基于無人機LiDAR的輸電線路勘測設計應用研究

鄭濱雁，高士虎，祖為國，譚金石

(1.廣東南海電力設計院工程有限公司，廣東 佛山 528200；2.廣東工貿職業技術學院測繪遙感信息學院，廣東 廣州 510510)

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，用電需求越來越大，對電網工程建設要求越來越高[1-2]。輸電線路距離長，覆蓋地形復雜，對前期勘測要求成果精度高、效率快，給勘測設計工作帶來極大壓力。傳統野外工測方法存在地形復雜、工作環境惡劣、危險性高等問題[3]，航空攝影測量法容易受到空域、天氣等因素制約，搭載的可見光相機在植被茂密區域的成果精度較低，甚至無法準確獲取地面高程[4]。因此，傳統勘測方法很難滿足當前電網建設需求。

激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)是測繪領域繼全球定位系統(global positioning system，GPS)之后又一項技術革命[5]，它集成激光測距儀、慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)、GPS等先進技術，通過主動發射激光，測量反射信號傳輸時間、頻率變化等參數，確定被測目標的距離、運動速度及方位，從而計算被測目標點云數據。具有主動發射光源、外業工作量少，直接獲取地面三維坐標，且數據處理自動化程度高、成果豐富、精度高等特點，已經廣泛應用于電力勘測、國土測繪、智能交通、林業等領域。傳統LiDAR主要以有人機機載LiDAR為主，適用于大面積區域，租賃飛機費用較高，空域申請時間長。在電力行業，LiDAR技術主要應用于電力巡線、電廠及變電站三維建模、三維輸電線路徑優化及風電、光伏測圖等[6-7]。

針對傳統輸電線路勘測方法存在的問題，本文利用無人機LiDAR對規劃路徑進行激光掃描，獲取路徑區域激光點云、交叉跨越、路徑平斷面圖、塔基地形圖等成果數據，輔助電力設計，并通過應用案例驗證本文方法的準確性和可行性。

1 無人機LiDAR基本原理及優勢分析

1.1 無人機LiDAR基本原理

LiDAR集成激光掃描、GPS差分定位、IMU等技術于一體[8]，直接獲取三維點云，具有高精度和高效率的優勢。激光掃描儀測量激光信號的發射點到目標的距離。GPS差分定位由地面站系統和機載站系統2個部分組成，LiDAR掃描儀與機載GPS相連，地面基準站對機載GPS數據進行差分解算[9]。慣性導航系統(Inertial Navigation System，INS)記錄了激光掃描儀的姿態和加速度，工作原理如圖1所示。

圖1 LiDAR工作原理示意圖

LiDAR系統的激光發射器發出激光脈沖，到達測量目標物表面反射，接收器接收反射的脈沖信號，再精確測量從發射到反射的脈沖個數，得到真實距離L，如式(1)所示。

式中：f為震蕩器頻率；n為脈沖個數；c為光速。結合掃描時無人機位置和姿態，計算單個激光點的坐標(X，Y，Z)。

1.2 無人機LiDAR電力勘測優勢分析

相對于傳統攝影測量技術，LiDAR點云數據能夠穿透植被直達地面，高程絕對精度更高，在獲取點云數據的同時拍攝影像，經過內業處理得到數字地表模型(digital surface model，DSM)、數字高程模型(digital elevation model，DEM)、數字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM) 數據。電力勘測設計人員根據這些數據進行信息提取，提取地物、平斷面高程、交叉跨越、塔基地形及平斷面圖，繼而進行路徑優化。無人機LiDAR應用于電力勘測設計的主要優勢如下。

1)機動靈活、作業條件限制少。無人機體積小、操作簡便、機動靈活、反應迅速，作業時間靈活，空域的限制少，可以近低空飛行[10]。相對于傳統攝影測量作業方式，對天氣要求更低，作業有效時長更長。由于LiDAR系統搭載了高精度的GPS和IMU，不需要外業布測像控點，外業作業效率高。

2)激光點云穿透性強。線路覆蓋區域往往有較多的植被，存在著被植被遮擋的情況，傳統可見光攝影測量難于測量植被底下的地面點，這對探測的結果會有較大影響。LiDAR技術發射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力，可以很大程度上減少植被枝葉遮擋等造成的信息損失，準確獲取真實的山區地形數據。

3)精度較高、處理速度快。LiDAR搭載高精度GPS和IMU，直接測得高精度三維點云。網絡RTK提供動態差分[11]，不需要地面架設基準站，提供云解算，全自動解算三維點云數據，經過點云去噪、濾波、坐標轉換等工序，快速制作DEM數據。

4)三維場景路徑優化。傳統方法通常由電力設計人員根據外業測量的平斷面圖進行排桿設計[12]，在交叉跨越、復雜地物的情況下，圖形不直觀、考慮不周到，往往會出現路徑調整和改線，對勘測人員造成一定量的返工[13]。無人機LiDAR可以一次獲取DSM、DEM、DOM，構建高分辨率的三維場景，設計人員在逼真的三維場景中清晰地看到線路走廊，便于對建筑區等進行合理避讓，避開不良地形條件，優化路徑長度，提高經濟性和生態環境保護。

