機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

尹亞東

（中國電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電需求不斷增加，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的需求日益強(qiáng)烈，電網(wǎng)工程具有覆蓋區(qū)域廣闊，地理環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，因此需要利用不受地理?xiàng)l件限制、能夠高效準(zhǔn)確獲取大范圍地表三維空間坐標(biāo)信息的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)快速、精確的輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)[1]。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)集激光掃描、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等高新技術(shù)于一體，由飛行平臺(tái)、激光掃描儀、GNSS設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備、控制單元等組成，通過向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一束激光，然后測(cè)量反射或散射信號(hào)到達(dá)發(fā)射機(jī)的時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)弱程度和頻率變化等參數(shù)，從而確定被測(cè)目標(biāo)的距離、運(yùn)動(dòng)速度以及方位，獲取被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)，不受天氣、光照、植被等條件制約，能夠快速、低成本、高精度地獲取三維地形地貌、航空數(shù)碼影像等空間地理信息數(shù)據(jù)。

1 激光雷達(dá)在電力線路勘測(cè)設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)以飛機(jī)為飛行載體，基于激光測(cè)距、GNSS定位、慣導(dǎo)測(cè)量及航空攝影測(cè)量原理，快速、低成本、高精度的獲取三維地形地貌、航空數(shù)碼影像等空間地理信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)示意

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠穿透植被的葉冠，相比傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)，數(shù)據(jù)獲取更迅速，絕對(duì)精度更高。

激光雷達(dá)可穿透植被，快速獲取地表的三維信息。激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理可以得到DEM、DSM 數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云分類可以將地物分類成地面、建筑物、植被等類別，數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像可以得到高分辨率DOM[2]，將這些數(shù)據(jù)疊加在一起，設(shè)計(jì)人員可以通過計(jì)算機(jī)搭建的大場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化選線。路徑更加優(yōu)化合理。主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有以下5個(gè)方面。

1.1 主動(dòng)獲取數(shù)據(jù)、作業(yè)條件要求低

激光雷達(dá)是主動(dòng)發(fā)射激光，接收地物回波而獲取地表信息，作業(yè)時(shí)間不受限制，可以全天候作業(yè)，相比于傳統(tǒng)攝影測(cè)量對(duì)天氣要求更低，作業(yè)有效時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)。LIDAR 集成POS系統(tǒng)，外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)數(shù)量少，提高了外業(yè)作業(yè)效率。

相比傳統(tǒng)攝影測(cè)量通過立體采集地面點(diǎn)高程，激光點(diǎn)云可以多次回波穿透植被，獲取地面信息，同時(shí)也可以獲取樹冠高程，得到樹木高度。

1.2 精度較高、處理速度快

LIDAR 系統(tǒng)成果數(shù)據(jù)是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，目前點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件很成熟，使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云去噪、濾波后，能夠直接獲取DEM 數(shù)據(jù)，同時(shí)基于三維點(diǎn)云的建模與空間分析等也能快速實(shí)現(xiàn)[3]。

1.3 三維場(chǎng)景路徑優(yōu)化

結(jié)合DSM、DEM、DOM 構(gòu)建高分辨率的三維場(chǎng)景，能夠讓設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)上看到真實(shí)的線路走廊，對(duì)村落、文物區(qū)、林區(qū)進(jìn)行合理避讓，避開不良地形條件，優(yōu)化路徑長(zhǎng)度，提高線路經(jīng)濟(jì)性并且降低對(duì)生態(tài)環(huán)境影響。

1.4 三維量測(cè)

經(jīng)過點(diǎn)云分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括地面層，植被層，建筑物層等，能夠在圖上快捷進(jìn)行三維量測(cè)。通過三維量測(cè)，可以估計(jì)林木高度，林木面積，優(yōu)化跨越塔塔高，設(shè)計(jì)出更加合理的塔高，同時(shí)避免林木砍伐。

線路走廊的房屋可以通過三維量測(cè)，得到與線路的三維空間距離，更加合理的避讓房屋及更加精確計(jì)算拆遷房屋面積，使線路經(jīng)濟(jì)更優(yōu)。

1.5 實(shí)時(shí)獲取斷面圖

通過DSM 和DOM 搭建三維場(chǎng)景。可以迅速、高精度的獲取線路路徑斷面圖，相比傳統(tǒng)航空攝影效率高、精度高，提高了選線定位設(shè)計(jì)效率。

利用高精度點(diǎn)云構(gòu)成的DEM，可以對(duì)選線階段初排塔位，提取塔基地形圖，結(jié)構(gòu)專業(yè)在內(nèi)業(yè)初判塔基合理性，在施工圖階段可以工測(cè)一部分點(diǎn)，結(jié)合地面點(diǎn)云，生成塔基地形圖，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 機(jī)載激光雷達(dá)在線路施工中的應(yīng)用

