電力線路測量新技術應用與誤差分析研究

劉子武

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.087

摘 要：傳統(tǒng)測量技術進行電力線路工程勘測設計，獲得的勘測成品精度較低，內、外業(yè)工作量大，勘測設計工期長，不利于勘測設計優(yōu)化，不利于降低工程投資，該文以LIDAR在電力線路測量中的應用為研究對象，結合具體實例，證明了LIDAR技術進行電力線路的勘測設計技術上是可行的，精度是可以滿足設計要求的，可方便地進行電力線路工程優(yōu)化選線，效率更高，操作更簡便。

關鍵詞：LIDAR 電力 線路 測量 精度

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（c）-0087-02

1 LIDAR技術簡介

LIDAR（Light Detection and Ranging）技術是集激光測距（LRS， Laser Ranging System）、數(shù)字航空攝影、差分GPS、慣性導航系統(tǒng)（ INS）等多種測量技術的新型測量系統(tǒng)。機載激光雷達系統(tǒng)由差分GPS接收機、慣性測量單元（Inertial Measurement Unit， IMU）、激光掃描測距儀、數(shù)碼相機組成。通過發(fā)射高速激光掃描測量的方法，快速獲取被測對象的三維坐標數(shù)據(jù)，并將其應用到航空攝影測量中，便能快速地獲取地面點三維坐標。激光測距是主動式遙感系統(tǒng)，它向地面發(fā)射激光，通過計算激光從發(fā)射到地面反射回來的時間TL，計算出到地面的距離。通過差分GPS系統(tǒng)可知道飛機上組合傳感器每一時刻的三維坐標。在地面架設若干地面GPS基站，通過無線技術將地面基站信息發(fā)射給機載GPS接收機，經過差分，就可得到組合傳感器每一時刻的坐標（X， Y， Z）。而INS能實時提供組合傳感器主光學系統(tǒng)主光軸的姿態(tài)角（俯仰角、側滾角、航向角）。LRS、DGPS、INS相結合，便可計算地面的三維坐標，再結合數(shù)字航空攝影技術，將得到的數(shù)據(jù)進行處理，即可獲取地面的GIS數(shù)據(jù)。

2 LIDAR技術在電力線路工程中的應用

2.1 傳統(tǒng)測量技術應用

在傳統(tǒng)電力線路工程勘測設計中，多采取工程測量和航空攝影測量的方法進行。工程測量方法測量的地面信息精度高，但外業(yè)工作量大，測量的工期長，而且不利于勘測設計的一體化與優(yōu)化設計。而利用傳統(tǒng)航空攝影測量進行電力線路勘測設計，不僅需要進行大量的GPS外控點測量，還需要進行大量的野外調繪工作，航測的內業(yè)時間長，勘測設計的成本很高，工期偏長。而且傳統(tǒng)的航空攝影測量在測量植被厚的隱秘地區(qū)時，測量的高程精度很低，影響電氣專業(yè)人員準確排桿；傳統(tǒng)的航空攝影測量方法也不能生成準確的塔基斷面圖。所以采用傳統(tǒng)測量技術進行電力線路工程勘測設計，獲得的勘測成品精度較低，內、外業(yè)工作量大，勘測設計工期長，不利于勘測設計優(yōu)化，不利于降低工程投資。

2.2 LIDAR技術應用

利用LIDAR技術進行電力線路的勘測設計具有很大的優(yōu)越性。LIDAR技術只要做少量的GPS控制點和少量的調繪工作，縮短了勘測設計的工期，減少了勘測設計的成本。

LIDAR技術的激光能穿透植被，得到地面的數(shù)據(jù)，這樣就能進行隱秘地帶的測量。對LIDAR數(shù)據(jù)進行處理后，可生成正射影像圖，進而生成帶電力線路路徑的三維數(shù)字地面模型圖，可以方便地在上面進行線路路徑選擇。確定了線路路徑后，可以生成線路平斷面圖，再生成塔基斷面圖，便可進行一次性勘測設計，能讓勘測設計一體化，大大地縮短了勘測設計的周期，減少了勘測設計成本，并且能進行優(yōu)化設計，節(jié)省工程投資。

（1） LIDAR技術外業(yè)航飛。

首先做基站點，基站點要分布合理，保證航飛時飛機的30 km內至少有一個基站?；拘枰x在開闊、交通便利的地方，沒有樹木、房屋等擋住衛(wèi)星信號，周圍無電子干擾源，不能有大片水面或其他反射面?；咀詈檬孪冗M行高程、坐標的聯(lián)系測量，便于以后進行坐標轉換。在進行外業(yè)測量的時候，應注意航帶是要有一定的重疊度，要注意LIDAR系統(tǒng)的以下參數(shù)的選用：如激光波長、最大重復脈沖頻率、脈沖回波記錄模式、功率、光斑尺寸、掃描角、掃描模式等。

