LiDAR技術(shù)在電力選線中的應(yīng)用

束龍，魯莽，胡丹暉

（湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430077）

目前，在輸電線路設(shè)計(jì)中，國內(nèi)設(shè)計(jì)院多使用海拉瓦技術(shù)進(jìn)行線路設(shè)計(jì)。相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式而言，它使得設(shè)計(jì)更加合理、勘測周期大大縮短，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。但海拉瓦技術(shù)也有不足，如無法得到植被密集地區(qū)的地表情況；數(shù)據(jù)處理自動化程度低，特別是處理航片時(shí)需要人工干預(yù)；需要大量野外工作，生產(chǎn)周期依然很長；生產(chǎn)成本昂貴等。

在輸電線路工程建設(shè)中，因廊道范圍內(nèi)的房屋拆遷及林木砍伐而導(dǎo)致的索賠，甚至與電網(wǎng)公司打官司的情況也時(shí)有發(fā)生。電力單位由于無建設(shè)前的實(shí)際空間數(shù)據(jù)作為依據(jù)，為了不影響線路建設(shè)工期，只能賠錢了事。房屋賠償費(fèi)用在輸電線路建設(shè)成本中占有一定比例。以三峽地下電站500kV線路工程為例，林木青苗費(fèi)用占總投資的1.71%，房屋拆遷費(fèi)用占總投資的10.9%，但實(shí)際超出10%左右，即占總投資約21%。不同地區(qū)、不同地形會有很大差異，華東沿海地區(qū)費(fèi)用更高。

利用三維激光雷達(dá)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)輸電線路的智能選線，精確測量拆遷面積，精確計(jì)算砍伐量，能夠有效提高電力輸電線路智能化水平，提高運(yùn)檢效率，保護(hù)電力輸電走廊免受非法侵害。利用無人機(jī)搭載機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，LiDAR）生成數(shù)字化輸電走廊，能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

1 LiDAR技術(shù)發(fā)展及相關(guān)介紹

LiDAR是利用全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性測量裝置（IMU）進(jìn)行載體定位，通過激光掃描儀測量載體與目標(biāo)的距離，從而測得目標(biāo)的三維坐標(biāo)。它是目前唯一能測定森林覆蓋地區(qū)地表高程的可行技術(shù)，可用于快速產(chǎn)生數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）[1]。

LiDAR技術(shù)的主要特點(diǎn)有：1）可以24 h全天候工作。激光雷達(dá)是主動探測，不受光照的影響，可以全天候工作。2）能夠穿透植被的葉冠，同時(shí)測量地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)。激光波長較短，可以穿透植被葉冠，形成多次回波，獲取的數(shù)據(jù)信息更豐富。3）能夠探測細(xì)小目標(biāo)物體。激光的波長較短，能夠探測細(xì)小的目標(biāo)，如電力線，而傳統(tǒng)的攝影測量和雷達(dá)都不能夠探測到細(xì)小的電力線。4）獲取數(shù)據(jù)速度快。相對于傳統(tǒng)攝影測量，機(jī)載激光雷達(dá)可直接獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)獲取速度大大提高。

用LiDAR來精確確定地面上目標(biāo)點(diǎn)的高度，始于20世紀(jì)70年代后期。當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)一般稱為機(jī)載斷面記錄儀（Airborne Profile Recorder，APR），主要輔助空中三角測量。最初的系統(tǒng)僅能獲得在飛行器路徑正下方的地面目標(biāo)數(shù)據(jù)。這些最初的激光地形測量系統(tǒng)很復(fù)雜，并且不適合于獲取大范圍地面目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)。由于沒有高效的航空GPS和高精度IMU，所以很難確定原始激光數(shù)據(jù)的精確地理坐標(biāo)，因此其應(yīng)用受到了限制。到20世紀(jì)80—90年代，德國斯圖加特大學(xué)將激光雷達(dá)測量技術(shù)與POS系統(tǒng)集成一體形成的空載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)（Arkerman-19），由于其能穿透植被葉冠，探測細(xì)小目標(biāo)，可快速獲取數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，激光雷達(dá)技術(shù)開始迅速發(fā)展。至2004年全球已經(jīng)有超過30類不同型號的激光掃描系統(tǒng)投放市場。隨著差分GPS技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，LiDAR技術(shù)已成為直接獲取地表模型的有效手段。結(jié)合影像及信息融合技術(shù)，LiDAR系統(tǒng)不僅局限于獲取數(shù)字高程模型等傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤侵蝕、洪水預(yù)報(bào)、城市三維模型的直接獲取、GIS支持、高壓線實(shí)時(shí)監(jiān)測、林業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域。

