激光雷達(dá)在電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中國(guó)電建集團(tuán)青海省電力設(shè)計(jì)院有限公司 青海 西寧 810008

引言

激光雷達(dá)在電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中有著非常明顯應(yīng)用優(yōu)勢(shì),能夠滿足電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作開(kāi)展需要。想要更好地發(fā)揮出激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)和作用,必須要注意系統(tǒng)檢校、基準(zhǔn)站設(shè)置、數(shù)據(jù)處理等,更好地滿足電力線路工程勘察設(shè)計(jì)需要,促進(jìn)我國(guó)電力行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

1 激光雷達(dá)測(cè)量原理

激光雷達(dá)主要設(shè)備為激光發(fā)射器,其所產(chǎn)生的紅外線、紫外線等傳播速度可達(dá)3×108m/s,激光發(fā)射器的激光照射在物體表面時(shí)會(huì)反射一部分光,接收器接收這部分光,系統(tǒng)計(jì)算出發(fā)射到接收所消耗的時(shí)間,所消耗時(shí)間的一半就是單程時(shí)間,也就是激光發(fā)射器光線到達(dá)物體所消耗的時(shí)間,這一時(shí)間與光速之積就是兩者之間的距離。在獲取距離后,與激光掃描儀姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合,可獲取被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如果測(cè)點(diǎn)表面不規(guī)則,三維激光掃描儀的使用可直接獲取該點(diǎn)物體的表面圖像,機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的使用使數(shù)字高程模型精度有明顯提高。

2 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中優(yōu)勢(shì)

1)可直接在高精度的三維全景環(huán)境中展開(kāi)快捷優(yōu)化設(shè)計(jì),充分利用數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像等數(shù)據(jù)分析和計(jì)算線路路徑、農(nóng)田、開(kāi)挖方量、拆遷建筑等信息,制定出最優(yōu)決策。2)激光雷達(dá)可直接獲取三維數(shù)據(jù),能夠快速在圖像上展開(kāi)三維量測(cè),可滿足電力線路設(shè)計(jì)對(duì)距離方面要求,完成房高量測(cè)以及安全距離測(cè)量等工作。3)激光雷達(dá)在使用匯總可獲取DSM、DEM、DOM等信息,明確選線區(qū)域截面圖,較為方便的展開(kāi)三維量測(cè),降低野外實(shí)地勘測(cè)量。利用室內(nèi)三維場(chǎng)景圖選線,不會(huì)與野外勘測(cè)地形地物出現(xiàn)較大誤差,野外作業(yè)時(shí)間有明顯縮短,選線定位設(shè)計(jì)效率更高。4)成果數(shù)字化移交,利用激光雷達(dá)巡線可獲取三維電網(wǎng)GIS系統(tǒng),利用該系統(tǒng)準(zhǔn)確把握線路走廊地物與線控空間關(guān)系,明確植被各項(xiàng)生長(zhǎng)參數(shù)等。

3 激光雷達(dá)在電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 地面GPS設(shè)基準(zhǔn)站 激光測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中還需要有地面GPS基準(zhǔn)站,確保拍攝過(guò)程中可連續(xù)獲取與GPS同步的觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合差分原理對(duì)GPS軌跡進(jìn)行分析計(jì)算,在GPS基站布置方面,相鄰基站間距離需要控制在60km以內(nèi)。

3.2 數(shù)據(jù)處理 首先,建立數(shù)字化立體作業(yè)平臺(tái),利用激光掃描測(cè)量系統(tǒng)獲取的DEM數(shù)據(jù)等建立測(cè)區(qū)立體模型,以此為基礎(chǔ),展開(kāi)線路的優(yōu)化設(shè)計(jì),利用三維立體模型可從不同角度觀察同一位置情況,將這一立體模型作為整體選線平臺(tái),選線結(jié)構(gòu)的可靠性和可信度會(huì)有明顯提升,確保線路經(jīng)路徑的合理性和有效性。其次,制作DEM和DOM,激光點(diǎn)數(shù)據(jù)使用專業(yè)軟件導(dǎo)入系統(tǒng)中,設(shè)置好相應(yīng)的分析參數(shù),對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類,實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋、植被等的有效區(qū)分,利用分析和對(duì)比方式,自動(dòng)分類的準(zhǔn)確率相對(duì)較低,不超過(guò)30%,以此為基礎(chǔ),聯(lián)合人工干預(yù)措施,數(shù)字表面模型以及房屋等信息的準(zhǔn)確性有明顯提升。同時(shí)聯(lián)合數(shù)碼影像以及激光數(shù)據(jù)等,可獲取更為精確的DOM。最后,繪制塔基地形圖,當(dāng)前超高壓、特高壓輸電線路等勘察設(shè)計(jì)工作中,桿塔位高低腳已經(jīng)成為一項(xiàng)必然發(fā)展趨勢(shì),結(jié)構(gòu)專業(yè)在塔基地形圖測(cè)量方面有著非常嚴(yán)格要求。現(xiàn)有條件下,線路終勘塔基地形圖的測(cè)量多數(shù)選擇工測(cè)方法進(jìn)行,需要消耗非常多人力和時(shí)間,同時(shí)很難測(cè)量到位,內(nèi)業(yè)處理工作量有明顯增加。