（2）LIDAR數(shù)據(jù)內業(yè)處理。

內業(yè)數(shù)據(jù)處理最重要的步驟是LIDAR數(shù)據(jù)的濾波。LIDAR數(shù)據(jù)濾波的方法有很多。平面約束條件濾波法是利用平面約束條件對LIDAR點云數(shù)據(jù)進行濾波，利用多個數(shù)據(jù)點擬合平面，根據(jù)平面約束條件和平面點分類法得到地面點，最后利用地面點內插獲得該地域的DEM。目前可采用芬蘭公司的TerraSolid商業(yè)軟件來實現(xiàn)LIDAR數(shù)據(jù)的濾波，對數(shù)據(jù)進行分類和提取。接著進行正射影像圖和三維立體模型數(shù)據(jù)的生成，將已有的電力線數(shù)據(jù)、協(xié)議區(qū)數(shù)據(jù)、與電力線路路徑有關的擬建、在建項目等相關數(shù)據(jù)輸入，一起生成正射影像圖和三維立體模型數(shù)據(jù)。

（3）電力線路路徑優(yōu)化。

以線路電氣專業(yè)人員為主，在結構、測量、地質、水文等專業(yè)人員的配合下，進行電力線路的路徑選擇和優(yōu)化。在LIDAR數(shù)據(jù)生成的正射影像圖和三維立體模型圖中，設計人員可以圖上看到全局的真實情況，能很容易地避開不利的因素，得到合理的線路路徑。由于LIDAR技術能對隱秘地帶進行測量，能比較準確獲得每個塔位的位置和高程，設計人員在選擇路徑時，可考慮塔位的具體情況，在設計時能做到線中有位、線位結合，能得到最優(yōu)的線路路徑。

（4）確定線路桿塔位置。

在線路的路徑基本確定以后，就可以生成線路的平斷面圖，也可以生成風偏點。美國的海拉瓦平臺和我國的適普軟件能較好的做到這些功能。由于LIDAR技術能穿透植被，建立的地面、地物高程模型比較準確，生成的平斷面圖也比較準確，線路設計人員可準確地確定桿塔位置。

（5）生成塔基斷面圖及三維立體模型。

在桿塔位置確定以后，可以生成較準確的塔基斷面圖。設計人員可以檢查每一個塔位的地理情況，如果不合適，還可以進行塔位的調整。如果找不到合適的塔位，還可以將線路路徑進行調整。接著可制作帶塔位的線路路徑三維立體模型。

（6）外業(yè)定位放樣。

確定了線路路徑、桿塔位置以后，就可以利用RTK（實時動態(tài)）GPS進行外業(yè)定位放樣。此階段，要注意檢核危險斷面點、高等級電力線、通訊線、重要跨越、隱秘地帶的高程、塔基斷面等，如有出入的地方，要及時改正，并反饋給設計人員。

2.3 應用實例

在某500 kV線路工程中，應用機載激光雷達技術進行優(yōu)化選線，取得了預期的效果，與初設相比，縮短了線路長度1 km，減少了交叉跨越3處，減少了占用森林、農田面積56畝，減少了房屋的拆遷4 000 m2，節(jié)約了工程投資5 550 000元，切實達到了線路路徑優(yōu)化的目的。

3 LIDAR技術的誤差分析

進行了LIDAR系統(tǒng)的完善校正以后，機載LIDAR的定位精度是由GPS的定位精度、姿態(tài)測量裝置的量測精度、激光測距儀的測距精度和掃描角的測量精度決定的。系統(tǒng)中任何一種傳感器精度的降低，都會導致系統(tǒng)定位精度的下降。誤差公式如下：

在飛行高度小于600 m、地面坡度小于30 b的情況下，INS的姿態(tài)測量精度對測距誤差的貢獻程度要低于GPS的定位精度對測距誤差的貢獻程度。隨著飛行高度、地面坡度的增加，姿態(tài)測量精度對測距誤差的貢獻也就逐漸增加而超過GPS定位精度對測距誤差的貢獻。因此，在低空飛行時主要是要設法提高GPS的定位精度，而高空飛行時則必須有一個高精度的姿態(tài)測量裝置。

在某高壓線路工程中，使用4臺天寶GPS 5700，用運五飛機進行航飛，利用芬蘭公司的TerraSolid商業(yè)軟件進行LIDAR數(shù)據(jù)處理，并對測量結果進行了精度分析，分析結果見表1。

由表1可以得出結論：用LIDAR技術進行電力線路的勘測設計技術上是可行的，精度是可以滿足設計要求的（平地可控制在±0.3 m左右，山區(qū)可控制在±0.6 m左右）。

4 結語

利用LIDAR技術進行電力線路的勘測設計，只需做少量的地面控制點和少量的外業(yè)調繪工作，能提高隱秘地帶測量的高程精度，縮短了勘測設計的周期，并且可以實現(xiàn)勘測設計一體化?？煞奖愕剡M行電力線路工程優(yōu)化選線，效率更高，操作更簡便。利用LIDAR技術生成的三維場景，可以進行全線漫游及多視角觀察，設計人員能更好地進行優(yōu)化設計，對地物的判斷、空間位置的確定更準確、便捷，能更好地避讓重要地物，更合理地選擇線路路徑和桿塔位置。

參考文獻

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