無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)在輸電線路選線中的應(yīng)用研究

敖哲鑫

廣東省核工業(yè)地質(zhì)局測(cè)繪院，廣東 廣州 510800

1 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）數(shù)據(jù)精度高。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)具有主動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，同時(shí)更能準(zhǔn)確便捷地判讀地形地物、測(cè)量和獲取空間信息等。特別是在植被覆蓋區(qū)，相較于傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高精度的斷面圖。

（2）作業(yè)周期短。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理功能，具有超高的精準(zhǔn)度，相較于傳統(tǒng)航測(cè)外業(yè)工作，應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以省去大量的外控工作和刺點(diǎn)工作，同時(shí)更是顯著減少了野外調(diào)繪工作。此外，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以使選線三維場(chǎng)景更加生動(dòng)逼真，為設(shè)計(jì)人員在整體線路路徑把控上提供便捷的服務(wù)。

（3）選線過(guò)程中的輔助信息豐富。設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化選線的過(guò)程中可以借助激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)向設(shè)計(jì)人員提供周圍數(shù)據(jù)信息，包括房高、塔高、樹高等信息。

2 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)在輸電線路選線中的應(yīng)用模式

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)用于輸電線路選線的模式具體如下：（1）原始數(shù)據(jù)獲取。通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取原始激光數(shù)據(jù)、GPS/IMU數(shù)據(jù)以及原始高清數(shù)碼影響數(shù)據(jù)。（2）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)DGPS/IMU聯(lián)合解算、激光點(diǎn)數(shù)據(jù)大地定向和分類處理激光數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)輸出DEM/DSM/DOM等三維地形地貌成果數(shù)據(jù)。（3）激光雷達(dá)在輸電線路選線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。以DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依托，同時(shí)結(jié)合二維、三維模式，利用相關(guān)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，采用人機(jī)交互方式，共同完成輸電線路選線的設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)路徑半自動(dòng)選擇，并且自動(dòng)生成平斷面圖。

3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)包括激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和回波強(qiáng)度圖像數(shù)據(jù)，其中激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)又分為地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)和非地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)可以對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)（如圖1所示）進(jìn)行分類，自動(dòng)生成DEM數(shù)據(jù)（如圖2所示），然后通過(guò)生成的DEM數(shù)據(jù)和航空數(shù)碼影響的內(nèi)外方位元素，即可正射糾正航空數(shù)碼影像，從而生成DOM數(shù)據(jù)。

圖1 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖2 DEM數(shù)據(jù)

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)具體包括以下技術(shù)：

（1）激光點(diǎn)云去噪技術(shù)。在激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，存在著大量的粗差數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差，為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要將超出整體數(shù)據(jù)點(diǎn)正常標(biāo)準(zhǔn)的噪聲點(diǎn)和數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)濾消除。同時(shí)按照激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)大小以及計(jì)算機(jī)性能，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分門別類。

（2）自動(dòng)分類技術(shù)。獲取DEM數(shù)據(jù)的途徑為激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取方式主要是通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)將地面真實(shí)的數(shù)據(jù)從中分離出來(lái)。這些分離出的數(shù)據(jù)落于落地表面的點(diǎn)被叫作地面點(diǎn)，而反映地物形態(tài)的點(diǎn)，包括建筑物、植被、管線等，被叫作非地面點(diǎn)，這類非地面點(diǎn)需要在DEM數(shù)據(jù)生成之前進(jìn)行剔除處理。之后通過(guò)相關(guān)軟件利用不規(guī)則三角網(wǎng)漸進(jìn)濾波法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類。在進(jìn)行自動(dòng)分類之前，需根據(jù)測(cè)區(qū)已有的測(cè)區(qū)方法對(duì)整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域范圍內(nèi)的狀況進(jìn)行評(píng)判，包括區(qū)域內(nèi)的地形、地貌等條件，同時(shí)在評(píng)判數(shù)據(jù)中選取代表性的數(shù)據(jù)作為樣區(qū)，對(duì)分類數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，然后根據(jù)分類點(diǎn)云剖面分布的實(shí)際情況，對(duì)數(shù)據(jù)分類的質(zhì)量做出科學(xué)判斷，最后將準(zhǔn)確性高的參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用于整個(gè)測(cè)區(qū)。

（3）手動(dòng)分類技術(shù)。自動(dòng)處理技術(shù)只能適用于對(duì)數(shù)據(jù)的初步分類，這種分類技術(shù)存在著較大的誤差，只能通過(guò)手動(dòng)分類技術(shù)達(dá)到數(shù)據(jù)精細(xì)化分類的目的。通過(guò)手動(dòng)分類方式，對(duì)數(shù)據(jù)分類較差的區(qū)域進(jìn)行調(diào)試分類處理，直到滿足精細(xì)化數(shù)據(jù)分類的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）DEM數(shù)據(jù)生成技術(shù)。首先，將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將取得的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插生成柵格形式的DEM數(shù)據(jù)。值得注意的是，一定要確保DEM數(shù)據(jù)的完整性，以便獲得完整的地形信息，千萬(wàn)不能出現(xiàn)插值漏洞，保證圖幅接邊地形過(guò)渡自然，接邊誤差符合要求。其次，利用影像處理技術(shù)。具體包括如下步驟：第一，空中三角測(cè)量。通常情況下，預(yù)處理后獲得的影像外方位元素難以符合工程生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化空中三角測(cè)量工作。空中三角測(cè)量是指通過(guò)影像上的像點(diǎn)坐標(biāo)和地面上的少量控制點(diǎn)坐標(biāo)恢復(fù)影像間精確拓?fù)鋷缀侮P(guān)系的過(guò)程。第二，DOM數(shù)據(jù)生成?？罩腥菧y(cè)量工作完成之后，便可進(jìn)行正射影像DOM數(shù)據(jù)的生成，并在此過(guò)程中進(jìn)行勻色和鑲嵌處理。為了達(dá)到工程數(shù)據(jù)精度的標(biāo)準(zhǔn)，不僅需要加強(qiáng)DOM影像分辨率和精準(zhǔn)度，還需要保障影像的清晰度，影像反差要適中，色調(diào)溫和良好，接邊過(guò)渡自然，接邊誤差符合工程生產(chǎn)的要求。

