無人機與機載激光雷達系統(tǒng)

無人機在執(zhí)行不同的任務(wù)時離不開多種多樣的任務(wù)載荷。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)一批新型、高精度、高可靠性的任務(wù)載荷。在過去十年，激光雷達系統(tǒng)作為精確、快速獲取地面三維數(shù)據(jù)的工具已得到廣泛的認(rèn)同。

激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，將激光用于回波測距和定向，并通過位置、徑向速度計物體反射特性等信息來識別目標(biāo)。機載LiDAR系統(tǒng)是一種集激光測距、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一體的空間測量系統(tǒng)。作為一種新型傳感器，機載LiDAR系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用范圍和廣闊的應(yīng)用前景。自20世紀(jì)60年代末世界第一部激光雷達誕生以來，機載LiDAR技術(shù)作為一種重要的航空遙感技術(shù)，已經(jīng)被越來越多的學(xué)者所關(guān)注。迄今為止，機載LiDAR技術(shù)的研究與應(yīng)用均取得了相當(dāng)大的進展，雖然機載LiDAR無法完全取代傳統(tǒng)的航空攝影測量作業(yè)方式，但可以預(yù)見，在未來的航空遙感領(lǐng)域，機載LiDAR將成為主流之一。

機載LiDAR系統(tǒng)組成

機載LiDAR系統(tǒng)設(shè)備主要包括三大部件：機載激光掃描儀、航空數(shù)碼相機、定向定位系統(tǒng)POS。

（1）激光掃描儀

機載激光掃描儀部件采集三維激光點云數(shù)據(jù)，測量地形同時記錄回波強度及波形激光掃描儀，是LiDAR的核心，一般由激光發(fā)射器、接收器、時間間隔測量裝置、傳動裝置、計算機和軟件組成。

（2）數(shù)碼相機

航空數(shù)碼相機部件拍攝采集航空影像數(shù)據(jù)，利用高分辨率的數(shù)碼相機獲取地面的地物地貌真彩或紅外數(shù)字影像信息，經(jīng)過糾正、鑲嵌可形成彩色正射數(shù)字影像，可對目標(biāo)進行分類識別或作為紋理數(shù)據(jù)源。

（3）POS系統(tǒng)

POS系統(tǒng)部件測量設(shè)備在每一瞬間的空間位置與姿態(tài)，其中GPS確定空間位置，IMU確定俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角數(shù)據(jù)。機載LiDAR采用動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)，利用安裝在電機上與LiDAR相連接的以及設(shè)在一個或多個基準(zhǔn)站的至少兩臺GPS信號接收機同步且連續(xù)地觀測GPS衛(wèi)星信號，同時記錄瞬間激光和數(shù)碼相機開啟脈沖的時間標(biāo)記，再進行載波相位測量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理，獲取機載LiDAR的三維坐標(biāo)。

機載LiDAR系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

機載LiDAR系統(tǒng)具有高精度、高分辨率、高自動化且高效率的優(yōu)勢，已成為世界各國進行大面積數(shù)值地表數(shù)據(jù)測制的使用主流與趨勢，其多重反射的特性，可同時獲取地面及其覆蓋物（植被、電力線等）的精確三維坐標(biāo)，而透水激光雷達系統(tǒng)更可穿透水體而量測水底的地形起伏。其獲取的高精度高分辨率數(shù)字高程模型（DEM），可作為土地利用、工程建設(shè)規(guī)劃、都市計劃管理，河海地形、潮間帶、集水區(qū)、山坡檢測，地理信息系統(tǒng)、防災(zāi)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、公共管理線等方面數(shù)值化、自動化等應(yīng)用基礎(chǔ)。

（1）數(shù)字城市應(yīng)用

在數(shù)字化程度越來越高的今天，基于二維城市形象系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足形象時代的要求，將三維空間形象完整呈現(xiàn)已經(jīng)成為發(fā)展的必然，也是“數(shù)字地球”的要求。機載LiDAR系統(tǒng)在城市中能體現(xiàn)其不受飛行高度、陰影遮擋等限制的優(yōu)勢，能夠快速采集三維空間數(shù)據(jù)和影像，房屋建模速度快，高程精度高，紋理映射自動化程度高，能夠滿足分析與測量的需求，廣泛用于城市規(guī)劃的大比例尺地形圖獲取。

（2）工程建筑測量

機載LiDAR系統(tǒng)能夠為道路工程及其他建筑項目提供準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)。機載LiDAR系統(tǒng)生成的DEM結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）及CAD軟件，可以為設(shè)計人員模擬各種方案以選擇出最佳路線或最好位置。對于施工錢的原始預(yù)測，DEM結(jié)合正射影像可以為工程設(shè)計人員提供他們所需的大量地形和測量信息。

（3）電力設(shè)計勘測及電力巡線應(yīng)用

在進行電力線路設(shè)計時，通過LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個線路設(shè)計區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素的情況。

（4）災(zāi)害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測

利用機載LiDAR系統(tǒng)產(chǎn)生的DEM，水文學(xué)家可以預(yù)測洪水的范圍，制定災(zāi)難減輕方案以及補救措施，也廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害（如颶風(fēng)、地震、山體滑坡等）的災(zāi)后評估和響應(yīng)。

