LiDAR技術(shù)在特高壓輸電線路終勘中的應(yīng)用研究

吳 峴，歐陽亞，王 林，駱元鵬

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 引言

傳統(tǒng)的特高壓輸電線路工程終勘中，測量多采用工測與航空攝影測量相結(jié)合的方式進(jìn)行。傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)，容易受到空域、天氣等因素的影響，搭載的可見光相機(jī)，在植被茂密區(qū)域的數(shù)據(jù)精度較低，無法準(zhǔn)確獲取地表高程信息。運(yùn)用激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)可以快速、直接、大范圍地獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后可以導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)平臺，方便設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行輸電線路優(yōu)化，減少野外工作量[1]。

目前，LiDAR技術(shù)應(yīng)用于輸電線路巡檢，電廠、變電站三維建模，大比例尺地形圖測量等已趨于成熟。在輸電線路工程勘測中使用LiDAR技術(shù)，能夠克服不良天氣影響，大大降低外業(yè)工作量。相較于傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)，無需通過立體像對量測就可以直接獲取目標(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[2]。

2 LiDAR簡介

激光雷達(dá)測量(Light Detection And Ranging，LiDAR)是一種新興的主動遙感測量技術(shù)[3]，可以直接高效地獲取高精度的地面高程信息，且不受天氣影響，被廣泛應(yīng)用于測繪、林業(yè)等領(lǐng)域[4]。LiDAR集成了激光掃描、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3種技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)地面三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實(shí)現(xiàn)地物三維實(shí)時、變化、真實(shí)形態(tài)特性再現(xiàn)[5]。

機(jī)載LiDAR主要包含三大部件：激光掃描儀、航空數(shù)碼相機(jī)、定向定位系統(tǒng)POS(包含全球定位系統(tǒng)GNSS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)IMU)。激光掃描儀能夠采集激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確獲取地形信息；航空數(shù)碼相機(jī)負(fù)責(zé)采集影像數(shù)據(jù)；POS系統(tǒng)能夠提供空中每個拍攝瞬間的位置和姿態(tài)信息。經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理，能夠從激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取高精度地表三維地形。多次回波探測技術(shù)，可穿透濃密植被直達(dá)地表，準(zhǔn)確獲取地面高程，特別適用于夏季高密度厚植被區(qū)域作業(yè)。相較于傳統(tǒng)航空測量技術(shù)，LiDAR受天氣影響小，能夠直接獲取目標(biāo)點(diǎn)三維信息，測量精度能得到大幅度提升[6]。

3 作業(yè)流程

3.1 航飛任務(wù)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

傳統(tǒng)的線路選線方法是將搜集到的有關(guān)線路所需的技術(shù)資料，在已掌握的小比例尺地形圖上選出若干個可行的線路方案，經(jīng)過全面分析比較后確定一個較為經(jīng)濟(jì)、合理的線路方案[7]。近年來，線路三維可視化選線得到了逐步推廣，基于遙感數(shù)據(jù)還原的線路走廊三維場景，能夠客觀、真實(shí)地反映地表地形、水文、植被、城鎮(zhèn)等信息，降低了選線難度，提高了工作效率。

工程一般進(jìn)行兩次航飛，首次航飛使用無人機(jī)搭載可見光相機(jī)在充分分析測區(qū)地形、地貌、控制點(diǎn)情況、氣象條件等因素后，選擇合適的航攝參數(shù)，包括航向重疊度、旁向重疊度、影像分辨率等。航飛區(qū)域覆蓋了線路全路徑，測量人員在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)像控點(diǎn)，進(jìn)行空三加密，制作數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)，主要用于前期選線。第二次航飛使用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)，航飛區(qū)域主要針對植被密集區(qū)域進(jìn)行，利用激光雷達(dá)的高穿透性，獲取準(zhǔn)確的地表高程信息，經(jīng)過分類后得到數(shù)字高程模型(DEM)。結(jié)合點(diǎn)云和DEM進(jìn)行選線優(yōu)化和平斷面圖制作。該次航飛一般是在線路外業(yè)選線完畢定位之前進(jìn)行。

3.2 三維路徑優(yōu)化

經(jīng)過兩次航飛，可以獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DOM、DEM、等高線和其他測繪數(shù)據(jù)。將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入輸電線路數(shù)字化勘測設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化選線。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)大大提高了高程數(shù)據(jù)精度，能夠剔除茂密植被的影響。依托于DOM和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員無需佩戴立體眼鏡，在裸眼狀態(tài)下能夠更好判讀路徑兩旁的地物與地貌。通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的測量模塊，量測建筑物、電力線、通訊線、磚廠、天然氣采集井等對線路有影響的地物到路徑的距離。交叉跨越是影響輸電線路路徑走向的重要因素，因此綜合考慮交叉跨越，優(yōu)化線路走線顯得尤為重要。點(diǎn)云數(shù)據(jù)還能提供DOM所不具備的交叉跨越信息，利用點(diǎn)云分類，能夠提取出桿塔和電力線點(diǎn)云，在跨越處獲取已有電力線點(diǎn)云高度，以調(diào)整優(yōu)化線路路徑[8]。

