(jié)構(gòu)，典型輸電線路的地理坐標(biāo)、高度、密度及地形地貌參數(shù)。

桿塔橫截面左右各100 m內(nèi)，用每隔25 m取一個相對桿塔的點計算出地面傾角θi，來定義地形地貌參數(shù)。導(dǎo)線、避雷線沿線路檔距全線每隔一定檔距對地表高度來定義線路參數(shù)。根據(jù)防雷電專業(yè)要求選取桿塔分類層激光點云數(shù)據(jù)對應(yīng)的特征點，定義桿塔參數(shù)。桿塔參數(shù)包括導(dǎo)地線(導(dǎo)線和避雷線)高度和中距等。

五、技術(shù)應(yīng)用實例

鄂西三峽地區(qū)地表條件復(fù)雜、氣候多變，高山峽谷眾多，切割地形嚴(yán)重，為輸電線路雷電防護帶來很大困難。因此，在研究三峽地區(qū)輸電線路雷電機理和防治措施時，有必要開展此項研究工作。需要獲取更精確的輸電線路全線逐級桿塔的塔形、結(jié)構(gòu)，典型輸電線路的地理坐標(biāo)、高度、密度及地形地貌參數(shù)，用于雷擊風(fēng)險的統(tǒng)計和進行仿真輸電線路雷擊風(fēng)險評估［8-10］。

在微觀地形地貌(＜1 km)條件下，為評估逐級桿塔差異化防雷措施的有效性和針對性提供真實參數(shù)依據(jù)。同時，有助于對輸電線路綜合防雷措施進行效果后評價和事故反演。

本次研究采用機載三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)在三峽地區(qū)試點線路上方進行飛行掃描，對獲取的成果數(shù)據(jù)進行精細(xì)分類和處理后，生成三峽地區(qū)試點線路走廊通道精確的全景真三維地形地貌圖像和線路桿塔等專業(yè)雷電參數(shù)。為三峽區(qū)域試點線路采取有針對性的差異化防雷防治措施提供準(zhǔn)確參數(shù)。

為滿足防雷方案設(shè)計需要，本次工程技術(shù)要求:平面誤差不大于±1 m，高程誤差不大于±0.5 m。每平方米不少于10個激光點。飛行任務(wù)設(shè)計中，考慮到三峽地形復(fù)雜和微氣象條件復(fù)雜等情況，第一次全線路巡視飛行，第二次根據(jù)技術(shù)要求進行任務(wù)采集飛行。在整個路線范圍，共布設(shè)兩個GPS基站。

經(jīng)對比分析，現(xiàn)有資料第一次提供的220 kV的某線23個轉(zhuǎn)角塔坐標(biāo)，有13個桿塔有明顯差異，且差異在60 m以上，占57%。后經(jīng)過復(fù)測和共同驗證，結(jié)果證明機載LiDAR三維掃描數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。同時，在這次機載LiDAR三維技術(shù)研究中，利用機載LiDAR數(shù)據(jù)進行全線路走廊線塔防雷數(shù)據(jù)的獲取輸出和全線路走廊真三維矢量化場景進行了雷擊復(fù)現(xiàn)反演。

六、結(jié)論與展望

在本次困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線塔數(shù)據(jù)機載LiDAR三維掃描獲取的技術(shù)應(yīng)用研究中，達(dá)到了設(shè)定的數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求。從機載LiDAR數(shù)據(jù)所獲取的地形地貌參數(shù)，線塔參數(shù)數(shù)據(jù)首次成功地應(yīng)用于輸電線路防雷方案的設(shè)計和雷擊事故復(fù)現(xiàn)反演評估中。

國內(nèi)電力行業(yè)還未真正重視這種機載LiDAR精確數(shù)據(jù)的高可復(fù)用性，本次研究在挖掘其深層次應(yīng)用特別是在雷電防治等專題應(yīng)用方面做了有益探索。本次機載LiDAR技術(shù)應(yīng)用研究和實踐證明，機載LiDAR三維掃描技術(shù)極有可能改變傳統(tǒng)輸電防雷線塔數(shù)據(jù)的獲取來源，引領(lǐng)輸電線路差異化防雷評估方法，是一項非常有應(yīng)用前景的輸電線路走廊三維掃描技術(shù)。

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Difficult and Complex Regional Transmission Line and Tower Lightning Protection Data Acquisition by Airborne LiDAR 3D Scanning

RUAN Ling，ZHOU Ping，YAO Yao

0494-0911(2011)12-0037-03

P234

B

2011-10-19

阮 羚(1961—)，男，湖北武漢人，教授級高級工程師，主要研究方向為高壓電器。