激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊 曉 慧

(中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

近年來，電網(wǎng)建設(shè)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)由于受空域、天氣等因素的影響且數(shù)據(jù)精度偏低，無法直接準(zhǔn)確獲取對建設(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，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。

激光雷達(dá)技術(shù)(LiDAR)是指激光探測及測距系統(tǒng)，利用激光光波進(jìn)行類似雷達(dá)的主動式遙感技術(shù)。LiDAR可快速、精確地測量探測器至物體的距離，通過數(shù)據(jù)處理生成精確的數(shù)字地面模型和正射影像[1]，還可以直接提取所需的交叉跨越、房屋等地物信息。地面架站式LiDAR可以在不接觸目標(biāo)地物的條件下直接獲取地物表面的三維坐標(biāo)，并具有較高的采樣率和測量精度[2]。相較于傳統(tǒng)攝影測量和衛(wèi)星測量，LiDAR具有受天氣影響小、外業(yè)工作量少、無需通過立體像對量測直接獲取目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)，且數(shù)據(jù)處理自動化程度高、信息豐富、精度高等優(yōu)勢[3]。

今年，我院承接了江蘇省內(nèi)首個國網(wǎng)500 kV三維設(shè)計(jì)試點(diǎn)工程——500 kV茅山～斗山輸電線路工程。本工程全線使用飛馬固定翼無人機(jī)航飛，并通過使用架站式三維激光雷達(dá)對線路沿線三處重要交跨進(jìn)行了掃描建模，使得線路可研初設(shè)階段即可在三維平臺進(jìn)行路徑比選，準(zhǔn)確判斷“三跨”對線路的影響，對輸電線路三維設(shè)計(jì)推廣具有一定意義。

1 項(xiàng)目應(yīng)用分析

1.1 項(xiàng)目概況

500 kV茅山～斗山輸電線路工程位于江蘇省境內(nèi)，其功能主要是為了滿足江蘇電網(wǎng)“西電東送”、蘇南電網(wǎng)負(fù)荷增長需要和各種運(yùn)行方式的潮流輸送的需求。線路總長45.5 km，路徑沿線有滬蓉高速,京滬高速,國道G312，S229省道等，通道內(nèi)比較擁擠，“三跨”及房屋等障礙物較多(見圖1)。

1.2 輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及可視化處理

本工程使用架站式RIEGL激光掃描儀對線路沿線跨京杭運(yùn)河、滬寧高鐵、京滬高鐵以及武南路新建段被跨越的220 kV和110 kV電力線等重要交跨段進(jìn)行了掃描，掃描范圍為線路兩側(cè)各50 m，電力線、高鐵兩側(cè)100 m范圍。需掃描的最高塔全高約為75 m，部分路段植被密集。由于三處交跨分布在線路沿線的三個不同位置，因此分三處分別布設(shè)測站進(jìn)行掃描，外業(yè)掃描滿足CH/Z 3017—2015地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程要求，約耗費(fèi)2 d時間。

輸電線路三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要包括通道內(nèi)的地形地貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及輸電線路設(shè)備元件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)兩種[4]。設(shè)計(jì)專業(yè)可根據(jù)線路通道內(nèi)的地形和通道內(nèi)老線桿塔，導(dǎo)、地線以及絕緣子、金具的情況來進(jìn)行桿塔排位及塔型設(shè)計(jì)。

外業(yè)掃描完成后，需要對原始點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)、濾波、分類、縮減、建模等處理，來提取出原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的有效信息，確定數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的空間拓?fù)潢P(guān)系和鄰域信息[5]。將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用自帶的內(nèi)業(yè)處理軟件對點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，對地表、水系、植被等經(jīng)過抽稀、濾波除噪后進(jìn)行粗略自動分類，點(diǎn)云自動分類流程如下：

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)→分離多次回波的首次回波和中間回波點(diǎn)→分離低點(diǎn)→分離空中點(diǎn)→分離地面點(diǎn)→分離低于地面點(diǎn)→自動分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

自動分類結(jié)束后，還應(yīng)采用人工輔助分類的方式對點(diǎn)云進(jìn)行精細(xì)分類，一些無法根據(jù)回波信息、高程信息及周邊點(diǎn)關(guān)系區(qū)分的部分線路設(shè)備元件等需進(jìn)行手動提取，并對地表植被、建筑物等構(gòu)筑不規(guī)則三角網(wǎng)反復(fù)修正，剔除大部分錯誤。最后用處理后的高精點(diǎn)云導(dǎo)入三維平臺，對交跨處進(jìn)行提取分析[6,7]。

1.3 項(xiàng)目應(yīng)用

本工程途經(jīng)三處重要跨越段，以大轉(zhuǎn)角跨越京滬高鐵段為例，此段需在徐霞客大道、界河、500 kV泰興—斗山線路之間的三角地跨越京滬高鐵，且跨越高度較高，轉(zhuǎn)角角度大。故需對該處跨越方案進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，從而確保工程技術(shù)方案的可行性，以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)越性。

