困難復雜地區輸電防雷線塔數據機載LiDAR三維掃描獲取

阮 羚，周 平，姚 堯

(1.湖北省電力公司電力試驗研究院，湖北武漢430077;2.武漢科西爾信息技術有限公司，湖北武漢430050)

困難復雜地區輸電防雷線塔數據機載LiDAR三維掃描獲取

阮 羚1，周 平2，姚 堯1

(1.湖北省電力公司電力試驗研究院，湖北武漢430077;2.武漢科西爾信息技術有限公司，湖北武漢430050)

通過分析機載LiDAR的技術特點，論證該技術解決困難復雜地區輸電防雷線塔數據采集技術難題的可行性。

LiDAR;輸電;防雷;線塔數據

一、引 言

截至2008年年底，全國運行線路220 kV及以上線路共364 796 km，其中，750 kV共有536 km，500 kV共有109 642 km，330 kV共有17 906 km，220 kV共有23 6712 km。雷擊、自然災害和外力破壞成為直接干擾國民經濟電網正常生產運行的三大誘因。若防雷方案和防雷措施更具有差異化和針對性，到2020年堅強智能電網建成時，僅防雷設施和雷擊跳閘事故修復部分，每年將為國家節省大量資金并明顯減少因非計劃停電帶來的損失。

傳統的航測方法因天氣原因易導致測量周期過長，且無法識別垂直層面的線塔設施和克服地表植被的嚴重影響，僅適用于新建輸電線路方案選線與比選要求;采用GPS、全站儀或GPS-RTK等人工測量方式，由于地勢過于陡峭、人力無法到達桿塔及塔間線路現場，無法適應工程需要。因此為降低因雷電災害未及時防治而造成的嚴重影響，架空輸電線路亟需一種能提高數據獲取效率的新方法。機載LiDAR(light detecting and ranging)三維掃描則為困難復雜地區輸電防雷線塔數據獲取提供了技術可能。

二、LiDAR測量的主要設備

目前國內應用的主流機載 LiDAR有加拿大Optech公司ALTM系列的3100EA，德國IGI公司LiteMapper系列的 LiteMapper5600，徠卡公司的ALS60，RIEGL公司的CP680等。當前國內已知的最新LiDAR設備型號為RIEGL公司CP680二代。許多高校和科研單位如首都師范大學、武漢大學、中科院、中國測科院等，也對機載LiDAR進行了集成和自主研發，并取得一些研究成果。

雖然國內從事機載LiDAR商用設備應用的有40余家公司，但對機載LiDAR的工程應用能力參差不齊。國內在無人機載LiDAR的集成與應用研究方面也逐漸成形，未來數據采集和數據處理成本也會隨之大幅降低，有利于大范圍推廣應用。

三、機載LiDAR系統結構及其技術優點

機載LiDAR系統，集成機載GPS/IMU及CCD相機等傳感器，以飛機為搭載平臺，利用激光測距的時間-飛行差原理直接獲取地物三維數據。由于其主動獲取地物高精度三維空間數據和穿透植被的獨特優點，在獲取高精度輸電線路走廊通道數據方面獨具優勢［1-7］。機載LiDAR三維掃描工作的原理［5］如圖1所示。

1)數據密度高。激光點云的地表掃描采樣間距在0.1～1.2 m間，甚至更小，數據密度極大，非常有利于真實線路走廊線路桿塔識別與模型的仿真模擬，如圖2所示。

圖1 機載LiDAR三維掃描工作原理

圖2 機載LiDAR三維掃描線塔數據

2)植被穿透能力強。由于其多次回波特性，任一束激光在穿越植被空隙時，可返回葉面、枝椏、地面等多個空間屬性數據，有效克服植被影響，更接近真實地表。

3)不受陰影和太陽高度角影響。以主動測量方式采用激光測距方法，不依賴自然光;不受太陽高度角、植被、山嶺等影響。

4)人工野外作業量少。采集的每個地面點都帶有真實三維坐標，僅需布設極少量野外基站點;由于能同時獲取高分辨率數碼影像，為后期展示全景真三維可視化線路走廊提供了支持。

機載LiDAR系統具有快速、高密度、高精度的數據獲取能力，特別適合帶狀數據采集，為輸電線路走廊各類參數的獲取提供了全新技術手段，也為地表環境困難復雜地區線路及桿塔數據的快速準確獲取提供了可能，是一種困難地區高精度信息獲取的創新技術手段。

四、基于機載LiDAR技術的輸電防雷線塔數據獲取

1.高精度線塔數據掃描采集

(1)GPS基站的布設

機載LiDAR在空中對輸電線路進行掃描時，根據GPS基站發出的信號進行實時差分定位。單個GPS基站的覆蓋半徑通常為30 km左右，可根據輸電線路走廊掃描范圍的長度和帶寬設定。

(2)航飛任務設計

結合架空輸電線路走廊的特點，針對地形和數據采集間距要求，確立飛行高度，估算飛行用時和架次。對于高差較大、地勢過陡等特殊地貌地區，可以適當重飛，避免采集過程中盲區的產生，獲取更豐富、準確的地表和線路桿塔設施數據。

2.高精度激光點云預處理與精分類提取

野外數據采集完成后，需針對獲取的原始激光點云和原始地表影像進行預處理，實現激光腳點大地定向，激光點云過濾及分類、影像還原糾正等一系列處理［1-2，4，7］。

3.三維線路桿塔矢量模型逆向構建

根據精分類后的激光點云數據，采用專業軟件Plext和TowerModeling快速逆向建模的方法。所謂逆向建模就是通過近距離掃描獲得高密度激光點云數據和高分辨率影像數據，使用專業軟件進行模型的精細制作和貼圖，得到真實準確、細節完整的數字化模型，如圖3所示。

