機(jī)載LiDAR在輸電線工程中的應(yīng)用

劉奇

摘 要：隨著LiDAR技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，其中輸電線工程是其主要的工程應(yīng)用領(lǐng)域之一。文章介紹了機(jī)載LiDAR的基本原理和數(shù)據(jù)獲取流程；總結(jié)其在輸電線工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)機(jī)載LiDAR在輸電線工程中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)載LiDAR；路徑優(yōu)化；巡檢；三維建模

中圖分類號(hào)：TM75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）24-0160-03

Abstract： With the gradual maturity of LiDAR technology， the application field is more and more extensive， among which the transmission line engineering is one of the main engineering application fields. This paper introduces the basic principle and data acquisition flow of airborne LiDAR， summarizes its application status in power line engineering， and looks forward to the application prospect of airborne LiDAR in transmission line engineering.

Keywords： airborne LiDAR； path optimization； inspection； 3D modeling

1 概述

機(jī)載LiDAR是一種新型的測(cè)繪技術(shù)，由激光掃描系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取手段相比，能夠快速獲取地物三維空間數(shù)據(jù)、強(qiáng)度信息、影像數(shù)據(jù)，并且測(cè)量精度較高[1]。近年來，隨著機(jī)載LiDAR軟硬件設(shè)備日趨成熟，在數(shù)字城市、大比例尺地形圖測(cè)繪、輸電線工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中輸電線工程涉及地形圖測(cè)繪、優(yōu)化選線、電力線巡檢、電網(wǎng)數(shù)字化等數(shù)據(jù)的獲取，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式已經(jīng)不能滿足智能電網(wǎng)快速發(fā)展的需求，利用機(jī)載LiDAR技術(shù)不僅能為輸電線勘測(cè)提供地形圖及優(yōu)化選線，而且可以用于輸電線路走廊通道巡檢和三維模型建立[2]，極大地提高了輸電線工程的作業(yè)效率，降低了作業(yè)成本，在輸電線工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 機(jī)載LiDAR簡(jiǎn)介

2.1 機(jī)載LiDAR的基本原理

機(jī)載LiDAR是以飛機(jī)作為搭載平臺(tái)，集成激光掃描系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和光學(xué)相機(jī)為一體的新型測(cè)繪技術(shù)。其工作原理如圖1，通過搭載在飛機(jī)上的激光掃描儀主動(dòng)向地物發(fā)射激光脈沖，部分激光脈沖到達(dá)地物表面后被反射回來，激光掃描儀接收反射回來的激光脈沖，并可以準(zhǔn)確地記錄激光脈沖從發(fā)射到被反射回來的時(shí)間。因?yàn)榧す饷}沖是以光速傳播的，根據(jù)激光脈沖傳播時(shí)間和速度可以準(zhǔn)確地計(jì)算出激光脈沖的傳播距離，即激光掃描儀與地物的距離。而全球定位系統(tǒng)可以測(cè)得LiDAR的位置信息，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)定激光發(fā)射方向，根據(jù)測(cè)得的幾何參數(shù)及空間位置關(guān)系，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出地物三維坐標(biāo)（X，Y，Z）[3]。同時(shí)，能夠獲取激光回波強(qiáng)度信息。

2.2 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取流程

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含激光雷達(dá)設(shè)備、地面站GPS接收機(jī)、設(shè)備載體（無人機(jī)或載人直升機(jī)），通過載體搭載的激光雷達(dá)設(shè)備獲取地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)[4]。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取的工作環(huán)節(jié)，主要包括前期準(zhǔn)備、航測(cè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。具體流程如圖2所示。

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采集的前期準(zhǔn)備主要包括航測(cè)設(shè)計(jì)、測(cè)區(qū)踏勘、空域申請(qǐng)，在前期準(zhǔn)備階段，對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝調(diào)試，以確保設(shè)備的性能正常。在測(cè)區(qū)踏勘時(shí)，需要根據(jù)測(cè)區(qū)的地理環(huán)境選擇合適的位置建立地面基站，并測(cè)量地面基站的坐標(biāo)。根據(jù)項(xiàng)目安排，提前向民航局相關(guān)部門申請(qǐng)飛行空域計(jì)劃，待空域?qū)徟院螅x擇合適的天氣進(jìn)行外業(yè)飛行。

