基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的電力線路測(cè)量研究

文華

摘 要：該文以電力線路工程測(cè)量為研究對(duì)象，以LIDAR為電力線路測(cè)量的工具，首先探討了LIDAR的技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)而分析了LIDAR技術(shù)應(yīng)用的方向，并結(jié)合具體實(shí)例，證明了LIDAR技術(shù)進(jìn)行電力線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)上是可行的，精度是可以滿足設(shè)計(jì)要求的，可方便地進(jìn)行電力線路工程優(yōu)化選線，效率更高，操作更簡(jiǎn)便。

關(guān)鍵詞：LIDAR 電力 線路 測(cè)量 精度

中圖分類號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（c）-0035-02

1 LIDAR技術(shù)簡(jiǎn)介

LIDAR（Light Detection and Ranging）技術(shù)是集激光測(cè)距（LRS，Laser Ranging System）、數(shù)字航空攝影、差分GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）等多種測(cè)量技術(shù)的新型測(cè)量系統(tǒng)。LIDAR技術(shù)可獲取各種地表數(shù)據(jù)。它發(fā)射的激光能穿透地面的植被，在剔除地面植被及地物的數(shù)據(jù)后，就可以生成地表的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。利用DEM數(shù)據(jù)及通過(guò)差分GPS和INS得到的航空數(shù)碼影像的外方位元素，對(duì)航空數(shù)碼影像進(jìn)行正射糾正，可以生成正射影像圖。還可以對(duì)地面的地物、道路、植被等信息進(jìn)行分類提取。LIDAR技術(shù)測(cè)量只需要做少量的地面控制點(diǎn)和少量的外業(yè)調(diào)繪工作。LIDAR技術(shù)不需要做航測(cè)外控點(diǎn)測(cè)量，只需在利用LIDAR技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在地面做少量的基站。LIDAR技術(shù)能獲取地物、植被的數(shù)據(jù)，還可以直接提取所需要的交叉跨越（道路、河流、電力線、通信線等）、房屋、獨(dú)立地物等信息。

2 LIDAR技術(shù)的特點(diǎn)

（1）主動(dòng)式遙感系統(tǒng)：它由機(jī)載激光掃描儀發(fā)射激光，接收地面反射回來(lái)的激光。激光脈沖信號(hào)能部分穿透植被，可以同時(shí)獲取地面和地物數(shù)據(jù)。（2）高效率：LIDAR技術(shù)采集高程點(diǎn)的密度大，能夠迅速采集大量的高程數(shù)據(jù)。LIDAR數(shù)據(jù)后處理工作可以自動(dòng)或半自動(dòng)將LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)。（3）高精度：激光脈沖不易受陰影、太陽(yáng)光角度的影響，高程精度不受航高的限制，它的平面精度可以達(dá)到亞米級(jí)，高程精度可以達(dá)到10cm左右。（4）采集的信息豐富：LIDAR技術(shù)可以獲得地面和地物三維坐標(biāo)，通過(guò)濾波處理，可以得到我們想要的地面、地物、植被的數(shù)據(jù)。

3 LIDAR技術(shù)在電力線路工程中的應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

在傳統(tǒng)電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中，多采取工程測(cè)量和航空攝影測(cè)量的方法進(jìn)行。工程測(cè)量方法測(cè)量的地面信息精度高，但外業(yè)工作量大，測(cè)量的工期長(zhǎng)，而且不利于勘測(cè)設(shè)計(jì)的一體化與優(yōu)化設(shè)計(jì)。而利用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量進(jìn)行電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)，不僅需要進(jìn)行大量的GPS外控點(diǎn)測(cè)量，還需要進(jìn)行大量的野外調(diào)繪工作，航測(cè)的內(nèi)業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，勘測(cè)設(shè)計(jì)的成本很高，工期偏長(zhǎng)。而且傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量在測(cè)量植被厚的隱秘地區(qū)時(shí)，測(cè)量的高程精度很低，影響電氣專業(yè)人員準(zhǔn)確排桿；傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量方法也不能生成準(zhǔn)確的塔基斷面圖。所以采用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行電力線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)，獲得的勘測(cè)成品精度較低，內(nèi)、外業(yè)工作量大，勘測(cè)設(shè)計(jì)工期長(zhǎng)，不利于勘測(cè)設(shè)計(jì)優(yōu)化，不利于降低工程投資。

3.2 LIDAR技術(shù)應(yīng)用

利用LIDAR技術(shù)進(jìn)行電力線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)具有很大的優(yōu)越性。LIDAR技術(shù)只要做少量的GPS控制點(diǎn)和少量的調(diào)繪工作，縮短了勘測(cè)設(shè)計(jì)的工期，減少了勘測(cè)設(shè)計(jì)的成本。

