機載激光雷達技術(shù)在輸電線路設(shè)計中的應(yīng)用

尹亞東

（中國電建集團河北省電力勘測設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，用電需求不斷增加，對電網(wǎng)建設(shè)的需求日益強烈，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，因此需要利用不受地理條件限制、能夠高效準確獲取大范圍地表三維空間坐標信息的測量方法，實現(xiàn)快速、精確的輸電線路勘測設(shè)計[1]。機載激光雷達測量系統(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、激光掃描儀、GNSS設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備、控制單元等組成，通過向被測目標發(fā)射一束激光，然后測量反射或散射信號到達發(fā)射機的時間、信號強弱程度和頻率變化等參數(shù)，從而確定被測目標的距離、運動速度以及方位，獲取被測目標點云數(shù)據(jù)。利用機載激光雷達進行輸電線路設(shè)計，相比傳統(tǒng)攝影測量技術(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 激光雷達在電力線路勘測設(shè)計上的優(yōu)勢

機載激光雷達測量系統(tǒng)以飛機為飛行載體，基于激光測距、GNSS定位、慣導(dǎo)測量及航空攝影測量原理，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 機載激光雷達系統(tǒng)示意

機載激光雷達系統(tǒng)獲取的點云數(shù)據(jù)能夠穿透植被的葉冠，相比傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)，數(shù)據(jù)獲取更迅速，絕對精度更高。

激光雷達可穿透植被，快速獲取地表的三維信息。激光雷達獲取的點云數(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)計人員可以通過計算機搭建的大場景進行數(shù)字化選線。路徑更加優(yōu)化合理。主要應(yīng)用優(yōu)勢有以下5個方面。

1.1 主動獲取數(shù)據(jù)、作業(yè)條件要求低

激光雷達是主動發(fā)射激光，接收地物回波而獲取地表信息，作業(yè)時間不受限制，可以全天候作業(yè)，相比于傳統(tǒng)攝影測量對天氣要求更低，作業(yè)有效時長更長。LIDAR 集成POS系統(tǒng)，外業(yè)布設(shè)像控點數(shù)量少，提高了外業(yè)作業(yè)效率。

相比傳統(tǒng)攝影測量通過立體采集地面點高程，激光點云可以多次回波穿透植被，獲取地面信息，同時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)是三維點云數(shù)據(jù)，目前點云數(shù)據(jù)處理軟件很成熟，使用計算機自動進行點云去噪、濾波后，能夠直接獲取DEM 數(shù)據(jù)，同時基于三維點云的建模與空間分析等也能快速實現(xiàn)[3]。

1.3 三維場景路徑優(yōu)化

結(jié)合DSM、DEM、DOM 構(gòu)建高分辨率的三維場景，能夠讓設(shè)計人員在計算機上看到真實的線路走廊，對村落、文物區(qū)、林區(qū)進行合理避讓，避開不良地形條件，優(yōu)化路徑長度，提高線路經(jīng)濟性并且降低對生態(tài)環(huán)境影響。

1.4 三維量測

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

線路走廊的房屋可以通過三維量測，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算拆遷房屋面積，使線路經(jīng)濟更優(yōu)。

1.5 實時獲取斷面圖

通過DSM 和DOM 搭建三維場景?？梢匝杆佟⒏呔鹊墨@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)計效率。

利用高精度點云構(gòu)成的DEM，可以對選線階段初排塔位，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一部分點，結(jié)合地面點云，生成塔基地形圖，節(jié)省作業(yè)時間，減少勞動強度。

2 機載激光雷達在線路施工中的應(yīng)用

2.1 外業(yè)航飛

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

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

2.2 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

首先將激光掃描測量數(shù)據(jù)、GPS測量數(shù)據(jù)、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理；然后對這些數(shù)據(jù)進行分類、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)進行內(nèi)業(yè)線路優(yōu)化，設(shè)計人員可以在圖上看到全局真實情況，避開不利因素，線路路徑基本確定后，輸出平斷面數(shù)據(jù)，同時生成風偏點。桿塔位置確定后，可以生成較準確的塔基斷面圖，如果不合適，進行塔位調(diào)整，如果找不到合適塔位，對線路路徑進行調(diào)整。同時還可對線路各種指標進行統(tǒng)計。

3 工程應(yīng)用實例

本文結(jié)合“營子-興隆東220 k V 線路工程”實例，進行精度分析，本線路工程全線位于山區(qū)，采用動力三角翼飛行平臺搭載機載激光雷達系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集。

本工程中，利用激光雷達數(shù)據(jù)、基準站、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)得到原始激光點云，利用數(shù)字綠土軟件對點云進行地面點的濾波和植被分類，得到1 m 采樣間隔的DEM 和DSM，利用UA Master軟件對影像進行正射糾正及鑲嵌，得到0.2 m 分辨率的DOM。激光雷達作業(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 塔基地形單點精度分析

首先比較單點高程的精度情況。將工程測量的結(jié)果（GPS測量成果，將其結(jié)果作為真實值）同激光雷達數(shù)據(jù)（單點的高程根據(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，計算其中誤差見表1。

經(jīng)過濾波處理的點云密度為1～2個每平方米，與RTK 實測數(shù)據(jù)差值在-50～50 c m，內(nèi)業(yè)可以對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，測量人員外業(yè)只需實測塔位中心樁，4個塔腿位置，與以往工程中RTK 實測20 m×20 m 大大減少了外業(yè)勞動強度，提高了作業(yè)效率。

3.2 斷面精度分析

對點云提取斷面與工測斷面經(jīng)過線型計算求得差值，經(jīng)過計算本工程參與檢測斷面點高程中誤差為0.28 m，符合GB 50026-2020《工程測量標準》要求。激光雷達數(shù)據(jù)同工程測量數(shù)據(jù)基本吻合，激光雷達數(shù)據(jù)測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 線高測量精度分析

新建電力線，導(dǎo)線激光反射面較好點云數(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，航測內(nèi)業(yè)無法辨識。可辨識出的電力線高程見表3。

表3 線高測量

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

4 結(jié)論

利用機載激光雷達系統(tǒng)進行電力線路設(shè)計，只需少量的地面控制點和外業(yè)調(diào)繪工作，就能獲取高精度的地面點三維坐標。設(shè)計人員可以在三維場景進行全線漫游，對地物進行三維量測分析，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)濟指標，縮短了勘測設(shè)計周期。