小型機載激光雷達技術在植被覆蓋區域輸電線路工程中的應用

梁興+李虹+竇延娟

摘 要：本文簡要闡述了基于小型機載激光雷達技術在植被覆蓋區域輸電線路工程中的應用。通過對小型機載激光雷達系統原理及其在電力線路優化設計中技術優勢進行分析，形成了一套規范的應用機載激光雷達技術的輸電線路勘測優化設計技術流程。通過數據獲取、數據處理，最后將高精度機載激光雷達豐富的數據成果應用在專業的LIDAR三維輸電線路優化設計系統進行可視化線路設計，滿足了電力線路工程需求，降低了選線難度，提高了工作效率，具有良好的社會效益及經濟效益。

關鍵詞：小型機載激光雷達技術；植被覆蓋區三維測繪；電力優化選線

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A

0.引言

輸電線路勘測優化設計在是輸電線路工程中最基礎最重要的工作，優化設計輸電線路路徑需要綜合考慮行政規劃、運行安全、經濟合理、施工難度、檢修方面等因素。而在輸電線路優化設計工程中，特別是工程工期緊、測繪面積較大、精度要求高且測區地形較為復雜的情況下，輸電線路優化設計難度較大，尤其是在我國西南地區以高山大嶺為主，地形起伏大，植被覆蓋率高且平丘地區房屋密集，分布不規則。傳統的線路優化設計主要采用的測量方法是工測量方法或者工程測量與航測相結合的方法。傳統的線路優化設計方法具有外業勞動力強大，數據精度低且無法獲取植被以下地形及交叉跨越的高度，工期比較長等缺點。將激光雷達技術應用于電力線路優化設計中能降低選線難度，提高設計效率。因為機載激光雷技術具有數據產品豐富、數據精度高，能夠獲取植被以下的地形及交叉跨越高度且自動化程度高，能夠保證線路走向合理，大大降低外業工作量，縮短工期等優點。

我單位采用綿陽天眼激光科技有限公司自主研發的小型激光雷達測繪系統搭載在動力三角翼上對四川廣元某山區測區進行數據采集，應用高精度激光雷達數據成果，在基于激光雷達數據輸電線路三維優化選線軟件中進行優化設計，高效快速對該區線路進行優化設計，降低了選線難度，提高了工作效率，具有良好的社會效益及經濟效益。

1.小型機載激光雷達系統原理及技術優勢

1.1 機載激光雷達系統原理

機載激光雷達系統是集激光測距、全球定位系統（GPS）、慣性導航系統（IMU）及高分辨率航拍相機于一體的系統。利用高精度的激光掃描測距技術獲取三維激光點云、慣性導航單元系統獲取飛行平臺姿態信息、機載GPS獲取飛行平臺的空間三維位置信息；利用高分辨率數碼相機獲取真彩色數據影像。機載激光雷達測量原理：機載激光雷達激光腳點定位采用飛行航跡來計算激光腳點的坐標。因此基于飛行航跡和系統瞬時姿態的激光點的坐標計算如公式（1）所示，公式（1）中的L是瞬時激光脈沖源到地物的距離，基于飛行時間測量原理的測距由公式（2）求得。公式（1）中是激光發射角，XL、YL、ZL是激光器的位置坐標，通同轉換矩陣就可以精確的計算出每一個地面光斑的XG、YG、ZG。

機載激光雷達系統包括以下4部分：機載激光掃描雷達單元；DGPS及IMU慣性導航單元；高分辨率航拍相機；系統控制及數據實時記錄存儲單元。各部分用以太網協議交換數據，供電選用航空電池供電。小型激光雷達系統原理如圖1所示，不需要或需要極少地面控制點即可快速獲取地表及植被以下地表的精確三維信息。

1.2 小型機載激光雷達系統在輸電線路優化設計的技術優勢

小型機載激光雷達系統以其體積小、重量輕且精度高等優點，選擇的飛行平臺較為靈活，快速響測繪作業任務且數據采集周期短。搭載平臺可以選擇有人直升機、無人機、無人氦氣飛艇及動力三角翼等，根據任務需求可以選擇不同的飛行平臺。針對本次山區及植被較為密集的作業區域，選擇搭載動力三角翼作為飛行平臺對測區進行數據采集。機載激光雷達技術具有穿透性，能夠獲取植被以下高精度地形數據及交叉跨越高度；數據精度高、點云密度高；且能快速高效進行作業；數據產品豐富，能獲取高精度的三維激光點云數據和高分辨率數碼影像經過數據處理得到高精數字高程模型DEM、數字表面模型DSM、高分辨率數字正射影像DOM及精細分類的點云數據（包括電力線點、植被點、房屋點）等。

機載激光雷達數據成果，在電力選線以及后期設計工作中提供多種輔助參考信息。生成的高精度DEM數據可以實時獲取線路各個方向斷面信息及塔基地形、塔基斷面；通過數據分類處理，獲取地面、電力線三維點云數據，設計人員在室內即可完成線路交叉跨越測量工作；高分辨率真彩正射影像DOM利于選線避開房屋、庫區、墳墓等重要地物，綜合參考DEM和DSM可實時獲取房高樹高，精確評估樹木砍伐量與房屋拆遷量等；DEM結合DOM得到真實的三維場景，可從不同視角查看線路周圍的地物、地貌信息，直觀可視的三維地形瀏覽及選線，大幅度提高工作效率。

