基于激光雷達(dá)的架空線路交叉跨越測(cè)量及安全距離分析

祖為國(guó) 譚金石

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510510）

架空線路是電力能源傳輸?shù)闹饕緩?，是重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，直接關(guān)系國(guó)防安全、經(jīng)濟(jì)與民生[1]。我國(guó)高壓輸電線路覆蓋范圍廣，往往跨越地形復(fù)雜區(qū)域，同時(shí)還需要顧及已經(jīng)建成的復(fù)雜輸電線網(wǎng)絡(luò)，在選線過(guò)程中需要跨越或者穿越已有線路。交叉跨越測(cè)量對(duì)線路建設(shè)和運(yùn)維至關(guān)重要，直接影響線路的運(yùn)行安全，然而架空線路的交叉跨越點(diǎn)常位于高山地、水域、樹(shù)林或懸崖峭壁等人員不易到達(dá)、通視條件差的地方，給測(cè)量工作造成極大的困難[2]。

傳統(tǒng)交叉跨越測(cè)量方法主要包括常規(guī)測(cè)量方法、三角函數(shù)法、空中交會(huì)法、線上雙站法、雙站三角函數(shù)法等[3-4]。這些方法使用全站儀、經(jīng)緯儀和GPS等儀器設(shè)備進(jìn)行測(cè)繪，在外業(yè)實(shí)施過(guò)程中存在的一定局限性，比如觀測(cè)距離超出電磁波測(cè)距范圍；在電磁波測(cè)距范圍內(nèi)，電力導(dǎo)線太細(xì)或者觀測(cè)角度因素，電力導(dǎo)線反射信號(hào)差，難于測(cè)距甚至無(wú)法測(cè)距；觀測(cè)環(huán)境復(fù)雜，植被遮擋嚴(yán)重等。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，多種遙感技術(shù)應(yīng)用于電力行業(yè)，特別是衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、激光雷達(dá)、傾斜攝影等技術(shù)。相對(duì)其他遙感技術(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是一種主動(dòng)探測(cè)技術(shù)，能夠直接快速地獲取高精度、高密度的三維點(diǎn)云。利用激光雷達(dá)對(duì)架空線路通道進(jìn)行掃描，可以獲取架空導(dǎo)線和地表的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為線路勘測(cè)、巡線等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5-6]。

針對(duì)架空線路傳統(tǒng)交叉跨越測(cè)量存在的問(wèn)題，本文對(duì)傳統(tǒng)交叉跨越測(cè)量方法進(jìn)行分析，結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)，提出利用激光點(diǎn)云進(jìn)行交叉跨越測(cè)量及安全距離分析方法。

1 傳統(tǒng)交叉跨越測(cè)量方法

1.1 傳統(tǒng)交叉跨越測(cè)量方法

常規(guī)架空線路交叉跨越測(cè)量中，通常采用全站儀、GPS及經(jīng)緯儀等來(lái)完成[7]。全站儀集成了電子經(jīng)緯儀、電子測(cè)距及數(shù)據(jù)處理等一體化，通過(guò)測(cè)量角度和距離進(jìn)行幾何計(jì)算，得到坐標(biāo)信息，是近些年主流的測(cè)繪儀器。

常規(guī)測(cè)量法是在架空導(dǎo)線下方立反光棱鏡，在遠(yuǎn)處架站全站儀并利用懸高測(cè)量功能測(cè)量架空導(dǎo)線的高度，如圖1所示。對(duì)于架空導(dǎo)線下方為河流、湖泊、山谷等無(wú)法放置反光棱鏡的地形，可以采用單線測(cè)量法；或者采用三角函數(shù)法，即觀測(cè)跨越線兩端的桿塔或者跨越線上兩端的某個(gè)位置，然后觀測(cè)線路方向上跨越點(diǎn)的天頂距，通過(guò)間接解算可得到平距，再利用公式求得跨越線的線高?？罩薪粫?huì)法主要是利用GPS測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)站點(diǎn)，再架站全站儀對(duì)架空導(dǎo)線進(jìn)行交會(huì)。