通過外業(yè)航飛，可以獲取原始影像數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)和激光數(shù)據(jù)，將IMU數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)和激光數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理，得到地物三維坐標(biāo)。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用，需要進(jìn)一步處理三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，主要的工作有LiDAR數(shù)據(jù)分類、數(shù)字高程模型（DEM）制作、數(shù)字正射影像（DOM）制作和三維建模。

3 機(jī)載LiDAR在輸電線工程中的應(yīng)用

3.1 輸電線工程測(cè)圖

輸電線是我國(guó)電網(wǎng)的主要組成部分，隨著我國(guó)電力建設(shè)的高速發(fā)展，輸電線工程建設(shè)或改造要求越來越高。因?yàn)檩旊娋€距離較長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、建設(shè)安全性要求較高、建設(shè)周期要求越來越短，而在輸電線建設(shè)初期，需要獲取沿線的地形圖以及變電站選址的地形圖。傳統(tǒng)的地形圖主要通過工程測(cè)量的方法繪制，雖然精度較高，但是時(shí)間周期較長(zhǎng)，需要投入大量的人力成本。隨著無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在輸電線工程測(cè)圖中逐漸利用航測(cè)方法以及與工程測(cè)量相結(jié)合的方法得到地形圖，雖然克服了傳統(tǒng)工程測(cè)量的一些弊端，但是仍存在外業(yè)工作量大，數(shù)據(jù)精度較低等問題[5]。近年來，三維激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展走向成熟，國(guó)內(nèi)外軟硬件設(shè)備廠商越來越多，設(shè)備價(jià)格逐漸下降，在輸電線工程測(cè)圖中也逐步的開始應(yīng)用起來。與傳統(tǒng)工程測(cè)量以及攝影測(cè)量相比，具有測(cè)量精度較高、覆蓋范圍大、作業(yè)周期短等優(yōu)勢(shì)，特別是在山區(qū)地理環(huán)境較差的情況，機(jī)載LiDAR便能充分發(fā)揮全天候、全地形的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.2 輸電線路徑優(yōu)化

在輸電線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中，需要獲得沿線的斷面圖，利用斷面圖進(jìn)行線路規(guī)劃設(shè)計(jì)，選擇輸電線最優(yōu)路徑。目前常采用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的方法制作平斷面圖，然后再進(jìn)行優(yōu)化選線。雖然通過航空攝影測(cè)量技術(shù)能夠大幅度提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，但是傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量方法所獲取的平斷面圖的高程精度較低，而在輸電線路徑優(yōu)化工作中對(duì)高程精度要求較高[6]。機(jī)載LiDAR技術(shù)的出現(xiàn)，為輸電線路徑優(yōu)化提供了另一種解決方案。

利用機(jī)載LiDAR獲取線路沿線的高分辨率影像數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理得到數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字表面模型等，并實(shí)現(xiàn)線路沿線的真實(shí)三維場(chǎng)景還原，為優(yōu)化選線工作提供高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過獲取的高精度線路斷面圖優(yōu)化輸電線路徑，有效避開各種障礙物，裁彎取直；優(yōu)化排桿，減少桿塔用量，節(jié)約成本；避免過多的森林砍伐、占用農(nóng)田、障礙物拆遷等，降低輸電線工程成本[7]。與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的方法相比，獲取的平斷面圖精度較高、作業(yè)周期更短、數(shù)據(jù)信息較豐富、降低工程成本等。

雖然近幾年LiDAR數(shù)據(jù)處理的各種商業(yè)軟件逐漸成熟，但是還沒有成熟的輸電線優(yōu)化選線LiDAR數(shù)據(jù)處理平臺(tái)推出。不過在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家單位嘗試用機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行輸電線路徑優(yōu)化選線，并取得了較好的成果。

3.3 輸電線路巡檢

輸電線路巡檢是電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理工作中必不可少的環(huán)節(jié)。為了確保輸電線日常運(yùn)行的安全穩(wěn)定，通常需要定期開展對(duì)輸電線路的巡視工作，以便準(zhǔn)確地掌握輸電線運(yùn)行狀況，及時(shí)排除線路的隱患。比如，隨著輸電線走廊通道的樹木生長(zhǎng)，其離輸電線的安全距離不夠，抑或是輸電線下方新建房屋，其離輸電線的交叉跨越距離不夠等都是輸電線通道內(nèi)的潛在安全隱患。傳統(tǒng)的輸電線巡檢以人工方式進(jìn)行，工作人員沿輸電線逐基塔進(jìn)行巡視，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)周期長(zhǎng)，且對(duì)于地形復(fù)雜的區(qū)域，難以進(jìn)行巡線工作[8]。

