機載激光雷達技術及其在電力工程中的應用

摘要：隨著近些年來我國科技的快速發展，遙感領域也取得革命性成就，其中最為突出的當屬機載激光雷達技術，并列入當前最為先進的三維遙感技術之列，本文將機載激光雷達技術作為根本切入點對其組成和原理進行分析。近幾年來，隨著國民經濟不斷發展，越來越高的用電需求對國家電網帶來了嚴峻的考驗，如何保證電網運輸穩定以及電力運輸安全也就成了重中之重。

關鍵詞：機載激光雷達技術；優化選線；電力巡線；數字電網

1機載激光雷達技術

1.1機載激光雷達系統組成

機載激光雷達系統主要包括以下四個部分：一是保證平穩運行作為傳感器載體的的飛行平臺、二是作為不斷發射脈沖的傳感器激光掃描儀、三是不斷精準測量的定位與慣性測量單元、四是作為整個系統大腦層次有些整合數據的計算機控制單元。

其中飛行平臺可以由飛機來代替；激光掃描儀的工作原理與普通微波雷達大體上相似，只是激光掃描儀的波長遠小于普通微波雷達，其中，激光掃描儀在市場上常見主要有三種，它們三種的掃描方式也有不同，首先線掃描和光纖掃描是以平行線或“Z”字形為掃描軌跡掃描，其次圓錐掃描則是以橢圓形為掃描軌跡掃描；此外我們所熟悉的慣性測量裝置（IMU）和差分GPS（DGPS）又共同構成了我們整個系統中必不可少的定位與慣性測量單元，它由若干地面基準站和一個空間流動站組合而成，由基準站和空中流動站同步不間斷觀測GPS衛星信號，再通過后期處理，便可以準確獲得飛行平臺的精準位置；而計算機則是整個機載激光雷達系統各單元分工協作的中心控制單元，它的主要作用就是用來保證整個系統每一個單元互不干擾。

1.2機載激光雷達系統工作原理

在機載激光雷達系統中，我們會憑借著飛機做為一個觀測平臺，而傳感器則采用一種實時傳輸數據的激光掃描儀。通過不斷的向地球表面發射一束束的激光脈沖，再通過激光脈沖來回所經歷的時間來確定激光掃描儀中心距離地球表面激光光斑之間的距離，后根據GPS來確定激光掃描儀精確的空間三維坐標（X，Y，Z），并且利用IMU測出掃描儀實時的空間姿態參數。根據幾何參數和空間幾何關系，可以把每一個地面激光點的三維坐標計算出來。相比于傳統的遙感技術，機載激光雷達技術具有自動化程度高、作業成本低、實時的數據支持等許多優點，對于跟隨國家經濟共同發展的電網建設有著很大的技術優勢。

大體的計算步驟：第一，將激光掃描儀發射和接受激光脈沖的瞬時時刻記錄下來；第二，通過光速恒定原理將發射和反射時間轉化為斜距進行測量；第三，可以通過傳感器實時傳輸回來的位置和方向來計算出地球反射表面任何一點的三維坐標。

2機載激光技術在電力工程中的應用

2.1電力優化選線

隨著國家經濟的發展，國內的330kv以上的架空送電線路也越來越多，以往在建造前的大量工程勘測設計中，往往是采用了較為傳統的航空攝影測量技術，而如果采用先進的機載激光技術則會有著測量數據精準；避免了航空測量，作業周期短；野外調繪工作量降低；建設成本大大減少等許多優點。

首先我們可以很方便的將激光點云數據和航空影像轉化處理為DEM和DOM數據，然后通過利用這些把通電線路走廊三維場景宏觀的構建出來，從而輕易的在其三維場景進行優化選線作業，對于平斷面圖，風向偏轉和危險點的采集可以在三維空間中實現，而那些不容易測量地方的信息便可以借助激光點云數據來提取，而斷面數據則可以從DEM中提取。

與此同時，由于在國內還沒有一個相對成熟的機載激光雷達電力優化選線平臺，我國的機載激光雷達應用市場也沒有一個相對健全的規則制度，處于萌芽階段，因此我們有理由相信隨著該技術逐漸成熟和市場不斷的擴大需求，該技術在我國乃至世界也會有一個很好的發展前景。

2.2電力巡線

隨著我國經濟實力不斷提升，對遠距離高壓的電力輸送需求越來越大，要求也越來越高，安全、穩定也逐漸受到了我們的關注。因此對于電力線路的維修也變得越來越重要，為了確保輸電線路的運營安全，電網維修管理部門一項非常重要的工作便是電力巡線，往往會投入大量的維修人員定時巡檢，從而發現并排除那些隱藏的不穩定因素，避免出現事故。對于傳統巡查方式，需要投入大量人力和物力，不僅浪費著很多人力資源，而且作業周期也長，受環境影響較大，當遇到復雜地形時，該情況更為明顯，因此我們需要更先進的巡檢方式來滿足巡檢要求。

2.3數字電網建設

在我國的數字電網建設中三維建模已經成為了一項十分重要的內容，利用機載激光雷達系統可以清楚的獲得輸電線路走廊地形以及輸電線路的三維建模，其次作業人員可以通過將機載激光雷達系統把線路走廊地形處理為DOM和DEM來實現展現，而對于線路的三維建模的提取則通過高密度激光點云數據來獲得。隨著國家對數字電網不斷建設，可以預知機載激光雷達技術將在未來成為必不可少的存在。

3結語

機載激光雷達技術已經隨著全球科技的發展成為了一種頂尖的三維航空遙感技術，不僅可以方便的獲取全球高分辨率信息，也大大提高了觀測的精度和整合數據的速度，并讓數據的獲取和處理逐漸向著自動化方向靠攏。隨著該技術不斷的進步和成熟完美，市場需求的量不斷增加，我們有理由相信機載激光雷達技術將會在國家電網建設和維護過程中發揮著越來越重要的作用，從而成為遙感領域最為先進的三維遙感技術。

參考文獻：

[1]董志偉，張偉斌，樊榮偉，李旭東，陳德應，于欣.條紋原理激光雷達成像仿真及實驗[J].紅外與激光工程，2016，45（07）：100104.

[2]余飛，余紹淮，陳楚江.機載激光雷達測量技術在高速公路勘察設計中的應用研究[J].中外公路，2016，36（02）：335338.

[3]林揚波.高精度機載激光雷達技術在埃塞俄比亞鐵路測繪中的應用[J].鐵道建筑技術，2016（01）：8589.

作者簡介：楊宜禥（1997），男，山東榮成人，漢族，現為空軍工程大學防空反導學院測控工程專業學生，研究方向：電子測試技術、雷達信號處理。