小型機載激光雷達技術(shù)在植被覆蓋區(qū)域輸電線路工程中的應用

梁興+李虹+竇延娟

摘 要：本文簡要闡述了基于小型機載激光雷達技術(shù)在植被覆蓋區(qū)域輸電線路工程中的應用。通過對小型機載激光雷達系統(tǒng)原理及其在電力線路優(yōu)化設計中技術(shù)優(yōu)勢進行分析，形成了一套規(guī)范的應用機載激光雷達技術(shù)的輸電線路勘測優(yōu)化設計技術(shù)流程。通過數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理，最后將高精度機載激光雷達豐富的數(shù)據(jù)成果應用在專業(yè)的LIDAR三維輸電線路優(yōu)化設計系統(tǒng)進行可視化線路設計，滿足了電力線路工程需求，降低了選線難度，提高了工作效率，具有良好的社會效益及經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：小型機載激光雷達技術(shù)；植被覆蓋區(qū)三維測繪；電力優(yōu)化選線

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A

0.引言

輸電線路勘測優(yōu)化設計在是輸電線路工程中最基礎(chǔ)最重要的工作，優(yōu)化設計輸電線路路徑需要綜合考慮行政規(guī)劃、運行安全、經(jīng)濟合理、施工難度、檢修方面等因素。而在輸電線路優(yōu)化設計工程中，特別是工程工期緊、測繪面積較大、精度要求高且測區(qū)地形較為復雜的情況下，輸電線路優(yōu)化設計難度較大，尤其是在我國西南地區(qū)以高山大嶺為主，地形起伏大，植被覆蓋率高且平丘地區(qū)房屋密集，分布不規(guī)則。傳統(tǒng)的線路優(yōu)化設計主要采用的測量方法是工測量方法或者工程測量與航測相結(jié)合的方法。傳統(tǒng)的線路優(yōu)化設計方法具有外業(yè)勞動力強大，數(shù)據(jù)精度低且無法獲取植被以下地形及交叉跨越的高度，工期比較長等缺點。將激光雷達技術(shù)應用于電力線路優(yōu)化設計中能降低選線難度，提高設計效率。因為機載激光雷技術(shù)具有數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富、數(shù)據(jù)精度高，能夠獲取植被以下的地形及交叉跨越高度且自動化程度高，能夠保證線路走向合理，大大降低外業(yè)工作量，縮短工期等優(yōu)點。

我單位采用綿陽天眼激光科技有限公司自主研發(fā)的小型激光雷達測繪系統(tǒng)搭載在動力三角翼上對四川廣元某山區(qū)測區(qū)進行數(shù)據(jù)采集，應用高精度激光雷達數(shù)據(jù)成果，在基于激光雷達數(shù)據(jù)輸電線路三維優(yōu)化選線軟件中進行優(yōu)化設計，高效快速對該區(qū)線路進行優(yōu)化設計，降低了選線難度，提高了工作效率，具有良好的社會效益及經(jīng)濟效益。

1.小型機載激光雷達系統(tǒng)原理及技術(shù)優(yōu)勢

1.1 機載激光雷達系統(tǒng)原理

機載激光雷達系統(tǒng)是集激光測距、全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導航系統(tǒng)（IMU）及高分辨率航拍相機于一體的系統(tǒng)。利用高精度的激光掃描測距技術(shù)獲取三維激光點云、慣性導航單元系統(tǒng)獲取飛行平臺姿態(tài)信息、機載GPS獲取飛行平臺的空間三維位置信息；利用高分辨率數(shù)碼相機獲取真彩色數(shù)據(jù)影像。機載激光雷達測量原理：機載激光雷達激光腳點定位采用飛行航跡來計算激光腳點的坐標。因此基于飛行航跡和系統(tǒng)瞬時姿態(tài)的激光點的坐標計算如公式（1）所示，公式（1）中的L是瞬時激光脈沖源到地物的距離，基于飛行時間測量原理的測距由公式（2）求得。公式（1）中是激光發(fā)射角，XL、YL、ZL是激光器的位置坐標，通同轉(zhuǎn)換矩陣就可以精確的計算出每一個地面光斑的XG、YG、ZG。