LIDAR技術(shù)的激光能穿透植被，得到地面的數(shù)據(jù)，這樣就能進(jìn)行隱秘地帶的測(cè)量。對(duì)LIDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可生成正射影像圖，進(jìn)而生成帶電力線路路徑的三維數(shù)字地面模型圖，可以方便地在上面進(jìn)行線路路徑選擇。確定了線路路徑后，可以生成線路平斷面圖，再生成塔基斷面圖，便可進(jìn)行一次性勘測(cè)設(shè)計(jì)，能讓勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化，大大地縮短了勘測(cè)設(shè)計(jì)的周期，減少了勘測(cè)設(shè)計(jì)成本，并且能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省工程投資。

（1）LIDAR技術(shù)外業(yè)航飛。

首先做基站點(diǎn)，基站點(diǎn)要分布合理，保證航飛時(shí)飛機(jī)的30km內(nèi)至少有一個(gè)基站?；拘枰x在開(kāi)闊、交通便利的地方，沒(méi)有樹(shù)木、房屋等擋住衛(wèi)星信號(hào)，周?chē)鸁o(wú)電子干擾源，不能有大片水面或其他反射面。基站最好事先進(jìn)行高程、坐標(biāo)的聯(lián)系測(cè)量，便于以后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行外業(yè)測(cè)量的時(shí)候，應(yīng)注意航帶是要有一定的重疊度，要注意LIDAR系統(tǒng)的以下參數(shù)的選用：如激光波長(zhǎng)、最大重復(fù)脈沖頻率、脈沖回波記錄模式、功率、光斑尺寸、掃描角、掃描模式等。

（2）LIDAR數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理。

先進(jìn)行異常點(diǎn)的剔除，在LIDAR數(shù)據(jù)中有些數(shù)據(jù)明顯不合理，要將它剔除，例如經(jīng)過(guò)多重反射回來(lái)的數(shù)據(jù)、空中飛行物反射的數(shù)據(jù)等。再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，GPS接收、解算的均是WGS84坐標(biāo)，而我們常用的一般為1954北京坐標(biāo)，要將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成1954北京坐標(biāo)，一般要聯(lián)測(cè)3個(gè)以上的54坐標(biāo)控制點(diǎn)，進(jìn)行七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。高程系統(tǒng)一般與平面坐標(biāo)同時(shí)處理，將大地高轉(zhuǎn)換成正高。再進(jìn)行航帶合并，進(jìn)行航飛時(shí)經(jīng)常有多條航帶，這些航帶必須有（10%～20% ）的重疊度，要將不同航帶的LIDAR原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，按一定的順序合并成一個(gè)整體。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理最重要的步驟是LIDAR數(shù)據(jù)的濾波。接著進(jìn)行正射影像圖和三維立體模型數(shù)據(jù)的生成，將已有的電力線數(shù)據(jù)、協(xié)議區(qū)數(shù)據(jù)、與電力線路路徑有關(guān)的擬建、在建項(xiàng)目等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入，一起生成正射影像圖和三維立體模型數(shù)據(jù)。

（3）電力線路路徑優(yōu)化。

以線路電氣專業(yè)人員為主，在結(jié)構(gòu)、測(cè)量、地質(zhì)、水文等專業(yè)人員的配合下，進(jìn)行電力線路的路徑選擇和優(yōu)化。在LIDAR數(shù)據(jù)生成的正射影像圖和三維立體模型圖中，設(shè)計(jì)人員可以圖上看到全局的真實(shí)情況，能很容易地避開(kāi)不利的因素，得到合理的線路路徑。由于LIDAR技術(shù)能對(duì)隱秘地帶進(jìn)行測(cè)量，能比較準(zhǔn)確獲得每個(gè)塔位的位置和高程，設(shè)計(jì)人員在選擇路徑時(shí)，可考慮塔位的具體情況，在設(shè)計(jì)時(shí)能做到線中有位、線位結(jié)合，能得到最優(yōu)的線路路徑。

（4）確定線路桿塔位置。

在線路的路徑基本確定以后，就可以生成線路的平斷面圖，也可以生成風(fēng)偏點(diǎn)。美國(guó)的海拉瓦平臺(tái)和我國(guó)的適普軟件能較好的做到這些功能。由于LIDAR技術(shù)能穿透植被，建立的地面、地物高程模型比較準(zhǔn)確，生成的平斷面圖也比較準(zhǔn)確，線路設(shè)計(jì)人員可準(zhǔn)確地確定桿塔位置。