2.技術路線

基于小型機載激光雷達技術在植被覆蓋區輸電線路勘測優化設計中的工程應用主要技術內容包括數據獲取、數據處理、數據應用。采用小型機載激光雷達系統進行電力選線數據的獲取具體技術路線如圖2所示。

機載激光雷達數據獲取的原始數據包括原始激光點云數據、原始數碼影像、慣性導航（IMU）數據、機載GPS數據、地面基站GPS數據。對機載激光雷達獲取的數據處理技術路線如圖3所示。

經上述數據處理后得到的數據成果高分辨率數碼影像DOM、高精度數字高程模型DEM、高精度數字表面模型DSM及精細分類后的電力線點云數據LAS，加載于專門基于LIDAR數據成果的三維輸電線路優化設計系統，對激光雷達獲取的數據進行管理與瀏覽，進行三維選線，主要技術路線如圖4所示。

3.工程應用

我公司應用小型機載激光雷達技術，對地勢起伏較大且植被覆蓋率高的廣元中子（中子-明月峽220kV線路工程、中子-雪峰220kV線路工程）約86km的輸電線路工程勘測優化設計，應用動力三角翼搭載機載激光雷達測繪系統進行數據采集，通過數據處理制作高精度DEM、DSM、高分辨率DOM及精細分類電力線點云。運用三維輸電線路優化設計系統對該工程進行室內快速可視化三維優化選線設計。

3.1 工程測區概述

廣元中子鎮位于廣元市朝天區東北部，屬于低中山區，南北邊緣高峰聳立，海拔在500m～1600m，植被較為密集，高差較大。本次220kV輸電線路工程包括中子鎮—明月峽鄉、中子鎮—雪峰鄉兩條線路，測區全長約86km。

3.2 數據采集

在航測前，進行控制點的踏勘、選址和埋設樁位，用于靜態觀測。GPS網形規劃與控制點之分布有關，為使整個網形的點位誤差分布均勻，在測區布設4個基站，覆蓋測區。結合小型機載激光雷達系統自身的特點，對航高、航速、相機鏡頭焦距及曝光速度、掃描頻率等航攝參數進行設置；為獲取高質量的數據，本次工程共設計了兩條航線，能充分滿足測區的帶寬和激光點云密度要求。

3.3 數據處理

數據處理包括數據預處理和數據后處理。數據預處理是對的激光點云數據大地定向和計算影像外方位元素；數據后處理是在預處理的基礎上經過點云去噪、濾波及精細分類，快速自動分離出精細的地面點（圖5）及分類后的電力線點云數據（圖6），可以快速提取交叉跨越高度。通過對精細的地面點構建不規則三角網格TIN即可快速生成DEM數據（圖7），去噪后的所有地物點即可快速生成DSM。使用精細分類的地面點對數碼影像單張正射糾正，通過鑲嵌勻色即可生成高分辨率正射影像DOM（圖8）。

（1）精細分類后的地面點

（2）精細分類后高密度電力線點云數據用于獲取交叉跨越高度

（3）高精度數字高程模型DEM和數字表面模型DSM

（4）高分辨率正射影像DOM

3.4 線路優化設計

通過后期數據處理得到的成果有DOM、DEM、DSM、分類后的電力線點云，將數據成果導入到基于激光雷達數據輸電線路三維優化選線軟件中，充分利用機載激光雷達系統的多種數據成果，進行室內可視化電力線路選線優化設計，為線路設計提供多種輔助信息，如房高樹高、面積坡度量測、線路交叉跨越高度測量、快速平斷面/塔基斷面/塔基地形圖等。

在三維輸電線路優化設計系統中能夠快速對已有電力線路交叉跨越高度進行量測（圖9）；在線路設計過程中基于精細DEM快速獲取不同方向、不同深度的斷面數據（包括植被以下區域）；高分辨率正射影像圖結合DSM數據可以從中精確量取待拆遷房屋面積及待砍伐植被面積，同時能夠實現線路的優化，減少線路與房屋、植被的跨越，同時對重要地物（高速路、鐵路等）跨越角度進行評估（圖10）；根據優化選線結果及DEM，可以快速自動獲取線路平斷面圖、塔基斷面圖及塔基地形圖，最終優化選線結果如圖11所示。

3.5 精度分析

通過外業實地檢查對本次植被覆蓋區輸電線路測區應用機載激光雷達技術勘測獲取數據進行精度評估，整個測區獲取了高密度點云數據，平均個平方米有6～7個點；整個線路測區高程中誤差為31cm，平面中誤差為65cm，完全滿足電力選線需求。

結語

通過應用小型機載激光雷達技術在植被覆蓋區域輸電線路勘測優化設計，通過將小型機載激光雷達系統搭載在動力三角翼上能夠快速靈活響應工程需求，快速獲取線路走廊區域精細的三維地形數據且數據精度高，滿足電力設計精度要求；通過應用基于LIDAR數據成果的三維輸電線路優化設計系統，對激光雷達獲取的數據進行管理與瀏覽，進行三維優化選線，為電力選線提供多種多樣的信息輔助選線，避免了大量的外業測量，減少了樹木砍伐量及房屋拆遷量，提高了作業效率，具有很大的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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