基于機載激光雷達的高精度電力巡線測量

林昀，吳敦，李丹農

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

高壓送電線路是國家主干電網的重要組成部分，隨著國家電力建設的加速發展，其鋪設距離長、覆蓋范圍廣、工期時間緊，日常運營所要求的安全保障也越來越高。因此，常規線路巡線要求所使用的測量技術與方法必須同時具備能夠獲取大范圍地表三維空間坐標、數學精度高、數據生產周期短等特點。

機載激光雷達，即Lidar(Light Detection And Ranging)技術，自上世紀60年代開始研究以來，已有40余年的發展歷史。國內外對激光雷達技術的應用日趨成熟，廣泛應用于森林調查、資源勘探、城市規劃、農業開發、環境監測、防震減災、測繪和軍事等方面。本文通過機載激光雷達技術獲取電力走廊的地形地貌與3D產品，從而快速重構地表三維仿真模型，結合GIS系統的數據管理與對象描述能力，能夠完全適應寧波寧海地區500 kV超高壓巡線的數學精度要求與安全保障規范，實現快速高效的電力巡線［1，3］。

2 巡線測量關鍵技術研究

2.1 電力巡線面臨的問題

寧海縣位于寧波南部，地處象山灣與三門灣之間，是四明山脈與天臺山脈的交匯處，轄境范圍內山區半山區分布廣闊，海拔變化劇烈，植被茂盛，森林覆蓋率達58%。隨著寧海經濟的快速發展，電力需求不斷增長，高電壓、大功率、長距離輸電線路越建越多，有不少重要線路走廊遠離城鎮和交通干線，穿越的地理環境復雜，存在人工不能到達的巡線“盲區”。

為了防止和杜絕電網安全事故的發生，電網運行維護部門每年都需要投入大量的人力、物力和財力對輸電線路進行巡檢。目前的直升機巡線中，多搭載紅外線攝影儀、數碼照相機、高分辨望遠鏡等設備，對途經線路進行觀測。這些方法空間定位精度不高，獲得的多種數據處理分散繁瑣，無法集成。更重要的是，這些方法都很難精確判斷線路走廊地物到所巡線路的空間距離，也就無法避免因距離不足而引起的線路閃絡，造成重大安全隱患［2，5］。因此，現行的輸電線路常規維護方法已不能適應現代化電網的管理和發展的需求，超高壓電網和特高壓電網呼喚先進、科學、高效的電力巡線方式。

2.2 機載激光雷達原理

機載激光雷達是將激光脈沖測距儀穩固設置在飛行器上，通過紀錄激光脈沖從單束窄帶激光器發射到地面、經反射后為激光能量接收器所接受的時間差，精確計算發射點到地面腳點之間的斜距，再由INS和GPS獲取發射點外方位元素和絕對空間坐標位置，從而獲取每個反射點空間位置信息［3，4］。

圖1 激光雷達測量原理圖示

機載激光雷達成套設備主要由激光掃描測距系統(Lighting Scanner)、動態全球定位系統(GPS)、空間姿態測量系統(IMU)、數碼相機(Digital Camera)和飛行控制器(Aero Controller)幾個部分組成［4］。它能夠直接獲取高密度、高精度的地表三維空間點坐標，同時受光照、氣象條件影響不大，具有一定穿透植被遮蔽的能力。能夠適應多種類型的飛機搭載平臺，外業工作量很少，不需要大量地面控制點。DEM、DOM、DSM和DTM等后續產品的生產速度快，可繼續作為三維可視化平臺地物建模的數據源。

圖2 激光雷達成套集成設備

2.3 三維仿真GIS平臺建設

為了進行可視化的巡線，需要構建可計算信息的沉浸式交互環境，以真實的地理空間位置再現電力走廊的現狀景觀(包括電力線路、地形地貌與周邊建筑)。模型中的相關地物，都具有準確的空間地理坐標，可以進行量測。同時單純的可視表現并不能完全滿足電力應用的需求。在空間數據庫的支持下，三維模型的幾何體可與其對應的屬性集成并存儲于空間數據庫中，從而可提供數據的查詢與各種分析功能，使其可以進行真實可靠的電力巡線工作。

3 激光雷達電力巡線應用

3.1 外業數據采集

依據寧海巡線工作的需要，配合電力部門的同步基礎巡線工作，將激光雷達設備搭載于AS350“松鼠”直升機上。在航飛前需要根據電力線路的走向設計航飛路線和航高，確保不會因為高程起伏過大導致數據缺失或點云密度差異過大。同時，在線路附近10 km區域內和飛機起降點附近的已知高等級已知點上均勻設置數個GPS基站，以便航飛時同步觀測，獲取精確空間三維坐標。為保證不影響激光點云的采集質量，在航飛時可按需要利用典型的特征地物，每隔一段時間對IMU、數碼相機與激光掃描儀進行檢校。