機載LiDAR系統(tǒng)的應(yīng)用案例

案例背景

我國目前已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)共6個跨省區(qū)電網(wǎng)，110kV以上輸電線路已達50多萬千米。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國每年電力行業(yè)整體投資約為1000億元，其中硬件設(shè)施為73%，說明輸電設(shè)備在國家電網(wǎng)建設(shè)上比重越來越大。隨著電網(wǎng)的日益擴大，巡線的工作量也日益加大，平均每100km的巡線工作需要20個巡線人員工作一整天才能完成。因此，傳統(tǒng)的巡線方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的廣泛需求，使用多種不同類型的無人機（多旋翼、固定翼、直升機）進行不同任務(wù)的電力巡線任務(wù)已經(jīng)成為了新的趨勢。

電力巡線是電網(wǎng)日常運營和管理的一項重要內(nèi)容，定期或不定期對輸電線路進行巡檢、及時發(fā)現(xiàn)和排除安全隱患是確保電力線路運營安全的重要保障。無人機執(zhí)行電力巡線任務(wù)時，載荷的選擇也非常重要。機載LiDAR點云數(shù)據(jù)已經(jīng)成為重要的對地觀測與建模表達技術(shù)手段，為地理空間環(huán)境研究提供了高精度豐富數(shù)據(jù)源。電力巡線任務(wù)中高電壓、長距離電力線走廊遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和交通干線，其監(jiān)測和管理需要克服傳統(tǒng)實地測量巡查等方式的缺陷，機載LiDAR直接、高效、高精度和全天候的數(shù)據(jù)獲取方式，以及三維直觀的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，使其在電網(wǎng)應(yīng)用中具有傳統(tǒng)航測技術(shù)不可替代的優(yōu)勢。特別是機載LiDAR的高頻率脈沖能部分地穿透植被獲取高壓線下的地形信息，解決人工和傳統(tǒng)航測存在植被遮擋“盲區(qū)”的問題，而且由于直升機受天氣以及地理環(huán)境因素影響較小，可全天候、全地域?qū)旊娋€路進行巡檢。

案例概況

無人機電力巡線是要為輸電線路監(jiān)護人員提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)施設(shè)備異常和隱患，以及線路走廊中被跨越物對線路的威脅。利用機載激光雷達測量系統(tǒng)獲取的高精度點云可以檢測建筑物、植被、交叉跨越等對線路的距離是否符合運行規(guī)范。

通過巡線采集的點云和高清影像數(shù)據(jù)，處理成標(biāo)準(zhǔn)的DOM、DEM，結(jié)合分類后的點云可以實現(xiàn)電力線路的三維建模，恢復(fù)電力線沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等），線路桿塔三維位置和模型等。

解決方案

（1）載荷平臺

載荷平臺選用北京七維航測科技股份有限公司的SDI-600LD機載LiDAR系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由激光掃描儀、2000萬像素迷你相機、適配POS系統(tǒng)以及該公司自主研發(fā)控制單元組成的超輕型LiDAR系統(tǒng)，是一款超低空小面積快速獲取地表模型的理想設(shè)備。

（2）飛機平臺

飛行平臺選用盧龍一號交叉雙槳無人直升機。該機型為單發(fā)無人直升機系統(tǒng)，體積小、轉(zhuǎn)場方便，人員及平臺只需一輛運輸車。支持自主垂直起降、航線飛行；所需作業(yè)人員少，標(biāo)準(zhǔn)機組由3人組成，包括平臺操作人員、載荷操作人員和運輸車司機。起降要求低，起降場地大小只需25m2（5m×5m），起飛準(zhǔn)備時間小于15min。盧龍一號的環(huán)境適應(yīng)性強，可抗5級來風(fēng)，可在小雨環(huán)境中飛行，還具有起飛前自動檢測、故障定位發(fā)動機油水分離、電池模塊化設(shè)計、防誤操作等可靠性設(shè)計。

（3）機載LiDAR數(shù)據(jù)采集

機載LiDAR在數(shù)據(jù)采集前需進行準(zhǔn)備工作，主要包括空域申請、航線規(guī)劃和基準(zhǔn)站的布設(shè)等。

機載LiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖所示。

（4）機載LiDAR數(shù)據(jù)處理

機載LiDAR數(shù)據(jù)后處理流程如圖所示。

應(yīng)用優(yōu)勢

在三維激光點云可視化平臺中提取電力線關(guān)鍵信息，分析所采集數(shù)據(jù)的特點，基于點云進行量測與分析，實現(xiàn)人機交互式的危險點排查，提取電力走廊危險點、危險面和危險空間，標(biāo)識或預(yù)測危險區(qū)域，最終保障電力運營安全。

三維激光點云可視化平臺中，以電力走廊內(nèi)的關(guān)鍵對象—電力線與電力塔為核心，形成柱狀探查空間，同時標(biāo)識高大植被、高層建筑、穿越線路等關(guān)注地物，分析相互之間的拓?fù)潢P(guān)系與相互作用，從而提示危險排查區(qū)域。