基于機載激光雷達技術的電力線路測量研究

文華

摘 要：該文以電力線路工程測量為研究對象，以LIDAR為電力線路測量的工具，首先探討了LIDAR的技術特點，進而分析了LIDAR技術應用的方向，并結合具體實例，證明了LIDAR技術進行電力線路的勘測設計技術上是可行的，精度是可以滿足設計要求的，可方便地進行電力線路工程優化選線，效率更高，操作更簡便。

關鍵詞：LIDAR 電力 線路 測量 精度

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0035-02

1 LIDAR技術簡介

LIDAR（Light Detection and Ranging）技術是集激光測距（LRS，Laser Ranging System）、數字航空攝影、差分GPS、慣性導航系統（INS）等多種測量技術的新型測量系統。LIDAR技術可獲取各種地表數據。它發射的激光能穿透地面的植被，在剔除地面植被及地物的數據后，就可以生成地表的數字高程模型（DEM）數據。利用DEM數據及通過差分GPS和INS得到的航空數碼影像的外方位元素，對航空數碼影像進行正射糾正，可以生成正射影像圖。還可以對地面的地物、道路、植被等信息進行分類提取。LIDAR技術測量只需要做少量的地面控制點和少量的外業調繪工作。LIDAR技術不需要做航測外控點測量，只需在利用LIDAR技術進行測量時，在地面做少量的基站。LIDAR技術能獲取地物、植被的數據，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、獨立地物等信息。

2 LIDAR技術的特點

（1）主動式遙感系統：它由機載激光掃描儀發射激光，接收地面反射回來的激光。激光脈沖信號能部分穿透植被，可以同時獲取地面和地物數據。（2）高效率：LIDAR技術采集高程點的密度大，能夠迅速采集大量的高程數據。LIDAR數據后處理工作可以自動或半自動將LIDAR點云數據轉換為GIS數據。（3）高精度：激光脈沖不易受陰影、太陽光角度的影響，高程精度不受航高的限制，它的平面精度可以達到亞米級，高程精度可以達到10cm左右。（4）采集的信息豐富：LIDAR技術可以獲得地面和地物三維坐標，通過濾波處理，可以得到我們想要的地面、地物、植被的數據。

3 LIDAR技術在電力線路工程中的應用

3.1 傳統測量技術應用

在傳統電力線路工程勘測設計中，多采取工程測量和航空攝影測量的方法進行。工程測量方法測量的地面信息精度高，但外業工作量大，測量的工期長，而且不利于勘測設計的一體化與優化設計。而利用傳統航空攝影測量進行電力線路勘測設計，不僅需要進行大量的GPS外控點測量，還需要進行大量的野外調繪工作，航測的內業時間長，勘測設計的成本很高，工期偏長。而且傳統的航空攝影測量在測量植被厚的隱秘地區時，測量的高程精度很低，影響電氣專業人員準確排桿；傳統的航空攝影測量方法也不能生成準確的塔基斷面圖。所以采用傳統測量技術進行電力線路工程勘測設計，獲得的勘測成品精度較低，內、外業工作量大，勘測設計工期長，不利于勘測設計優化，不利于降低工程投資。

3.2 LIDAR技術應用

利用LIDAR技術進行電力線路的勘測設計具有很大的優越性。LIDAR技術只要做少量的GPS控制點和少量的調繪工作，縮短了勘測設計的工期，減少了勘測設計的成本。

LIDAR技術的激光能穿透植被，得到地面的數據，這樣就能進行隱秘地帶的測量。對LIDAR數據進行處理后，可生成正射影像圖，進而生成帶電力線路路徑的三維數字地面模型圖，可以方便地在上面進行線路路徑選擇。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，便可進行一次性勘測設計，能讓勘測設計一體化，大大地縮短了勘測設計的周期，減少了勘測設計成本，并且能進行優化設計，節省工程投資。

（1）LIDAR技術外業航飛。

首先做基站點，基站點要分布合理，保證航飛時飛機的30km內至少有一個基站。基站需要選在開闊、交通便利的地方，沒有樹木、房屋等擋住衛星信號，周圍無電子干擾源，不能有大片水面或其他反射面。基站最好事先進行高程、坐標的聯系測量，便于以后進行坐標轉換。在進行外業測量的時候，應注意航帶是要有一定的重疊度，要注意LIDAR系統的以下參數的選用：如激光波長、最大重復脈沖頻率、脈沖回波記錄模式、功率、光斑尺寸、掃描角、掃描模式等。

（2）LIDAR數據內業處理。

先進行異常點的剔除，在LIDAR數據中有些數據明顯不合理，要將它剔除，例如經過多重反射回來的數據、空中飛行物反射的數據等。再進行坐標轉換，GPS接收、解算的均是WGS84坐標，而我們常用的一般為1954北京坐標，要將WGS84坐標轉換成1954北京坐標，一般要聯測3個以上的54坐標控制點，進行七參數坐標轉換。高程系統一般與平面坐標同時處理，將大地高轉換成正高。再進行航帶合并，進行航飛時經常有多條航帶，這些航帶必須有（10%～20% ）的重疊度，要將不同航帶的LIDAR原始數據進行合并，按一定的順序合并成一個整體。