圖3 激光雷達設備的直升機安裝和航飛數據采集

3.2 數據預處理

數據預處理是指將原始的激光數據進行定位、定向、校準和坐標轉換的過程。對航飛過程中隨激光點云數據同步采集的GPS數據、IMU數據和系統所提供的各類參數等進行聯合解算，形成聯合定位信息，獲取每一個激光點的空間坐標和每張數碼影像的外方位元素。進行空間糾正后的點云數據已經可以分辨出地物，形成DSM。圖5中可以清晰地分辨出變電站、電力線、高壓鐵塔、山脈等地物。

圖4 按高程值顯示的激光點云原始數據

3.3 點云分類與DEM提取

根據電力巡線的需求，對點云進行面向應用的分類。需要區分的類比有:地表點、低矮植被、高大植被、被巡電力線路、高壓鐵塔、被跨越線路、植被、水體等。激光點云的數據量很大，需要對其先進行分割，適應于現有的計算機硬件條件。手工提取那些無法根據回波信息、高程點及周邊點關系區分的地物類別，如高壓鐵塔、被跨越線路、被巡電力線路等。對其余點云可根據已有的算法進行粗略的自動分類，剔除大部分錯誤點。分類主要的問題在于地表植被、人工建筑物和地表點的分離，可通過構筑不規則三角網反復修正和判斷，成功提取后的地表點云即為高精度的DEM。精細分類后的DEM成果可先根據電力應用的需求進行抽稀。

圖5 激光點云自動分類流程

3.4 DOM生成

已經聯合解算出的一系列外方位元素精度不足以滿足電力走廊地物判斷的精度要求，因此需要進行修正。在每幅影像上尋找至少8對同名點，進行光束法平差空三，不斷剔除那些匹配錯誤的點，對外方位元素進行修正，獲得滿意的結果。結合已經生成的DEM，可以獲得高分辨正射影像。這可以初步觀察電力走廊附近的地物分布，以便對有危險的區域進行重點排查。

圖6 正射影像效果圖

3.5 三維GIS系統集成

為了建立三維仿真可視化巡線管理平臺，需要根據激光點云DSM與已知電力資產信息建立的地物真實三維模型，地物表面紋理的來源一般是同步獲取的數碼影像。相關地物模型均為獨立構建，在工程坐標系下具有真實空間三維坐標，能夠準確反映地物之間的拓撲關系與地理信息。利用數字地球技術，在預搭建的三維GIS平臺中導入DOM和 DEM，并分離出DTM，在其上放置所有的模型并進行矢量化，在數據庫中導入各類資產管理信息，最終形成三維可視化電力巡線與資產管理平臺。

圖7 三維可視化平臺中的空間構建

3.6 危險點排查與電力巡線

為了達到電力巡線的目標，根據《架空送電線路運行規程》，精確地在三維可視化平臺中提取巡線關鍵信息，分析所采集數據的特點，實現人機交互式的危險點排查，自動提取電力走廊危險點、危險面和危險空間，標識或預測危險區域，最終保障電力運營安全［6］，［7］。可以采用的方案是在三維可視化平臺中，以電力走廊內的關鍵對象——電力線與電力塔為核心，形成柱狀探查空間，同時標識高大植被、高層建筑、穿越線路等關注地物，分析相互之間的拓撲關系與相互作用，從而提示危險排查區域;同時植入植被生長模型，電線懸垂溫度、風力模型，冰掛模擬模型等，對危險點進行預測分析。

圖8中是通過激光點云建立三維可視化巡線管理平臺，鐵塔、絕緣子串、電纜的類型均與實際相符合，根據這些已知的電力資產信息建立資產管理數據庫，增加三維模型的拓撲關系和詳細資產信息，實現電力資產的三維可視化管理。采用空間分析的方法測量電纜與周邊地物的間距，從而達到排除危險點的目的。

圖8 三維可視化平臺中的空間分析

4 結論與展望

成熟、可靠、高精度、高密度的激光雷達測量技術為實現獲取地表高精度三維信息，快速提取高壓送電線路及其周邊敏感地物，排查線路危險點提供了極其優秀的測繪保障，并且可以極大地降低電力部門的巡線預算，減輕勞動強度，節約作業時間，提高工作效率，并在此基礎上全面建設三維可視化電力資產管理平臺，為數字電網乃至智能電網提供了強有力的測繪支持。機載激光雷達技術必將在電力線路安全保障與勘測設計中逐漸普及，并發揮越來越重要的作用。

［1］王俊剛，李新科.機載激光雷達技術在電網工程建設中的應用［J］.廣東電力，2009(9):46～49

［2］陳云，丁思磊，王鐵軍.基于TerraSolid軟件的Lidar數據處理初探［J］.測繪與空間地理信息，2009(8):40～42

［3］徐祖艦，王滋政，陽鋒.機載激光雷達測量技術及工程應用實踐［M］.武漢:武漢大學出版社，2009

［4］舒寧.激光成像［M］.武漢:武漢大學出版社，2005

［5］蒙祥達，李新科.機載激光雷達技術及其在電力工程中的應用［J］.廣西電業，2007(9):81～83

［6］GB50293－1999.城市電力規劃規范［S］.

［7］DL/T 5219－2005.架空送電線路基礎設計技術規定［S］.