建立輸電線路通道線塔設備層三維矢量化圖形數據，一是用于三維立體可視化，二是用于線塔雷電專業參數計算時彌補采樣點間隔太大或缺失的客觀現實，確保參數分析數據準確有效。

圖3 線塔矢量模型

4.線路桿塔雷電參數應用挖掘

地形地貌數據中，線路參數和桿塔數據是防雷方案需要重點獲取的對象。根據機載LiDAR的數據特點，采用自主專業軟件TowerTreat輔助分析計算的方法，能夠客觀表達塔形、結構，典型輸電線路的地理坐標、高度、密度及地形地貌參數。

桿塔橫截面左右各100 m內，用每隔25 m取一個相對桿塔的點計算出地面傾角θi，來定義地形地貌參數。導線、避雷線沿線路檔距全線每隔一定檔距對地表高度來定義線路參數。根據防雷電專業要求選取桿塔分類層激光點云數據對應的特征點，定義桿塔參數。桿塔參數包括導地線(導線和避雷線)高度和中距等。

五、技術應用實例

鄂西三峽地區地表條件復雜、氣候多變，高山峽谷眾多，切割地形嚴重，為輸電線路雷電防護帶來很大困難。因此，在研究三峽地區輸電線路雷電機理和防治措施時，有必要開展此項研究工作。需要獲取更精確的輸電線路全線逐級桿塔的塔形、結構，典型輸電線路的地理坐標、高度、密度及地形地貌參數，用于雷擊風險的統計和進行仿真輸電線路雷擊風險評估［8-10］。

在微觀地形地貌(＜1 km)條件下，為評估逐級桿塔差異化防雷措施的有效性和針對性提供真實參數依據。同時，有助于對輸電線路綜合防雷措施進行效果后評價和事故反演。

本次研究采用機載三維激光雷達掃描技術在三峽地區試點線路上方進行飛行掃描，對獲取的成果數據進行精細分類和處理后，生成三峽地區試點線路走廊通道精確的全景真三維地形地貌圖像和線路桿塔等專業雷電參數。為三峽區域試點線路采取有針對性的差異化防雷防治措施提供準確參數。

為滿足防雷方案設計需要，本次工程技術要求:平面誤差不大于±1 m，高程誤差不大于±0.5 m。每平方米不少于10個激光點。飛行任務設計中，考慮到三峽地形復雜和微氣象條件復雜等情況，第一次全線路巡視飛行，第二次根據技術要求進行任務采集飛行。在整個路線范圍，共布設兩個GPS基站。

經對比分析，現有資料第一次提供的220 kV的某線23個轉角塔坐標，有13個桿塔有明顯差異，且差異在60 m以上，占57%。后經過復測和共同驗證，結果證明機載LiDAR三維掃描數據準確可靠。同時，在這次機載LiDAR三維技術研究中，利用機載LiDAR數據進行全線路走廊線塔防雷數據的獲取輸出和全線路走廊真三維矢量化場景進行了雷擊復現反演。

六、結論與展望

在本次困難復雜地區輸電防雷線塔數據機載LiDAR三維掃描獲取的技術應用研究中，達到了設定的數據采集技術要求。從機載LiDAR數據所獲取的地形地貌參數，線塔參數數據首次成功地應用于輸電線路防雷方案的設計和雷擊事故復現反演評估中。

國內電力行業還未真正重視這種機載LiDAR精確數據的高可復用性，本次研究在挖掘其深層次應用特別是在雷電防治等專題應用方面做了有益探索。本次機載LiDAR技術應用研究和實踐證明，機載LiDAR三維掃描技術極有可能改變傳統輸電防雷線塔數據的獲取來源，引領輸電線路差異化防雷評估方法，是一項非常有應用前景的輸電線路走廊三維掃描技術。

［1］ 張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法［M］.武漢:武漢大學出版社，2007.

［2］ 賴旭東.機載激光雷達基礎原理與應用［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［3］ 戴永江.激光雷達原理［M］.北京:國防工業出版社，2002.

［4］ 黃先鋒，李卉，王瀟，等.機載LIDAR數據濾波方法評述［J］.測繪學報，2009，38(5):466-469.

［5］ 李國興.我國直升機電力作業的現狀與發展［J］.電力設備，2006，7(3):41-45.

［6］ 張險峰，陳功，尼維，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.

［7］ 蒙祥達，李新科.機載激光雷達技術及其在電力工程中的應用［J］.廣西電業，2007(9):81-83.

［8］ 沈曉龍，祁利，胡萍，等.湖北省超高壓典型輸電線路防雷效果評估［J］.湖北電力，2009，33(3):4-8.

［9］ 王曉彤，施圍，劉文泉.改進電氣幾何模型計算輸電線路繞擊率［J］.高電壓技術，1998，24(1):85-87.

［10］ 谷山強，陳家宏，陳維江，等.輸電線路防雷性能時空差異化評估方法［J］.高電壓技術，2009，35(2): 294-298.

Difficult and Complex Regional Transmission Line and Tower Lightning Protection Data Acquisition by Airborne LiDAR 3D Scanning

RUAN Ling，ZHOU Ping，YAO Yao

0494-0911(2011)12-0037-03

P234

B

2011-10-19

阮 羚(1961—)，男，湖北武漢人，教授級高級工程師，主要研究方向為高壓電器。