3.3 平斷面圖測量

在終勘階段，結(jié)合各個專業(yè)人員外業(yè)選定的最終線路路徑，完成平斷面測量工作。

3.3.1 道路與水系調(diào)繪

基于高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率DOM，可以比較容易地判讀各類型道路和水系。值得注意的是，大疆智圖處理出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以利用周邊點(diǎn)云信息，自動填補(bǔ)水域的點(diǎn)云空洞，不會造成水域表面斷面點(diǎn)異常。

3.3.2 房屋調(diào)查

結(jié)合DOM和分類提取后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不僅可以準(zhǔn)確地繪制房屋的平面位置，還能夠準(zhǔn)確獲取房屋層數(shù)、高度信息，極大降低了外業(yè)工作量。

3.3.3 交叉跨越調(diào)繪

DOM能夠準(zhǔn)確反映線路走廊的實(shí)際情況，可用于識別影像上已有的輸電線路路徑走向和桿塔位置。同時，點(diǎn)云數(shù)據(jù)還包含了桿塔點(diǎn)云和電力線點(diǎn)云，利用點(diǎn)云分類技術(shù)，提取出電力線點(diǎn)云，在跨越處獲取已有電力線點(diǎn)云高度，調(diào)整線路路徑，為設(shè)計(jì)人員排位提供依據(jù)。

3.3.4 林木調(diào)查

基于DOM可判斷林區(qū)范圍，利用分類前點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DSM，分類后地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM，兩者相減可以得到該區(qū)域的林木高度。結(jié)合DOM上的林木紋理和點(diǎn)云的林木高度，還可以對樹種信息加以區(qū)分。后期結(jié)合少量外業(yè)實(shí)地調(diào)繪，確定樹種信息。

3.3.5 平斷面圖制作

對預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類生成地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，在基于分類后的地面點(diǎn)提取出末次回波的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過建立格網(wǎng)、粗差剔除、過濾、內(nèi)插等操作制作DEM。利用DEM數(shù)據(jù)可以自動提取斷面，利用DSM可以自動提取樹高斷面。利用DOM和DEM在專業(yè)軟件中恢復(fù)線路走廊的立體大場景，基于大場景補(bǔ)測斷面點(diǎn)，補(bǔ)測風(fēng)偏點(diǎn)，橫斷面，最后通過人工編輯，去除水域內(nèi)斷面點(diǎn)。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

宜城某500 kV線路工程，長度約102 km。工程沿線地形主要有山地、平原、河網(wǎng)，其中山地51 km，丘陵21 km，平地30 km，沿線海拔高度40～350 m。沿線交通情況較差(圖1)。

圖1 線路工程路徑

該工程是首批由中南電力設(shè)計(jì)院獨(dú)立完成航空攝影工作的線路工程之一，也是首批架空輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的示范工程之一[9]。中南院研發(fā)的輸電線路數(shù)字化勘測設(shè)計(jì)系統(tǒng)(圖2)，能夠完成各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的工作和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)勘測、電網(wǎng)、環(huán)保、水保等多專業(yè)應(yīng)用集成，為輸電線路數(shù)字化的應(yīng)用提供支撐，有助于在工程完成后將完整的成果數(shù)據(jù)(地理信息、工程模型、數(shù)據(jù)資料等)順利移交至業(yè)主手中，有效提升項(xiàng)目管理水平[10]。

圖2 輸電線路數(shù)字化勘測設(shè)計(jì)系統(tǒng)

4.2 航飛成果及應(yīng)用

首次航飛利用馬D2000智能航測遙感系統(tǒng)[11]，搭載可見光正射模塊D-CAM3000，對線路走廊進(jìn)行航飛，航飛參數(shù)如表1所示。

表1 D2000航飛參數(shù)

綜合考慮D2000的飛行效率，劃分了19個架次的航飛任務(wù)。航高400～450 m，地面分辨率3 cm，飛行范圍為線路兩側(cè)各1.1 km，共完成224 km2航飛任務(wù)，花費(fèi)15 d。測量人員在區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)像控點(diǎn)和檢核點(diǎn)177個，進(jìn)行空三加密和高程改正，將大地高轉(zhuǎn)換為85高程。線路走廊的高程總誤差平均值為-0.09 m，高程總中誤差為0.22 m，滿足規(guī)范的精度要求(圖3)。

圖3 數(shù)字正射影像與數(shù)字表面模型

將DOM和DSM數(shù)據(jù)導(dǎo)入輸電線路數(shù)字化勘測設(shè)計(jì)系統(tǒng)，重建線路走廊三維場景[12]。設(shè)計(jì)人員同步將搜集到的線路相關(guān)資料導(dǎo)入設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，輔助選線。設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以根據(jù)選線結(jié)果自動生成斷面圖(圖4、圖5)。

圖4 三維大場景選線(交叉跨越)