盡管我國很早就對LiDAR技術(shù)進(jìn)行跟蹤和研究，在理論方面已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但由于沒有商品化的硬件設(shè)備，直到2005年才成功利用引進(jìn)硬件設(shè)備，大規(guī)模采集了我國本土數(shù)據(jù)，這種狀況使得我國許多行業(yè)對LiDAR技術(shù)還十分陌生。目前，我國已有多家電力單位利用LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行地形測繪，使用的大多為進(jìn)口國外的大型機(jī)載LiDAR設(shè)備，主要有Riegl公司的LMS-Q系列、美國Leica公司的ALS系列、德國Toposys的FALCON系列和HARRIER系列、加拿大Optech公司的ALTM系列。使用有人機(jī)的缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴；空管協(xié)調(diào)異常繁瑣；受機(jī)場及氣候條件限制過多等。隨著LiDAR設(shè)備的小型化，國內(nèi)已有公司研發(fā)出小型無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，使LiDAR設(shè)備像搭載可見光和紅外設(shè)備一樣，不僅能搭載于無人機(jī)上，還能搭載于飛艇和動力三角翼等飛行平臺上。

2 LiDAR技術(shù)在電力選線中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 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個過程。圖上選線一般在比例為1∶5000，1∶10000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，即構(gòu)成若干個路徑的初步方案。根據(jù)收集到的有關(guān)資料，舍去明顯不合理的方案，對剩下的方案進(jìn)行比較和計(jì)算，鎖定2～3個較優(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)場落實(shí)，確定最終線路并埋設(shè)標(biāo)石，用于后期勘測[2]。

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量專業(yè)組提供或從測繪局購買。傳統(tǒng)地形圖是二維的，三維信息只能通過等高線和高程注記獲取，產(chǎn)品單一且不直觀；而測量專業(yè)組進(jìn)行實(shí)地地形圖測繪時(shí)，速度慢，工期長，而且受到視野局限性的制約[3]，對于植被茂密的地區(qū)無法測量，或直接采取將視野范圍內(nèi)植被砍伐掉再進(jìn)行測量的手段，造成許多不必要的植被砍伐，破壞了周圍環(huán)境。航空攝影測量技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)三維圖的重建，但是無法穿透植被獲取植被下的地形信息。

2.2 基于攝影測量工作站的電力選線技術(shù)

目前，在電網(wǎng)設(shè)計(jì)中，國內(nèi)很多電力設(shè)計(jì)院使用攝影測量工作站技術(shù)進(jìn)行線路設(shè)計(jì)，如“海拉瓦”系統(tǒng)。海拉瓦全數(shù)字化攝影系統(tǒng)是借助衛(wèi)星、飛機(jī)、全球定位系統(tǒng)（GPS）等高科技手段，通過高精度的掃描儀和計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)，將各種影像資料生成正射影像圖、數(shù)字地面模型和具有立體圖效果的三維景觀圖，并以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出圖像和數(shù)字信息的技術(shù)。

海拉瓦-洛斯達(dá)技術(shù)是海拉瓦全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)與洛斯達(dá)公司二次開發(fā)的滿足線路勘測設(shè)計(jì)需要的軟件相結(jié)合，進(jìn)行電網(wǎng)工程勘測、輔助設(shè)計(jì)的最新技術(shù)的總稱。在電網(wǎng)工程中，海拉瓦-洛斯達(dá)技術(shù)主要應(yīng)用于輸電線路的路徑優(yōu)化、變電所所址及進(jìn)出線走廊規(guī)劃、數(shù)字化線路等方面。