2.1 外業(yè)航飛

（1）制定飛行計(jì)劃，包括航帶劃分、航向重疊度、旁向重疊度、激光波長(zhǎng)、掃描角、航高、相機(jī)拍照間隔等內(nèi)容。

（2）架設(shè)地面基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站要均勻分布，避開水域、房屋、高壓線等，保證航飛時(shí)飛機(jī)航線上每30 k m 內(nèi)至少有一個(gè)基站[4]。

2.2 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

首先將激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)、GPS測(cè)量數(shù)據(jù)、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理；然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、去噪、濾波，生成正射影像圖和三維立體模型[5]。

2.3 電力線路路徑優(yōu)化

以三維正射影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行內(nèi)業(yè)線路優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員可以在圖上看到全局真實(shí)情況，避開不利因素，線路路徑基本確定后，輸出平斷面數(shù)據(jù)，同時(shí)生成風(fēng)偏點(diǎn)。桿塔位置確定后，可以生成較準(zhǔn)確的塔基斷面圖，如果不合適，進(jìn)行塔位調(diào)整，如果找不到合適塔位，對(duì)線路路徑進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)還可對(duì)線路各種指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

本文結(jié)合“營(yíng)子-興隆東220 k V 線路工程”實(shí)例，進(jìn)行精度分析，本線路工程全線位于山區(qū)，采用動(dòng)力三角翼飛行平臺(tái)搭載機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集。

本工程中，利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)得到原始激光點(diǎn)云，利用數(shù)字綠土軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行地面點(diǎn)的濾波和植被分類，得到1 m 采樣間隔的DEM 和DSM，利用UA Master軟件對(duì)影像進(jìn)行正射糾正及鑲嵌，得到0.2 m 分辨率的DOM。激光雷達(dá)作業(yè)方式與傳統(tǒng)作業(yè)方式獲取的數(shù)據(jù)比較如下。

3.1 塔基地形單點(diǎn)精度分析

首先比較單點(diǎn)高程的精度情況。將工程測(cè)量的結(jié)果（GPS測(cè)量成果，將其結(jié)果作為真實(shí)值）同激光雷達(dá)數(shù)據(jù)（單點(diǎn)的高程根據(jù)DEM 內(nèi)插獲得，內(nèi)插方式采用雙線性內(nèi)插）相比較，得到高程殘差，計(jì)算其中誤差見表1。

經(jīng)過濾波處理的點(diǎn)云密度為1～2個(gè)每平方米，與RTK 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差值在-50～50 c m，內(nèi)業(yè)可以對(duì)擬選塔位模擬塔基地形圖供結(jié)構(gòu)人員使用，內(nèi)業(yè)預(yù)判塔位合理性，測(cè)量人員外業(yè)只需實(shí)測(cè)塔位中心樁，4個(gè)塔腿位置，與以往工程中RTK 實(shí)測(cè)20 m×20 m 大大減少了外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

3.2 斷面精度分析

對(duì)點(diǎn)云提取斷面與工測(cè)斷面經(jīng)過線型計(jì)算求得差值，經(jīng)過計(jì)算本工程參與檢測(cè)斷面點(diǎn)高程中誤差為0.28 m，符合GB 50026-2020《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》要求。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)同工程測(cè)量數(shù)據(jù)基本吻合，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)測(cè)得的斷面圖精度滿足線路斷面要求見表2。

表2 斷面精度

3.3 線高測(cè)量精度分析

新建電力線，導(dǎo)線激光反射面較好點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠擬合出線型。多年老線，導(dǎo)線反射面較差，難以返回脈沖激光，無法得到連續(xù)點(diǎn)云。10 k V 及以下電力線，地上通信線導(dǎo)線截面較小，無法返回脈沖激光，航測(cè)內(nèi)業(yè)無法辨識(shí)?？杀孀R(shí)出的電力線高程見表3。

表3 線高測(cè)量

經(jīng)過計(jì)算，本工程中電力線點(diǎn)云擬合高程與工測(cè)高程中誤差為0.18 m，可滿足電力選線精度要求。完成選線工作后，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)解析跨越點(diǎn)線高，供線路電氣專業(yè)排塔使用，與以往工程需到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)線高相比節(jié)省了時(shí)間，提高了作業(yè)效率。

4 結(jié)論

利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行電力線路設(shè)計(jì)，只需少量的地面控制點(diǎn)和外業(yè)調(diào)繪工作，就能獲取高精度的地面點(diǎn)三維坐標(biāo)。設(shè)計(jì)人員可以在三維場(chǎng)景進(jìn)行全線漫游，對(duì)地物進(jìn)行三維量測(cè)分析，能夠更好的避讓重要地物，更合理的選擇線路路徑和塔位，提高全線經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，縮短了勘測(cè)設(shè)計(jì)周期。