1.2 常規(guī)測(cè)量方法存在的問(wèn)題

架空線路主要覆蓋山區(qū)，在線路排桿設(shè)計(jì)時(shí)，主要將桿塔立在山頭高處，交叉跨越地方主要是在山谷低處，便于保證架空線和地面的安全距離。對(duì)于這些交叉跨越區(qū)域，采用常規(guī)測(cè)量方法往往需要在交叉跨越下方立反光棱鏡，這對(duì)于野外作業(yè)來(lái)說(shuō)，存在人員無(wú)法到達(dá)，或者樹(shù)木遮擋等問(wèn)題，給測(cè)量工作帶來(lái)極大的困難，甚至無(wú)法實(shí)施。三角函數(shù)法無(wú)法直接測(cè)量跨越點(diǎn)距離，如果可以測(cè)量跨越線兩端塔位或線上其他兩點(diǎn)平面位置時(shí)，可以使用；在跨越線上的距離無(wú)法獲取時(shí)，可以使用空中交會(huì)法；跨越點(diǎn)無(wú)法達(dá)到，測(cè)站上也觀測(cè)不到跨越線兩端的桿塔時(shí)，可以采用線上雙站法；雙站三角函數(shù)法是三角函數(shù)法的補(bǔ)充，相對(duì)于線上雙站法，雙站三角函數(shù)法不要求兩測(cè)站在一直線上，有較好的機(jī)動(dòng)性。因此，線路測(cè)量工作者在交叉跨越測(cè)量中，主要采用全站儀和GPS相結(jié)合，根據(jù)實(shí)地環(huán)境選取適當(dāng)方法。對(duì)于上述常規(guī)測(cè)量方法，均需要攜帶較大重量的儀器到山區(qū)，山區(qū)植被茂密，GPS信號(hào)受干擾嚴(yán)重，還要找到滿足各種方法的測(cè)量點(diǎn)位和棱鏡位置，交叉跨越測(cè)量任務(wù)非常艱巨。

2 激光雷達(dá)交叉跨越測(cè)量方法

2.1 激光雷達(dá)測(cè)量方法

激光雷達(dá)（簡(jiǎn)稱(chēng)LiDAR）是遙感領(lǐng)域的一種新興的探測(cè)技術(shù)，集激光測(cè)距、GNSS、IMU等技術(shù)于一體，當(dāng)前根據(jù)搭載平臺(tái)不同，可以分為架站式激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、車(chē)載激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)以及手持激光雷達(dá)等[8]。將小型化激光雷達(dá)搭載在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)即為無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)，對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行主動(dòng)式掃，如圖2所示，直接獲取目標(biāo)地物密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以獲取高分辨率數(shù)碼影像，進(jìn)行點(diǎn)云賦色和正射影像圖制作[9]。激光雷達(dá)具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[10]：（1）主動(dòng)式探測(cè)；（2）穿透能力強(qiáng)，可以穿透植被到達(dá)地面；（3）作業(yè)效率高，無(wú)須地面測(cè)量；（4）時(shí)效性強(qiáng)，白天晚上均可作業(yè)；（5）數(shù)據(jù)成果豐富，采用的點(diǎn)云、影像可加工生產(chǎn)DOM、DSM、DEM及DLG等；（6）激光點(diǎn)云高密度，每平方米高達(dá)百點(diǎn)；（7）多回波數(shù)據(jù)。利用激光雷達(dá)對(duì)架空線路通道進(jìn)行精確掃描，及時(shí)生成LAS點(diǎn)云、DEM、DSM、DOM，快速獲取線路通道精確三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后續(xù)線路勘測(cè)、交叉跨越測(cè)量、巡檢等提供數(shù)據(jù)支撐。

利用激光雷達(dá)進(jìn)行架空線路交叉跨越測(cè)量，主要包括航線任務(wù)規(guī)劃、激光掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算、點(diǎn)云分類(lèi)、電力導(dǎo)線提取等過(guò)程，激光雷達(dá)掃描線路得到線路通道的三維點(diǎn)云。

