機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙佰棟 申學(xué)德 潘慶明 張曉雷 樊星

【摘 要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，在地質(zhì)勘測(cè)方面的技術(shù)水平在不斷的提高，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為測(cè)量的新型技術(shù)，其在實(shí)際的應(yīng)用中具備多種優(yōu)點(diǎn)，可以滿足我國(guó)電力建設(shè)的發(fā)展需要。我國(guó)的電力建設(shè)發(fā)展的深度和廣度在不斷的增加，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是電力建設(shè)中常常應(yīng)用的電力技術(shù)系統(tǒng)。本文對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理和組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并根據(jù)激光雷達(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，電力線路設(shè)計(jì)，應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)的工作原理是通過(guò)主動(dòng)向目標(biāo)發(fā)射激光而快速獲取三維信息的，它集中體現(xiàn)了激光測(cè)距技術(shù)和高精度的冬天載體測(cè)量技術(shù)以及高精度的動(dòng)態(tài)GPS差分定位技術(shù)等，它是母線最為先進(jìn)的三維航空遙控技術(shù)。當(dāng)前已經(jīng)有許多個(gè)國(guó)家生產(chǎn)機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣闊。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力線路的設(shè)計(jì)使用逐漸發(fā)展為增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在多種地質(zhì)測(cè)量和電路線路設(shè)計(jì)應(yīng)用中發(fā)揮著自身獨(dú)特的作用。

一、機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)前機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家有許多，不同廠家生產(chǎn)的系統(tǒng)擁有的結(jié)構(gòu)也不相同，但其主要的構(gòu)成結(jié)構(gòu)主要是POS系統(tǒng)、激光掃描儀、控制單元組成，許多機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)將數(shù)碼相機(jī)集成在一起，其功能廣泛，在地質(zhì)勘測(cè)以及電力線路設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用水平較高，符合多個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理。

POS系統(tǒng)主要由全球?qū)Ш较到y(tǒng)以及慣性測(cè)量單元組成，其中GPS連同地面基站的GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量飛行平臺(tái)的位置，通常會(huì)采用載波相位差分GPS的做法，來(lái)對(duì)單點(diǎn)定位技術(shù)的解算的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。

機(jī)載激光掃描儀通常會(huì)采用半導(dǎo)體二極管和半導(dǎo)體激光器的形式，其具有性能高且重復(fù)率高的功用。使用后數(shù)據(jù)處理能夠獲得測(cè)區(qū)的正攝影像，能夠達(dá)到激光的雷達(dá)點(diǎn)，云數(shù)據(jù)處理所提供的影像是其參考信息，其與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有相互補(bǔ)充的作用。中心控制單位通常采用導(dǎo)航、定位管理系統(tǒng)同步的方式對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，通過(guò)加速測(cè)量的形式記錄角速度，并對(duì)GPS的位置進(jìn)行測(cè)量，記錄激光掃描儀和數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)激光掃描儀向目標(biāo)主動(dòng)發(fā)射高頻率的激光，并接受反射回來(lái)的激光，通過(guò)測(cè)量來(lái)回反射的時(shí)間來(lái)計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離，并結(jié)合POS系統(tǒng)來(lái)獲取平臺(tái)的位置和相關(guān)姿態(tài)的數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出目標(biāo)的三維坐標(biāo)。

二、機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)涵蓋了以下幾個(gè)方面：全天候24小時(shí)工作，激光雷達(dá)為主動(dòng)探測(cè)，不受到光的影響；激光雷達(dá)可以穿透植被的葉冠，同時(shí)對(duì)地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其激光的波長(zhǎng)較短，獲取的數(shù)據(jù)信息更加豐富；激光雷達(dá)可以探測(cè)細(xì)小的目標(biāo)物，由于波長(zhǎng)較短，其電力線和傳統(tǒng)的攝影雷達(dá)不能達(dá)到；在數(shù)據(jù)信息獲取上，其獲取數(shù)據(jù)的速度非?？欤瑪?shù)據(jù)獲取的效率也會(huì)大大的提高，同時(shí)獲取數(shù)據(jù)的精度也比其他的航測(cè)技術(shù)要高得多。應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠極大的提高測(cè)量的工作效率，特別是在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，地形環(huán)境條件復(fù)雜，在電力線路設(shè)計(jì)上其難度較高，而機(jī)載的激光雷達(dá)系統(tǒng)可以對(duì)地面和非地面的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由于激光的波長(zhǎng)較短，在數(shù)據(jù)回收和信息獲取上可以獲得較高的數(shù)據(jù)信息。在實(shí)際的工作中，在對(duì)地面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多細(xì)小的物體，對(duì)這些細(xì)小的物體進(jìn)行探測(cè)，獲取質(zhì)量高的數(shù)據(jù)信息，滿足實(shí)際發(fā)展的需要，提升數(shù)據(jù)獲取的效率。