5)三維量測、交叉跨越直觀。LiDAR點云數據可以進行建筑物、地面、植被、電力線等分類，并且支持三維量測。通過植被高度、導線對地距離計算，設計人員優化選擇塔型(不同塔高)和穿越、跨越已有線路的位置，設計出更加合理的路徑和塔型，同時減少林木砍伐。

2 無人機LiDAR線路勘測全過程

2.1 無人機LiDAR數據獲取

無人機搭載LiDAR系統進行激光掃描前，需要根據LiDAR系統的掃描頻率、回波數、有效測程、平面和高程精度、最大掃描角等參數，以及相機拍攝的重疊度、飛行速度等進行航線規劃設計[14]。對于輸電線路跨越山區地形，傳統無人機等高飛行或者分區等高飛行均不能滿足無人機LiDAR激光掃描精度要求[15]，需要考慮無人機仿地飛行[16]。無人機LiDAR掃描后得到原始點云數據、航拍影像圖、無人機GPS數據、IMU數據及地面GPS基準站數據等，具體的數據采集流程如圖2所示。

圖2 無人機LiDAR數據采集流程圖

2.2 LiDAR點云數據解算

LiDAR點云解算：①利用無人機機載GPS和基準站GPS數據進行RTK/PPK差分解算[17]；②將差分后的GPS數據與IMU數據進行聯合解算，得到無人機高精度軌跡數據。軌跡數據記錄了無人機每時每刻的位置和姿態信息，依據此數據對原始點云數據進行定向，解算每個點位的準確三維坐標，同時進行點云賦色，獲取真彩色點云，具體流程如圖3所示。

圖3 無人機LiDAR數據預處理流程圖

在實際工程應用中，由于原始解算的點云坐標系為WGS84，與實際工程坐標系往往不一致，還需要利用坐標轉換參數進行坐標轉換[18]，生成標準激光點云數據。

2.3 點云數據濾波分類

LiDAR點云數據包含已有架空線路、植被點、地面點、建筑物及其他地物信息。為了后續更好地提取平斷面圖、交叉跨越及塔基地形圖，需要對點云數據進行濾波分類，其結果直接關系到電力線路勘測的精度。對于輸電線路勘測，點云濾波的目標是從點云數據中提取地面點，而將非地面點去除。濾波方法主要有基于坡度的濾波方法、數學形態學濾波方法、不規則三角網濾波方法、曲面擬合的濾波方法、分割的方法等[19-21]。根據分類后的地面點構建DEM數據，可以用于線路勘測中的平斷面(中線、邊線及風偏等高程點)和塔基地形圖繪制。分類后的架空導線點，可用于交叉跨越測量分析。利用所有點云數據采集路徑范圍內的地物平面圖。

在裝配式混凝土建筑結構持續發展的過程中，我們必須充分的認識到，裝配式混凝土建筑的發展是一個長期的、艱難的、創新的過程。它需要耐心和毅力，不僅需要一點一點的完善和積累，而且需要一個高層次的設計來為建筑業的現代化發展做出貢獻。提升和轉變建筑業的創新能力是發展裝配式技術的核心。站在21世紀新的歷史時期深刻認識歷史的必然性和未來性，對裝配式混凝土建筑結構的發展具有重要的意義。

2.4 線路平斷面圖自動化繪制

線路平斷面數據主要包括地物數據(房屋、道路、河流等)、交叉跨越數據以及中線、邊線、風偏等高程點數據，主要是借助ES3D專業軟件人工交互式采集。地物數據采集在激光點云數據上進行，采集路徑地物平面圖，平面地物附帶三維屬性。交叉跨越數據直接基于激光點云采集三維導線。對于中線、邊線、風偏等高數據的提取，根據已確定的線路路徑轉角坐標，直接利用DEM數據進行中線、邊線和風偏的提取。利用采集的帶三維數據的地物平面圖和激光點云DEM數據，可以全要素提取電力線路設計平斷面圖。根據含屬性三維DWG矢量圖，利用CAD三維視圖優化調整路徑，一鍵輸出全要素(地物、交叉跨越、斷面邊線等)ORG平斷面。根據全要素平斷面，深度評價優化線路的合理性，最終確定優化后路徑，測量依據最終優化排桿后成果進行終勘定位，檢查補測部分數據。

2.5 塔基地形圖測繪

傳統方法是逐個整理測量的塔基地物點坐標和高程點數據，逐個成圖，過程步驟多，耗時長。本文利用ES3D軟件進行批量繪制塔基地形圖，包括自動提取塔基范圍高程點、讀入文本坐標數據、自動換算塔基局部坐標、構建三角網繪制等高線和部分地物、套圖框、繪制方向線等過程，實現一鍵批量繪制。