3.3 激光雷達(dá)系統(tǒng)三維可視化管理 在工程驗(yàn)收中,為了對(duì)整個(gè)線路的運(yùn)行狀況進(jìn)行掌控與分析,將由三維激光雷達(dá)系統(tǒng)所獲取到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)由相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后,生成數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像,進(jìn)而整個(gè)得到輸電線路走廊的三維地形圖,如圖1所示。由激光點(diǎn)云對(duì)桿塔和導(dǎo)線及線路走廊地表的建筑物如房屋、樹(shù)木等建筑進(jìn)行三維建模,從而可方便地進(jìn)行桿塔精細(xì)化驗(yàn)收工作,對(duì)鐵塔本體部位進(jìn)行拍照巡視,得到三維照片,如圖2所示,再通過(guò)分析照片查找缺陷。此方法保證數(shù)據(jù)的精確性,又能減少數(shù)據(jù)處理的工作量,對(duì)于輸電線路運(yùn)行維護(hù)與驗(yàn)收工作具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

圖1 線路走廊示意圖歐

圖2 鐵塔激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.4 三維激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)地形地貌的檢測(cè) 激光雷達(dá)是利用多次回波技術(shù)穿透樹(shù)木植被以達(dá)到測(cè)量樹(shù)木高度的目的,這為輸電線路驗(yàn)收工作中樹(shù)木的測(cè)量與管理帶來(lái)了有效手段。在驗(yàn)收過(guò)程中若需對(duì)地物與電線之間距離進(jìn)行管理校正,則可在軟件程序中設(shè)置相應(yīng)閾值條件,一旦出現(xiàn)地物與導(dǎo)線的交跨距離不符合要求,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。相應(yīng)的,系統(tǒng)會(huì)輸出探測(cè)得到的危險(xiǎn)點(diǎn)平斷面圖、危險(xiǎn)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表等圖表,及時(shí)將危險(xiǎn)點(diǎn)的信息輸送給管理人員,以便野外人工巡線參考。

3.5 三維激光雷達(dá)系統(tǒng)在電網(wǎng)專業(yè)分析的應(yīng)用 在對(duì)輸電線路的驗(yàn)收中,考慮輸電線路的正常運(yùn)行,需要在不同的條件狀況下對(duì)輸電線路進(jìn)行電力分析,比如不同區(qū)域內(nèi)樹(shù)木品種不同,其生長(zhǎng)狀況也不盡相同,對(duì)輸電線路的影響也會(huì)隨之改變。再者如野外環(huán)境溫度的不同,電線是否覆冰和風(fēng)速等外界因素對(duì)輸電線路的影響。三維激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)精度高,處理后模擬形成的三維數(shù)字化電網(wǎng)中輸電線路的地形地貌、桿塔模型、電線弧垂等模擬均是對(duì)現(xiàn)實(shí)中電網(wǎng)最大可能的數(shù)字化再現(xiàn)。因此,由三維激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)合野外作業(yè)中桿塔上所安裝的溫度、風(fēng)速、濕度等感應(yīng)監(jiān)控設(shè)備所傳回的關(guān)于野外環(huán)境情況的數(shù)據(jù),便可在三維數(shù)字化電網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行各種電力專業(yè)分析,為線路管理人員對(duì)線路的監(jiān)控與決策提供有力支撐。

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái),電網(wǎng)建設(shè)飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量技術(shù)由于受空域、天氣等因素的影響且數(shù)據(jù)精度偏低,無(wú)法直接準(zhǔn)確獲取對(duì)建設(shè)成本和后期運(yùn)維有極大影響的林木以及高壓線、高鐵等交跨物的高度。運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)可直接獲取地物高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)處理后可導(dǎo)入三維平臺(tái),方便設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行輸電線路優(yōu)化選線,減少野外工作量。