2.2 架空導(dǎo)線交叉跨越測(cè)量

基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行架空導(dǎo)線三維矢量化，將分類(lèi)提取的架空導(dǎo)線進(jìn)行矢量化建模，構(gòu)建具有屬性的三維矢量圖。兩條交叉跨越或穿越的導(dǎo)線（上導(dǎo)線、下導(dǎo)線），從平面上求解交叉關(guān)鍵點(diǎn)（P1、P2對(duì)應(yīng)的P1'、P2'），再計(jì)算距離D1、D2，如圖3所示。

圖3 架空導(dǎo)線交叉跨越測(cè)量

2.3 交叉跨越地物測(cè)量

通過(guò)激光雷達(dá)掃描線路可以獲取地表高精度、高密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中包括了建筑物、林區(qū)樹(shù)木、河流、防火防爆、交通設(shè)施管道等交跨地物。根據(jù)架空輸電線路勘測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，導(dǎo)線與交跨地物之間需要保證一定的安全距離。

3 工程應(yīng)用案例

試驗(yàn)區(qū)選取110 kV線路改線工程，主線全長(zhǎng)24.56 km。測(cè)試區(qū)包括灌木叢、稀疏林地、茂密山林、梯田地、河流等典型地形地貌。在測(cè)試地區(qū)使用大疆M300RTK搭載最新的大疆L1激光雷達(dá)測(cè)繪相機(jī)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等。外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用大疆M300 RTK搭載大疆L1激光雷達(dá)測(cè)繪相機(jī)。由于測(cè)區(qū)為丘陵地段，海拔高度為10～100 m。

采用大疆智圖軟件進(jìn)行激光點(diǎn)去的數(shù)據(jù)解算，包括解算飛行航跡、解算激光點(diǎn)云、特征提取、航帶平差、數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)合并、精度檢核、質(zhì)量檢查等操作，完成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算處理，解算后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行架空導(dǎo)線交叉跨越測(cè)量。以導(dǎo)線為剖面，可以快速、直觀地量測(cè)兩導(dǎo)線之間的距離，以0035-0036兩個(gè)桿塔之間的交叉跨越測(cè)量為例，交叉跨越處水平距離0.36 m，垂直距離3.46 m，凈空距離3.47 m，如圖4所示。

圖4 交叉跨越測(cè)量

4 結(jié)語(yǔ)

架空線路覆蓋范圍廣，往往穿越地形復(fù)雜的山區(qū)，植被茂密，人員難以達(dá)到甚至無(wú)法達(dá)到的區(qū)域。野外惡劣的測(cè)量環(huán)境，傳統(tǒng)線路工作人員的人身安全得不到保障，工作量大、效率低、成本高，對(duì)工作開(kāi)展造成極大困擾。相對(duì)其他遙感技術(shù)，激光雷達(dá)作為近年來(lái)發(fā)展的新型測(cè)量技術(shù)，可以直接獲取架空導(dǎo)線和下方地物的高精度、高密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確地恢復(fù)架空導(dǎo)線的三維矢量數(shù)據(jù)，為交叉跨越測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

針對(duì)傳統(tǒng)架空線路交叉跨越測(cè)量方法存在的問(wèn)題，本文提出利用激光雷達(dá)進(jìn)行交叉跨越測(cè)量及安全距離分析方法。該方法通過(guò)飛行平臺(tái)搭載激光雷達(dá)設(shè)備，不受地形條件限制，可以快速地掃描架空線路和通道，獲取準(zhǔn)確的、完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，恢復(fù)架空導(dǎo)線的三維點(diǎn)云場(chǎng)景，從而輕松計(jì)算架空線路的交叉跨越距離，同時(shí)也可以分析架空導(dǎo)線與交跨物之間的安全距離分析，對(duì)于架空線路勘測(cè)設(shè)計(jì)、巡檢運(yùn)維等具有重要的參考借鑒意義。