內業數據處理最重要的步驟是LIDAR數據的濾波。接著進行正射影像圖和三維立體模型數據的生成，將已有的電力線數據、協議區數據、與電力線路路徑有關的擬建、在建項目等相關數據輸入，一起生成正射影像圖和三維立體模型數據。

（3）電力線路路徑優化。

以線路電氣專業人員為主，在結構、測量、地質、水文等專業人員的配合下，進行電力線路的路徑選擇和優化。在LIDAR數據生成的正射影像圖和三維立體模型圖中，設計人員可以圖上看到全局的真實情況，能很容易地避開不利的因素，得到合理的線路路徑。由于LIDAR技術能對隱秘地帶進行測量，能比較準確獲得每個塔位的位置和高程，設計人員在選擇路徑時，可考慮塔位的具體情況，在設計時能做到線中有位、線位結合，能得到最優的線路路徑。

（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，也可以生成風偏點。美國的海拉瓦平臺和我國的適普軟件能較好的做到這些功能。由于LIDAR技術能穿透植被，建立的地面、地物高程模型比較準確，生成的平斷面圖也比較準確，線路設計人員可準確地確定桿塔位置。

（5）生成塔基斷面圖及三維立體模型

在桿塔位置確定以后，可以生成較準確的塔基斷面圖。設計人員可以檢查每一個塔位的地理情況，如果不合適，還可以進行塔位的調整。如果找不到合適的塔位，還可以將線路路徑進行調整。接著可制作帶塔位的線路路徑三維立體模型。

（6）外業定位放樣。

確定了線路路徑、桿塔位置以后，就可以利用RTK（實時動態）GPS進行外業定位放樣。此階段，要注意檢核危險斷面點、高等級電力線、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，要及時改正，并反饋給設計人員。

3.3 應用實例

在某500kV線路工程中，應用機載激光雷達技術進行優化選線，取得了預期的效果，與初設相比，縮短了線路長度1km，減少了交叉跨越3處，減少了占用森林、農田面積56畝，減少了房屋的拆遷4 000m2，節約了工程投資5 550 000元，切實達到了線路路徑優化的目的。

4 LIDAR技術的誤差分析

進行了LIDAR系統的完善校正以后，機載LIDAR的定位精度是由GPS的定位精度、姿態測量裝置的量測精度、激光測距儀的測距精度和掃描角的測量精度決定的。系統中任何一種傳感器精度的降低，都會導致系統定位精度的下降。誤差公式如下。

在飛行高度<600m、地面坡度<30b的情況下，INS的姿態測量精度對測距誤差的貢獻程度要低于GPS的定位精度對測距誤差的貢獻程度。隨著飛行高度、地面坡度的增加，姿態測量精度對測距誤差的貢獻也就逐漸增加而超過GPS定位精度對測距誤差的貢獻。因此，在低空飛行時主要是要設法提高GPS的定位精度，而高空飛行時則必須有一個高精度的姿態測量裝置。

在某高壓線路工程中，使用4臺天寶GPS5700，用運五飛機進行航飛，利用芬蘭公司的TerraSolid商業軟件進行LIDAR數據處理，并對測量結果進行了精度分析，分析結果見表1。

由表1可以得出結論：用LIDAR技術進行電力線路的勘測設計技術上是可行的，精度是可以滿足設計要求的（平地可控制在±0.3m左右，山區可控制在±0.6m左右）。

5 結語

利用LIDAR技術進行電力線路的勘測設計，只需做少量的地面控制點和少量的外業調繪工作，能提高隱秘地帶測量的高程精度，縮短了勘測設計的周期，并且可以實現勘測設計一體化。可方便地進行電力線路工程優化選線，效率更高，操作更簡便。利用LIDAR技術生成的三維場景，可以進行全線漫游及多視角觀察，設計人員能更好地進行優化設計，對地物的判斷、空間位置的確定更準確、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技術也有很多待完善的地方，如：LIDAR航飛的寬度比較窄，航飛的時間比較長，航飛的成本比較高，航飛管理也較復雜，空域申請較為困難；在植被很茂盛的地方，LIDAR技術的高程精度也會降低；LIDAR的數據處理軟件偏少，處理過程復雜，復雜地物的提取還需要很多的人工干預；LIDAR點云的濾波技術還有待于進一步改進等。

參考文獻

[1] 殷金華，孫朝陽，鄭彥春.機載激光測量技術在特高壓輸電線路工程中的應用研究[J].電力建設，2007，2（7）：9-13.

[2] 張險峰，陳功，龍維，等.激光雷達直升機巡線技術的現狀與應用前景[J].電力建設，2008，29（3）：40-43.

[3] 陳功，程正逢，石克勤，等.激光雷達在電力線路工程勘測設計中的應用[J].電力勘測設計，2006（5）：53-56.