3 試驗與分析

3.1 試驗區概況

試驗區選取220 kV興瑤—硫都(安塘)第二回線路改線工程，主線全長24.56 km，本次斷面復測范圍選取本工程J1-J21段，長度約8 km。共劃分4個區塊開展航飛工作。測試區包括灌木叢、稀疏林地、茂密山林、梯田地、河流等典型地形地貌。在測試地區使用大疆M300 RTK搭載最新的大疆L1 LiDAR測繪相機進行實地測試，用無人機搭載LiDAR獲取點云數據、影像數據等。

3.2 線路勘測過程

外業數據采集采用LiDAR測繪相機。由于測區為丘陵地段，海拔高度為10～100 m，為避免因地形起伏帶來的飛行風險，采用12.5 m分辨率DEM進行航線規劃。外業實施時飛行高度100 m，飛行速度8 m/s，平行于線路進行數據采集。設置航向重疊度為80%，旁向重疊度40%，落差比較大區域為50%。點云密度約200個/m2。飛行過程以“帶狀仿地飛行”方式開展，將規劃好航線導入控制器，自主飛行，自動化進行激光掃描。

激光點云的數據解算采用大疆智圖軟件，包括解算飛行航跡、解算激光點云、特征提取、航帶平差、點云去噪、數據合并、精度檢核、質量檢查等操作，完成激光點云數據的解算處理，解算后的點云數據效果如圖4所示。

圖4 無人機LiDAR點云濾波前效果圖

地面點的提取即點云濾波的過程，這里采用漸進三角網的方法，最大建筑尺寸為20 m，迭代角度20°，迭代距離1.8 m，濾波后效果如圖5所示。

圖5 無人機LiDAR點云濾波后效果圖

采用ES3D測圖軟件采集路徑地物平面圖，平面地物附帶三維屬性。本次測繪1∶500地物平面圖面積1 785 804.28 m2，提取地形圖要素滿足GB 50026—2020《工程測量標準》中1∶500數字線劃圖測繪的精度要求，如圖6所示。

根據點云濾波分類后生成的地面點，提取末次回波的點云數據后通過網格化、填補小漏洞、剔除粗差點云以及內插高程點等過程制作DEM成果。根據路徑轉角塔坐標、地物平面圖、交叉跨越等數據，利用ES3D軟件一鍵生成平斷面圖，輸出行業主流的道亨格式，如圖7所示。

3.3 精度分析

2)塔基地形及斷面點高程精度分析：利用傳統RTK工程測量方法從塔基地形和線路中線、邊線、風偏等位置線路勘測關鍵點位測量高程點，記錄其平面和高程值，作為近似真值。利用這些點的平面坐標，從點云數據構建的DEM數據中自動提取對應點位的高程值，將兩者進行比較。最大差值為0.449 m，最小差值為-0.4 m，中誤差為0.28 m，符合GB 50026—2020《工程測量標準》要求，同時也滿足GB/T 50548—2018《330～750 kV架空輸電線路勘測標準》平坦地及丘陵誤差不大于0.5 m的規范要求。具體的誤差分布圖如圖8所示。

圖8 高程誤差區間分布圖

3)線高測量精度分析：找一處已建成的架空線路，利用2種測量方式同步進行，避免由于溫度不同導致導線變形。首先利用RTK和全站儀結合的常規測量方式，測量跨越線的最低導線和穿越線的最高導線，測量中線、邊線的點，以這些數據作為近似真值(參考值)，然后利用的無人機LiDAR測量方法掃描架空線路導線數據，將兩者測量值進行對比分析，得知線高測量中誤差為±0.057 m。

4 結論

針對傳統輸電線路勘測方法存在的問題，本文對無人機LiDAR應用于輸電線路勘測設計進行應用研究。首先闡述無人機LiDAR基本原理及優勢，對涉及到的LiDAR點云數據獲取、數據預處理及濾波分類等關鍵技術進行分析研究，然后利用工程案例進行試驗，數據采集、處理及成果制作全流程，以及對關注的地面點平面精度、塔基地形及斷面點高程、線高測量等進行精度檢驗與統計分析，獲得以下結論。

1)無人機LiDAR技術，相對傳統大飛機LiDAR，具有靈活、便捷、成本低等優勢，相對于可見光航測，激光點云具有穿透性，特別適合輸電線路跨越山區地形勘測。

2)通過無人機LiDAR獲取的高精度點云數據，可以方便快捷地生成平斷面圖、塔基地形圖及交叉跨越，其自動化程度和整體精度更高，外業人員只需進行少量檢核工作，既保障作業人員安全，又大幅度提升工作效率。

3)激光點云測量的數據成果豐富，包括DOM、激光點云及平斷面圖等，采集平面數據附帶三維屬性，方便設計人員立體化排桿設計，優化路徑。對于少量的路徑調整，測量成果可以直接使用，不需要返工重測。

雖然無人機LiDAR在輸電線路勘測設計中可以大大提升工作效率，成果精度滿足規范要求，但也存在不足之處，山區地形復雜，植被覆蓋密集，還需要人員外業核實確認，后續需要搭載新型傳感器，提升測距精度和地面識別度。