采用機(jī)載LiDAR技術(shù)可直接獲取線路走廊內(nèi)的大量高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以實(shí)現(xiàn)輸電線路數(shù)據(jù)的全自動(dòng)精細(xì)化巡檢，包括樹高房高、塔桿傾斜、電力弧垂及交叉跨越的量測(cè)及分析，并輸出檢測(cè)分析報(bào)告，為運(yùn)維人員及時(shí)提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患、及時(shí)消除隱患以防患于未然[9]。具體包括以下幾點(diǎn)：（1）基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)能夠快速獲取

線路走廊高精度的三維空間信息及高分辨率的真彩色影像信息，可實(shí)現(xiàn)線路交叉跨越高度、樹高、房高、線路與周邊地物空間距離的高精度實(shí)時(shí)測(cè)量等。（2）借助影像可識(shí)別電力設(shè)施的鳥巢等障礙物、螺栓缺失、絕緣子串損害等排查。（3）通過多次數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可識(shí)別線路長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后桿塔有無傾斜、傾斜角度多大、有無偏移。（4）通過周期性獲取的線路走廊植被點(diǎn)云的分析，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)情況，模擬植被生長(zhǎng)狀態(tài)，預(yù)先獲取線路凈空內(nèi)樹木的超高量，以滿足安全運(yùn)行要求。（5）凈空排查：主要對(duì)通道環(huán)境中違章建筑、建筑物、樹木及交叉線路與導(dǎo)線之間的安全距離檢測(cè)。

3.4 數(shù)字電網(wǎng)

數(shù)字化電網(wǎng)是現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)的必然產(chǎn)物，它利用先進(jìn)的信息和網(wǎng)路技術(shù)在虛擬世界中對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行全信息仿真，人們可以清楚地掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，可以隨時(shí)查看區(qū)域內(nèi)輸電線路進(jìn)過的路徑、地形地貌山川河流、鐵路公路并統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的線路個(gè)數(shù)、桿塔數(shù)。同時(shí)可以在電腦上清楚地找到電網(wǎng)所處的鳥害區(qū)、雷害區(qū)、污閃區(qū)以及所選輸電線路走廊中的距離量測(cè)、凈空排查、線路走廊植被生長(zhǎng)情況分析等功能。

將輸電線設(shè)備數(shù)字化管理是智能電網(wǎng)建設(shè)的一項(xiàng)重要工作，其核心內(nèi)容是設(shè)備的三維建模。利用機(jī)載LiDAR技術(shù)能快速獲取輸電線走廊通道的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸電線通道的三維還原[10]。同時(shí)，可以通過數(shù)據(jù)處理獲得輸電線通道的地形。而輸電線相關(guān)設(shè)備的三維模型可以通過高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，機(jī)載LiDAR將發(fā)揮重要的作用。

4 結(jié)束語

機(jī)載LiDAR在工程應(yīng)用中具有高精度、高密度、高效率等優(yōu)勢(shì)，隨著其軟硬件設(shè)備的日趨成熟，必將成為主流的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的需求，機(jī)載LiDAR技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于輸電線路工程中。

參考文獻(xiàn)：

[1]程亮，龔健雅，韓文泉.LiDAR與影像集成的真實(shí)感建筑物三維重建研究進(jìn)展[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，34（01）：21-24.

[2]全曉萍，宋志勇.LIDAR基本原理及其在電力勘測(cè)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2007（32）：97.

[3]段敏燕.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云電力線三維重建方法研究[D].武漢大學(xué)，2015.

[4]王明華，張小紅，曾濤，等.機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)濾波預(yù)處理方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2010，35（02）：224-227.

[5]汪巖松，許邦鑫，劉平.適用于山區(qū)輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集與處理方法[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2012（05）：71-76.

[6]楊曉冬.三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].遙感信息，2007（02）：24-27+102.

[7]林祥國(guó)，張繼賢.架空輸電線路機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云電力線三維重建[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016，45（03）：347-353.

[8]王和平，夏少波，譚弘武，等.電力巡線中機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)[J].地理空間信息，2015，13（05）：59-62+8.

[9]李志杰.國(guó)產(chǎn)機(jī)載LiDAR技術(shù)及其在電力巡線中的應(yīng)用[D].昆明理工大學(xué)，2013.

[10]段敏燕.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云電力線三維重建方法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016，45（12）：1495.