圖5 三維選線斷面自動生成

第二次航飛使用大疆經(jīng)緯M300 RTK無人機(jī)，搭載禪思L1鏡頭，對輸電線路走廊植被茂密區(qū)域進(jìn)行航飛，采集高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。禪思L1集成 Livox 激光雷達(dá)模塊、高精度慣導(dǎo)、測繪相機(jī)、三軸云臺等模塊，能夠?qū)崟r生成真彩色點(diǎn)云；支持3次回波，保證植被的高穿透性；M300 RTK最高可以提供平面1 cm+1×10-6，高程1.5 cm+1×10-6的定位精度，由GNSS與INS共同組成了高精度定位測姿系統(tǒng)，可為后處理成果提供高精度過程數(shù)據(jù)文件[13]。

本次航飛以初選路徑為參考，將首次航飛得到的DSM數(shù)據(jù)導(dǎo)入飛控軟件中，進(jìn)行仿地飛行(圖6)。沿路徑飛行了42 km，帶寬為200 m，覆蓋區(qū)域均為植被茂密區(qū)域，約耗費(fèi)8 d時間。航飛參數(shù)如表2所示。

表2 M300 RTK航飛參數(shù)

圖6 LiDAR航飛線路

航飛結(jié)束后，利用大疆智圖軟件進(jìn)行 POS 解算、點(diǎn)云與可見光數(shù)據(jù)融合、模型生成、作業(yè)報告輸出，實(shí)現(xiàn)后處理一鍵式操作，得到初始點(diǎn)云成果。利用LiDAR360軟件對初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略自動分類。自動分類結(jié)束后，采用人工輔助分類的方式對點(diǎn)云進(jìn)行精細(xì)分類，對一些錯分、漏分的點(diǎn)云進(jìn)行修正和手動提取[14](圖7)。

圖7 初始點(diǎn)云的不同顯示模式

LiDAR數(shù)據(jù)包含豐富的地表信息，無需再立體下觀測，就能判讀各類地物地貌。結(jié)合LiDAR和DOM，利用設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的測量模塊，量測建筑物、電力線、通訊線、磚廠、天然氣采集井等對線路有影響的地物到路徑的距離，大大優(yōu)化了初選路徑(圖8)。

圖8 各類地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

LiDAR數(shù)據(jù)能夠很好地克服茂密植被帶來的影響。經(jīng)過點(diǎn)云分類后得到準(zhǔn)確的地表高程信息(圖9～圖11)?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)制作平斷面圖，大大提高了平斷面圖的精度。

圖9 點(diǎn)云分類前后對比

圖10 同區(qū)域DSM與DEM對比

圖11 大場景聯(lián)機(jī)測

4.3 精度分析

為檢測激光點(diǎn)云的測量精度，測量人員在外業(yè)使用GNSS RTK實(shí)測了樁位高程，樁位均處于野外植被茂密地區(qū)。在地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)中也提取了對應(yīng)位置的高程，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖12。

圖12中DSM數(shù)據(jù)源與實(shí)測樁位的高程差值，誤差平均值6.04 m，差值最大值18.96 m，差值最小值-14.69 m，差值中誤差±7.92 m;LiDAR的DEM數(shù)據(jù)源與實(shí)測樁位的高程差值，誤差平均值-0.09 m，差值最大值036 m，差值最小值-0.34 m，差值中誤差±0.2 m。

圖12 DSM與DEM數(shù)據(jù)源分別與實(shí)測樁位高差的對比效果

精度方面完全符合線路工程中平面1∶5000，斷面1∶500的測圖要求，滿足輸電線路平斷面數(shù)據(jù)采集的要求。

圖13 優(yōu)化后斷面(深色-DSM斷面，淺色-LiDAR斷面)

5 結(jié)論與討論

本文簡述了LiDAR技術(shù)在特高壓輸電線路中的應(yīng)用，對整體流程和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了探討，得到了如下結(jié)論：

(1)LiDAR相對于傳統(tǒng)無人機(jī)航測技術(shù)來說，分辨率高、穿透能力強(qiáng)。根據(jù)工程實(shí)際情況和無人機(jī)飛行效率，經(jīng)過綜合考量，在線路工程中選擇在部分區(qū)域內(nèi)使用LiDAR技術(shù)。通過機(jī)載LiDAR獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的平斷面圖，其自動化程度和整體精度更高，外業(yè)人員只需進(jìn)行少量檢核工作，保障了人員安全，提升了工作效率，應(yīng)用價值更加深遠(yuǎn)。

(2)基于兩次航飛成果制作的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DOM、DEM數(shù)據(jù)生成的三維場景，可以進(jìn)行三維大場景漫游，設(shè)計(jì)人員能更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對地物的判斷、空間位置的確定更準(zhǔn)確、便捷，能較好避讓重要地物，更合理地選擇線路路徑和桿塔位置。

(3)該工程在中南院輸電線路數(shù)字化勘測設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成了勘測設(shè)計(jì)全過程，航飛采集數(shù)據(jù)、外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)均能導(dǎo)入設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通和數(shù)據(jù)共享，基于一體化平臺思維整合、管理、維護(hù)輸電線路勘測設(shè)計(jì)的各類資源，推動了輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)發(fā)展。