京杭運(yùn)河、滬寧高鐵與京滬高鐵均在本次線路的途經(jīng)范圍內(nèi)(見圖2,圖3)；此外，線路途經(jīng)的武南路段有四條重要交跨，分別為三條220 kV與一條110 kV。因此，對于線路必經(jīng)之地，高壓線以及鐵路、河流等重要跨越段對線路的影響尤為重要，通過三維激光掃描獲取導(dǎo)、地線的準(zhǔn)確高度，以及一些危險地物具體空間位置，也可直接提取坐標(biāo)信息，來判斷其對線路的影響。在三維平臺中，設(shè)計(jì)人員可結(jié)合影像及點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行桿塔排位及重要點(diǎn)位的量取，對路徑進(jìn)行優(yōu)化，確保合理可行，將外業(yè)現(xiàn)場搬至室內(nèi)操作，節(jié)省了人力(見圖4)。

1.4 點(diǎn)云精細(xì)化建模

在輸電線路三維設(shè)計(jì)過程中，用傾斜攝影的方式對桿塔及電力線建模會產(chǎn)生空洞且效果不佳，而采用地面三維LiDAR技術(shù)獲取高精度海量點(diǎn)云以及影像數(shù)據(jù)，對通道內(nèi)已有的桿塔及線路進(jìn)行建模，不僅可以保證鐵塔及其零部件等信息的準(zhǔn)確性，還記錄了鐵塔各部位的三維坐標(biāo)信息，方便結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行各種距離的量測作業(yè)，進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

1.5 平斷面量測

在施工圖階段，需要根據(jù)設(shè)計(jì)提供的最終線路路徑在立體大場景模型中進(jìn)行輸電線平斷面測量工作(見圖5)。根據(jù)無人機(jī)航測制作的正射影像、數(shù)字高程模型可直接在軟件中繪制平斷面圖，而通過激光雷達(dá)采集的高精度交跨點(diǎn)云數(shù)據(jù)可在軟件中自動提取交叉跨越的高程，擺脫了傳統(tǒng)航測需要佩戴立體眼鏡的立體測圖模式。精度方面完全符合線路工程中平面1∶5 000、斷面1∶500的測圖要求，滿足輸電線路優(yōu)化選線以及平斷面圖數(shù)據(jù)采集的要求。

2 精度分析

為了檢驗(yàn)基于架站式的三維激光雷達(dá)生產(chǎn)的輸電線路平斷面圖中的交跨能否滿足規(guī)范要求，本工程在終勘定位階段利用網(wǎng)絡(luò)RTK及全站儀采集了24個特征點(diǎn)進(jìn)行校核。其中平面最小誤差為0.02 m，最大誤差為0.10 m，距離相對誤差最大為1/1 250；高程最小誤差為0.02 m，最大誤差為0.09 m。根據(jù)GB 50548—2010 330 kV～750 kV架空輸電線路勘測規(guī)范的要求，線路平斷面比例尺宜采用水平1∶5 000，垂直1∶500，對有影響的平行接近電力線，應(yīng)測繪其位置、高程和桿高，必要時宜施測1∶1 000或1∶2 000的平行接近線路相對位置平面分圖。且交叉跨越點(diǎn)相對于鄰近直線樁測量允許偏差為：高程限差不應(yīng)大于0.3 m，距離相對誤差為1/200。結(jié)果表明激光雷達(dá)對三跨的測量能夠應(yīng)用于三維設(shè)計(jì)且精度較高，能滿足本工程勘測設(shè)計(jì)的需要。

3 結(jié)語

本文以江蘇地區(qū)國網(wǎng)首個三維設(shè)計(jì)試點(diǎn)項(xiàng)目500 kV茅山～斗山線路工程為例，介紹采用地面架站式激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。三維激光掃描的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)可對線路及周邊的建筑、設(shè)施、地形地貌等三維信息進(jìn)行模擬和再現(xiàn)，對武南河邊連續(xù)跨越多條電力線高塔段，連續(xù)跨越京杭運(yùn)河、滬寧鐵路、滬寧高鐵段，大轉(zhuǎn)角跨越京滬高鐵段進(jìn)行多方案精確排桿定位，確定最佳跨越方案、準(zhǔn)確塔型、呼高及占地范圍，從而確保工程技術(shù)方案的可行性，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的優(yōu)越性，極大地減少施工圖階段現(xiàn)場工作量。同時也提高了線路沿線的平斷面精度，減少了航測野外調(diào)繪的工作量與勞動成本，從長遠(yuǎn)來看，對智能電網(wǎng)的優(yōu)化與管理提供了精準(zhǔn)有效的手段。