海拉瓦-洛斯達(dá)技術(shù)率先應(yīng)用于輸電線路工程的電力選線，其傳統(tǒng)航測作業(yè)模式是：1）航攝，按線路路徑要求分帶航飛拍照，照片沖洗后提供各航帶滿足質(zhì)量要求的底片和照片。2）外控及調(diào)繪，制作各航帶像片鑲嵌圖，全線進(jìn)行GPS外控、調(diào)繪，提供所有GPS外控點(diǎn)三維坐標(biāo)和像片調(diào)繪資料。3）航測內(nèi)業(yè)，利用外控、調(diào)繪資料，進(jìn)行空中三角測量，解算像對坐標(biāo)，建立立體數(shù)字地面模型，生成全線數(shù)字化帶狀地形圖。4）終勘定位，根據(jù)設(shè)計(jì)排位情況進(jìn)行現(xiàn)場定位，并測量樁間距離、高差、危險(xiǎn)斷面和重要叉跨越，對原平斷面圖進(jìn)行修正。

2.3 LiDAR技術(shù)選線

LiDAR技術(shù)是現(xiàn)代對地觀測的最新技術(shù)之一，通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對象表面點(diǎn)三維坐標(biāo)，對地面的探測能力有著強(qiáng)大的優(yōu)勢，具有空間與時(shí)間分辨率高、動態(tài)探測范圍大、能夠部分穿越樹林遮擋、直接獲取真實(shí)地表的高精度三維信息等特點(diǎn)，是快速獲取高精度地形信息的全新手段。

利用LiDAR技術(shù)進(jìn)行輸電線路優(yōu)化選線的方法大致如下：首先將LiDAR設(shè)備獲取的高密度高精度的DSM，對線路規(guī)劃決策的影響要素進(jìn)行參數(shù)化和數(shù)字化，基于人工智能的搜索方法搜索代價(jià)最小的路徑，并輔助于領(lǐng)域?qū)＜业闹R，對決策要素的參數(shù)化和目標(biāo)函數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化，形成一套自動化程度較高的路徑規(guī)劃方法，為線路規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考方案；再將DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，生成DEM，將同時(shí)獲取的航空數(shù)碼影像處理為DOM；接著利用DEM疊加DOM構(gòu)建線路走廊三維場景，設(shè)計(jì)人員即可在三維場景中針對規(guī)劃方案進(jìn)行優(yōu)化選線作業(yè)。至于內(nèi)業(yè)平斷面測圖，作業(yè)人員可直接在三維場景中進(jìn)行平面地物以及風(fēng)偏、危險(xiǎn)點(diǎn)的采集，對于諸如房高、樹高以及塔高等信息則借助激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，而斷面數(shù)據(jù)則可直接從DEM數(shù)據(jù)中進(jìn)行提取。

2.4 LiDAR技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)相比，采用LiDAR技術(shù)進(jìn)行輸電線路路徑優(yōu)化選線具有如下優(yōu)勢：1）平斷面數(shù)據(jù)精度高。LiDAR數(shù)據(jù)的平面精度可以達(dá)到0.2 m，高程精度可達(dá)到0.1 m。高精度的DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)以及激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)支持，使對地形地物的判讀、空間信息的測量與獲取更加準(zhǔn)確和便捷，選線更加精確，塔位選擇更加合理，工程投資控制精細(xì)，最大限度地避免線群矛盾。2）作業(yè)周期短。無須進(jìn)行航外像控測量，同時(shí)航外調(diào)繪工作量減少，內(nèi)業(yè)平斷面圖制作效率提高了3倍。3）數(shù)據(jù)處理自動化程度高。4）選線過程中的輔助信息豐富。借助激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在優(yōu)化選線過程中可方便地向設(shè)計(jì)人員提供諸如房高、樹高、塔高等信息。5）成本低。由于省去了航外像控測量，野外調(diào)繪工作量亦大大減少，作業(yè)成本自然降低。6）有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)。高精度機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可直接用于數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)中的線路走廊三維建模，無須再次投資進(jìn)行航飛數(shù)據(jù)獲取，能夠節(jié)省潛在投資并可加快數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程。7）有利于實(shí)現(xiàn)終勘定位或施工過程中可能遇到的改線。機(jī)載激光雷達(dá)路徑優(yōu)化選線平臺無需配備航空攝影測量所需的專業(yè)立體觀測設(shè)備，并可非常方便地安裝在便攜機(jī)上，因此設(shè)計(jì)人員可在野外現(xiàn)場進(jìn)行選線，并根據(jù)即時(shí)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)排桿，大大提高改線作業(yè)效率。8）優(yōu)化選線效率更高。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理自動化程度更高，無須進(jìn)行航外像控測量。選線平臺操作簡便，三維場景更加逼真，可方便進(jìn)行全線漫游以及多視角觀察，便于設(shè)計(jì)人員從整體上把握線路路徑。