（5）生成塔基斷面圖及三維立體模型

在桿塔位置確定以后，可以生成較準(zhǔn)確的塔基斷面圖。設(shè)計(jì)人員可以檢查每一個(gè)塔位的地理情況，如果不合適，還可以進(jìn)行塔位的調(diào)整。如果找不到合適的塔位，還可以將線路路徑進(jìn)行調(diào)整。接著可制作帶塔位的線路路徑三維立體模型。

（6）外業(yè)定位放樣。

確定了線路路徑、桿塔位置以后，就可以利用RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）GPS進(jìn)行外業(yè)定位放樣。此階段，要注意檢核危險(xiǎn)斷面點(diǎn)、高等級(jí)電力線、通訊線、重要跨越、隱秘地帶的高程、塔基斷面等，如有出入的地方，要及時(shí)改正，并反饋給設(shè)計(jì)人員。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

在某500kV線路工程中，應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化選線，取得了預(yù)期的效果，與初設(shè)相比，縮短了線路長(zhǎng)度1km，減少了交叉跨越3處，減少了占用森林、農(nóng)田面積56畝，減少了房屋的拆遷4 000m2，節(jié)約了工程投資5 550 000元，切實(shí)達(dá)到了線路路徑優(yōu)化的目的。

4 LIDAR技術(shù)的誤差分析

進(jìn)行了LIDAR系統(tǒng)的完善校正以后，機(jī)載LIDAR的定位精度是由GPS的定位精度、姿態(tài)測(cè)量裝置的量測(cè)精度、激光測(cè)距儀的測(cè)距精度和掃描角的測(cè)量精度決定的。系統(tǒng)中任何一種傳感器精度的降低，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)定位精度的下降。誤差公式如下。

在飛行高度<600m、地面坡度<30b的情況下，INS的姿態(tài)測(cè)量精度對(duì)測(cè)距誤差的貢獻(xiàn)程度要低于GPS的定位精度對(duì)測(cè)距誤差的貢獻(xiàn)程度。隨著飛行高度、地面坡度的增加，姿態(tài)測(cè)量精度對(duì)測(cè)距誤差的貢獻(xiàn)也就逐漸增加而超過(guò)GPS定位精度對(duì)測(cè)距誤差的貢獻(xiàn)。因此，在低空飛行時(shí)主要是要設(shè)法提高GPS的定位精度，而高空飛行時(shí)則必須有一個(gè)高精度的姿態(tài)測(cè)量裝置。

在某高壓線路工程中，使用4臺(tái)天寶GPS5700，用運(yùn)五飛機(jī)進(jìn)行航飛，利用芬蘭公司的TerraSolid商業(yè)軟件進(jìn)行LIDAR數(shù)據(jù)處理，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了精度分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以得出結(jié)論：用LIDAR技術(shù)進(jìn)行電力線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)上是可行的，精度是可以滿足設(shè)計(jì)要求的（平地可控制在±0.3m左右，山區(qū)可控制在±0.6m左右）。

5 結(jié)語(yǔ)

利用LIDAR技術(shù)進(jìn)行電力線路的勘測(cè)設(shè)計(jì)，只需做少量的地面控制點(diǎn)和少量的外業(yè)調(diào)繪工作，能提高隱秘地帶測(cè)量的高程精度，縮短了勘測(cè)設(shè)計(jì)的周期，并且可以實(shí)現(xiàn)勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化?？煞奖愕剡M(jìn)行電力線路工程優(yōu)化選線，效率更高，操作更簡(jiǎn)便。利用LIDAR技術(shù)生成的三維場(chǎng)景，可以進(jìn)行全線漫游及多視角觀察，設(shè)計(jì)人員能更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)地物的判斷、空間位置的確定更準(zhǔn)確、便捷，能更好地避讓重要地物，更合理地選擇線路路徑和桿塔位置。

但LIDAR技術(shù)也有很多待完善的地方，如：LIDAR航飛的寬度比較窄，航飛的時(shí)間比較長(zhǎng)，航飛的成本比較高，航飛管理也較復(fù)雜，空域申請(qǐng)較為困難；在植被很茂盛的地方，LIDAR技術(shù)的高程精度也會(huì)降低；LIDAR的數(shù)據(jù)處理軟件偏少，處理過(guò)程復(fù)雜，復(fù)雜地物的提取還需要很多的人工干預(yù)；LIDAR點(diǎn)云的濾波技術(shù)還有待于進(jìn)一步改進(jìn)等。

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