機載激光雷達系統(tǒng)包括以下4部分：機載激光掃描雷達單元；DGPS及IMU慣性導航單元；高分辨率航拍相機；系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)實時記錄存儲單元。各部分用以太網(wǎng)協(xié)議交換數(shù)據(jù)，供電選用航空電池供電。小型激光雷達系統(tǒng)原理如圖1所示，不需要或需要極少地面控制點即可快速獲取地表及植被以下地表的精確三維信息。

1.2 小型機載激光雷達系統(tǒng)在輸電線路優(yōu)化設計的技術(shù)優(yōu)勢

小型機載激光雷達系統(tǒng)以其體積小、重量輕且精度高等優(yōu)點，選擇的飛行平臺較為靈活，快速響測繪作業(yè)任務且數(shù)據(jù)采集周期短。搭載平臺可以選擇有人直升機、無人機、無人氦氣飛艇及動力三角翼等，根據(jù)任務需求可以選擇不同的飛行平臺。針對本次山區(qū)及植被較為密集的作業(yè)區(qū)域，選擇搭載動力三角翼作為飛行平臺對測區(qū)進行數(shù)據(jù)采集。機載激光雷達技術(shù)具有穿透性，能夠獲取植被以下高精度地形數(shù)據(jù)及交叉跨越高度；數(shù)據(jù)精度高、點云密度高；且能快速高效進行作業(yè)；數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富，能獲取高精度的三維激光點云數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)碼影像經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到高精數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字表面模型DSM、高分辨率數(shù)字正射影像DOM及精細分類的點云數(shù)據(jù)（包括電力線點、植被點、房屋點）等。

機載激光雷達數(shù)據(jù)成果，在電力選線以及后期設計工作中提供多種輔助參考信息。生成的高精度DEM數(shù)據(jù)可以實時獲取線路各個方向斷面信息及塔基地形、塔基斷面；通過數(shù)據(jù)分類處理，獲取地面、電力線三維點云數(shù)據(jù)，設計人員在室內(nèi)即可完成線路交叉跨越測量工作；高分辨率真彩正射影像DOM利于選線避開房屋、庫區(qū)、墳墓等重要地物，綜合參考DEM和DSM可實時獲取房高樹高，精確評估樹木砍伐量與房屋拆遷量等；DEM結(jié)合DOM得到真實的三維場景，可從不同視角查看線路周圍的地物、地貌信息，直觀可視的三維地形瀏覽及選線，大幅度提高工作效率。

2.技術(shù)路線

基于小型機載激光雷達技術(shù)在植被覆蓋區(qū)輸電線路勘測優(yōu)化設計中的工程應用主要技術(shù)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應用。采用小型機載激光雷達系統(tǒng)進行電力選線數(shù)據(jù)的獲取具體技術(shù)路線如圖2所示。

機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取的原始數(shù)據(jù)包括原始激光點云數(shù)據(jù)、原始數(shù)碼影像、慣性導航（IMU）數(shù)據(jù)、機載GPS數(shù)據(jù)、地面基站GPS數(shù)據(jù)。對機載激光雷達獲取的數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線如圖3所示。

經(jīng)上述數(shù)據(jù)處理后得到的數(shù)據(jù)成果高分辨率數(shù)碼影像DOM、高精度數(shù)字高程模型DEM、高精度數(shù)字表面模型DSM及精細分類后的電力線點云數(shù)據(jù)LAS，加載于專門基于LIDAR數(shù)據(jù)成果的三維輸電線路優(yōu)化設計系統(tǒng)，對激光雷達獲取的數(shù)據(jù)進行管理與瀏覽，進行三維選線，主要技術(shù)路線如圖4所示。

3.工程應用

我公司應用小型機載激光雷達技術(shù)，對地勢起伏較大且植被覆蓋率高的廣元中子（中子-明月峽220kV線路工程、中子-雪峰220kV線路工程）約86km的輸電線路工程勘測優(yōu)化設計，應用動力三角翼搭載機載激光雷達測繪系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)處理制作高精度DEM、DSM、高分辨率DOM及精細分類電力線點云。運用三維輸電線路優(yōu)化設計系統(tǒng)對該工程進行室內(nèi)快速可視化三維優(yōu)化選線設計。

3.1 工程測區(qū)概述

廣元中子鎮(zhèn)位于廣元市朝天區(qū)東北部，屬于低中山區(qū)，南北邊緣高峰聳立，海拔在500m～1600m，植被較為密集，高差較大。本次220kV輸電線路工程包括中子鎮(zhèn)—明月峽鄉(xiāng)、中子鎮(zhèn)—雪峰鄉(xiāng)兩條線路，測區(qū)全長約86km。