表1為機(jī)載LiDAR系統(tǒng)與傳統(tǒng)航攝技術(shù)對比。

3 LiDAR系統(tǒng)飛行平臺技術(shù)比較

近幾年，國內(nèi)多家電力單位采用有人直升機(jī)機(jī)載LiDAR進(jìn)行了各種嘗試，在取得一些研究成果同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)諸多客觀因素限制了LiDAR技術(shù)的進(jìn)一步推廣。其主要原因是國外三維激光設(shè)備價(jià)格昂貴，一般報(bào)價(jià)在1000萬元以上，并且體積大而笨重，一般重量為60～100 kg。隨著LiDAR設(shè)備的小型化，其飛行平臺還可使用無人直升機(jī)、飛艇和動力三角翼等，它們各有自己的特點(diǎn)。使用各種飛行平臺搭載LiDAR設(shè)備進(jìn)行輸電線路優(yōu)化選線的流程大體一致。圖1為4種飛行平臺搭載LiDAR設(shè)備的飛行照片。

表1 航空攝影測量與機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的綜合比較Tab.1 Comprehensive comparison of aerial photographic survey and airborne laser radar system

圖1 搭載LiDAR設(shè)備的4種飛行平臺Fig.1 Four flight platforms carried on LiDAR equipment

3.1 有人直升機(jī)飛行平臺

優(yōu)點(diǎn)在于獲得的數(shù)據(jù)精度高，質(zhì)量好，交叉跨越完全能夠看清，抗風(fēng)能力強(qiáng)。缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴（如：法國“小松鼠”，造價(jià)2000萬。作業(yè)報(bào)價(jià)為3～4萬元/h，還要加上空管協(xié)調(diào)、轉(zhuǎn)場、等待費(fèi)用等）；需受空管協(xié)調(diào)（民航、空軍）、機(jī)場、氣候等條件限制。適用于測繪面積大，線路較長、精度要求高的條件。

3.2 氦飛艇飛行平臺

優(yōu)點(diǎn)在于安全性高、飛行速度0～70 km/h、可完全看清“交叉跨越”。缺點(diǎn)有抗風(fēng)能力差，航跡穩(wěn)定性差，載重能力差，海拔3000 m以下。

3.3 動力三角翼飛行平臺

它是目前最廉價(jià)的飛行平臺，飛行最低時(shí)速70 km/h。點(diǎn)云密度為2.5點(diǎn)/m2，較為稀疏，故精度不高。交叉跨越只能對已知線路，設(shè)計(jì)特別飛行航路。

3.4 無人直升機(jī)飛行平臺

無需專用飛行跑道，無需申請飛行許可，轉(zhuǎn)場方便，非常有利于點(diǎn)狀區(qū)域和帶狀地形測繪；運(yùn)輸成本低；受地形、天氣等因素影響相對較??；能提供比傳統(tǒng)測繪更高精度和更高分辨率的激光點(diǎn)云和數(shù)碼影像數(shù)據(jù)（尤其是DEM），可以達(dá)到激光點(diǎn)云密度>50點(diǎn)/m2。缺點(diǎn)為：安全性差；國內(nèi)無人機(jī)技術(shù)不成熟，飛行保險(xiǎn)難買；高海拔應(yīng)用受限。

4 結(jié)語

隨著LiDAR技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，它必將取代傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)而成為航測遙感領(lǐng)域的主流技術(shù)，并且無人機(jī)也將取代有人機(jī)成為LiDAR的優(yōu)先飛行平臺。它們將會像GPS和航測技術(shù)一樣，必將在電力線路勘測設(shè)計(jì)中逐漸普及，并發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]梁欣廉.激光雷達(dá)數(shù)據(jù)特點(diǎn)[J].遙感信息，2005，78（3）:71-76.LIANG Xin-lian.Characteristics of lidar data[J].Remote Sensing Information，2005，78（3）:71-76（in Chinese）.

[2]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.LI Tie-jun.Talking about the choice of the path of the power line design and positioning[J].Ningxia Electric Power，2006（3）:20-23（in Chinese）.

[3]徐祖艦，王滋政，陽鋒.機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)及工程應(yīng)用實(shí)踐[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2009.