4 激光雷達(dá)在選線工程中的應(yīng)用

在開展輸電線路選線工程之前，需要對(duì)激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，可以通過(guò)DSM數(shù)據(jù)或者DEM數(shù)據(jù)完成三維場(chǎng)景的構(gòu)建，從而提高三維場(chǎng)景的仿真性。在此場(chǎng)景之中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路周圍狀況進(jìn)行多維度的觀察與分析，包括周邊地上物、地貌等情況，凡是能夠影響地物距離線路的距離因素都能夠通過(guò)逼真的三維場(chǎng)景測(cè)量出來(lái)。不僅如此，設(shè)計(jì)人員還可以在三維場(chǎng)景中通過(guò)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行放大、縮小等形式，熟知和掌握全路徑的地形條件。同時(shí)設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)三維場(chǎng)景中逼真的畫面，對(duì)輸電線路沿途存在的影響因素進(jìn)行全面綜合的考量，從而設(shè)計(jì)出更合理、更經(jīng)濟(jì)的輸電線路路徑，最大限度地降低對(duì)周圍環(huán)境和居民生活的影響。具體操作流程如下：

（1）在三維場(chǎng)景選線中的應(yīng)用。在三維場(chǎng)景中，可以以DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)疊加的方式顯示在三維場(chǎng)景中，從而形成輸電線路路徑走廊的三維場(chǎng)景效果圖。在此動(dòng)態(tài)效果圖中，可以利用多種工具完成三維效果選線（如圖3所示），不僅可以對(duì)線路沿途中潛在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)，還可以在設(shè)計(jì)的線路路徑不準(zhǔn)確時(shí)對(duì)其進(jìn)行重復(fù)修改，從而初步確定輸電線路路徑。

圖3 三維場(chǎng)景選線

（2）統(tǒng)計(jì)房屋拆遷量。在輸電線路建設(shè)成本中，房屋拆遷賠款是其中重要的內(nèi)容之一。線路路徑明確之后，通過(guò)從中設(shè)定緩沖區(qū)的方式，將分類好的房屋類激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)從中提取出來(lái)，通過(guò)測(cè)量線路沿途中房屋的高度，對(duì)整個(gè)緩沖區(qū)域內(nèi)的建筑總面積進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)算，進(jìn)而對(duì)房屋賠償費(fèi)用進(jìn)行估算，將輸電線路建設(shè)成本控制在科學(xué)合理的范圍內(nèi)。

（3）統(tǒng)計(jì)林木砍伐量。輸電線路路徑確定之后，需要對(duì)涉及范圍內(nèi)的樹林情況進(jìn)行整體評(píng)估，詳細(xì)計(jì)算出林木總體的砍伐量，以便對(duì)施工成本進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)估。通過(guò)相關(guān)軟件對(duì)即將砍伐的林木高度進(jìn)行自動(dòng)量測(cè)，同時(shí)還需要計(jì)算出即將砍伐林木的面積，從而對(duì)樹木賠償費(fèi)用進(jìn)行整體估算。

（4）快速、高精度獲取平斷面圖。激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)植被具有較強(qiáng)的穿透作用，能精準(zhǔn)地獲取地面DEM數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)技術(shù)不僅可以快速自動(dòng)獲取線路中心線和左右邊線的斷面圖，還能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員的工作提供諸多的便捷。不僅如此，激光雷達(dá)技術(shù)還可以將分類好的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)生成DLG數(shù)據(jù)圖，包括地面建筑物、道路等，并結(jié)合調(diào)繪數(shù)據(jù)生成輸電線路的平斷面圖，該平斷面圖的主要作用在于方便設(shè)計(jì)人員精準(zhǔn)地調(diào)整桿塔位置和高度，進(jìn)一步優(yōu)化整條輸電線路。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在輸電線路選線中應(yīng)用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)，不僅可以滿足輸電線路選線數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的需求，還可以避免傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)成本高、飛行周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)和激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，應(yīng)用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)還可以獲取豐富的信息內(nèi)容，如房高、塔高、樹高等信息，并將信息反饋給設(shè)計(jì)人員，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)輸電線路進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。不僅如此，應(yīng)用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)，還可以對(duì)林木砍伐量和房屋拆遷量進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，從而更精準(zhǔn)地判斷和設(shè)計(jì)輸電線路徑，降低工程成本。