3.2 數(shù)據(jù)采集

在航測前，進行控制點的踏勘、選址和埋設樁位，用于靜態(tài)觀測。GPS網(wǎng)形規(guī)劃與控制點之分布有關(guān)，為使整個網(wǎng)形的點位誤差分布均勻，在測區(qū)布設4個基站，覆蓋測區(qū)。結(jié)合小型機載激光雷達系統(tǒng)自身的特點，對航高、航速、相機鏡頭焦距及曝光速度、掃描頻率等航攝參數(shù)進行設置；為獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，本次工程共設計了兩條航線，能充分滿足測區(qū)的帶寬和激光點云密度要求。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)后處理。數(shù)據(jù)預處理是對的激光點云數(shù)據(jù)大地定向和計算影像外方位元素；數(shù)據(jù)后處理是在預處理的基礎(chǔ)上經(jīng)過點云去噪、濾波及精細分類，快速自動分離出精細的地面點（圖5）及分類后的電力線點云數(shù)據(jù)（圖6），可以快速提取交叉跨越高度。通過對精細的地面點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)格TIN即可快速生成DEM數(shù)據(jù)（圖7），去噪后的所有地物點即可快速生成DSM。使用精細分類的地面點對數(shù)碼影像單張正射糾正，通過鑲嵌勻色即可生成高分辨率正射影像DOM（圖8）。

（1）精細分類后的地面點

（2）精細分類后高密度電力線點云數(shù)據(jù)用于獲取交叉跨越高度

（3）高精度數(shù)字高程模型DEM和數(shù)字表面模型DSM

（4）高分辨率正射影像DOM

3.4 線路優(yōu)化設計

通過后期數(shù)據(jù)處理得到的成果有DOM、DEM、DSM、分類后的電力線點云，將數(shù)據(jù)成果導入到基于激光雷達數(shù)據(jù)輸電線路三維優(yōu)化選線軟件中，充分利用機載激光雷達系統(tǒng)的多種數(shù)據(jù)成果，進行室內(nèi)可視化電力線路選線優(yōu)化設計，為線路設計提供多種輔助信息，如房高樹高、面積坡度量測、線路交叉跨越高度測量、快速平斷面/塔基斷面/塔基地形圖等。

在三維輸電線路優(yōu)化設計系統(tǒng)中能夠快速對已有電力線路交叉跨越高度進行量測（圖9）；在線路設計過程中基于精細DEM快速獲取不同方向、不同深度的斷面數(shù)據(jù)（包括植被以下區(qū)域）；高分辨率正射影像圖結(jié)合DSM數(shù)據(jù)可以從中精確量取待拆遷房屋面積及待砍伐植被面積，同時能夠?qū)崿F(xiàn)線路的優(yōu)化，減少線路與房屋、植被的跨越，同時對重要地物（高速路、鐵路等）跨越角度進行評估（圖10）；根據(jù)優(yōu)化選線結(jié)果及DEM，可以快速自動獲取線路平斷面圖、塔基斷面圖及塔基地形圖，最終優(yōu)化選線結(jié)果如圖11所示。

3.5 精度分析

通過外業(yè)實地檢查對本次植被覆蓋區(qū)輸電線路測區(qū)應用機載激光雷達技術(shù)勘測獲取數(shù)據(jù)進行精度評估，整個測區(qū)獲取了高密度點云數(shù)據(jù)，平均個平方米有6～7個點；整個線路測區(qū)高程中誤差為31cm，平面中誤差為65cm，完全滿足電力選線需求。

結(jié)語

通過應用小型機載激光雷達技術(shù)在植被覆蓋區(qū)域輸電線路勘測優(yōu)化設計，通過將小型機載激光雷達系統(tǒng)搭載在動力三角翼上能夠快速靈活響應工程需求，快速獲取線路走廊區(qū)域精細的三維地形數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)精度高，滿足電力設計精度要求；通過應用基于LIDAR數(shù)據(jù)成果的三維輸電線路優(yōu)化設計系統(tǒng)，對激光雷達獲取的數(shù)據(jù)進行管理與瀏覽，進行三維優(yōu)化選線，為電力選線提供多種多樣的信息輔助選線，避免了大量的外業(yè)測量，減少了樹木砍伐量及房屋拆遷量，提高了作業(yè)效率，具有很大的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

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