三、機(jī)載激光雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)成果

應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)采集數(shù)據(jù)，可以獲得豐富的數(shù)據(jù)成果。通過(guò)對(duì)運(yùn)輸局的過(guò)濾波進(jìn)行處理，從而可以得到高精度的數(shù)據(jù)。在我國(guó)的西南邊疆地區(qū)，自然條件惡劣，交通不便，測(cè)量工作開(kāi)展起來(lái)比較困難，但是采用航空測(cè)量技術(shù)能夠?qū)Φ孛娴目刂泣c(diǎn)進(jìn)行控制，而森林區(qū)域則無(wú)法突破這些存在的局限性，對(duì)數(shù)據(jù)影像的處理處于一個(gè)高分辨率的狀況。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類處理和運(yùn)算，能夠獲取三維的房屋、樹(shù)木等地物，通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)房屋進(jìn)一步處理，能夠測(cè)量到樹(shù)的高度分布圖。在交通不便和自然條件惡劣的區(qū)域，激光雷達(dá)系技術(shù)能夠克服這些困難，更好的對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類處理，滿足實(shí)際的高度分布圖需要。

四、機(jī)載激光雷達(dá)在電力線路設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)

超高壓送電線路為國(guó)家主干電網(wǎng)的重要組成部分，隨著國(guó)家電力建設(shè)水平的提高，建設(shè)的速度也在不斷的增加，當(dāng)前對(duì)電力建設(shè)的要求主要包括以下幾個(gè)方面：線路距離長(zhǎng)、覆蓋的范圍大；線路建設(shè)對(duì)安全可靠的要求高；工程建設(shè)的周期越來(lái)越長(zhǎng)，線路通道在選擇上也面臨著較多的困難。在進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境測(cè)量時(shí)，獲取大面積的三維地表數(shù)據(jù)，在通道狹窄的區(qū)域?qū)⒌匚锓直媲宄?/p>

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以盲足當(dāng)前高速發(fā)展的電網(wǎng)建設(shè)需要，與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，其技術(shù)的應(yīng)用具備一定的優(yōu)勢(shì)。直線在數(shù)字高程模型、數(shù)字地面模型和數(shù)字正射影像等數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維全景環(huán)境中對(duì)電力線路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，涵蓋了線路路徑、空間測(cè)量、風(fēng)景帶、農(nóng)田、建筑物等繞行、開(kāi)挖方量自動(dòng)計(jì)算和拆遷計(jì)算等，對(duì)工程量進(jìn)行快速的評(píng)估。

由于機(jī)載激光雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)量是三維的，它能夠在地圖上對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行快速的測(cè)量，滿足電力線路設(shè)計(jì)的需求，能夠?qū)Ψ课莸母叨取?shù)木的高度以及安全距離進(jìn)行有效的測(cè)量，同時(shí)在數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)效和精度水平上都比較高，可以適應(yīng)多種不同的外在地理環(huán)境。對(duì)于自然條件惡劣的區(qū)域，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用可以提升其應(yīng)用的效率和策略，不斷的增強(qiáng)激光探測(cè)的效率，使電力線路的設(shè)計(jì)更加省心、省力，同時(shí)通過(guò)后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可以降低電力線路施工的工程造價(jià)，為電力企業(yè)節(jié)省更多的資金。通過(guò)數(shù)據(jù)的回饋來(lái)設(shè)計(jì)電力線路，在盡量不破壞生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，建設(shè)資源節(jié)約型的電力行業(yè)施工。

應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)巡線可以獲得測(cè)量的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)能夠建立起真三維電網(wǎng)的GIS系統(tǒng)，通過(guò)三維電網(wǎng)系統(tǒng)的方式能夠掌握線路走廊內(nèi)地物與線路的空間關(guān)系。設(shè)置植被的基本生長(zhǎng)參數(shù)，可以模擬線路走廊內(nèi)的植被生產(chǎn)情況，對(duì)模擬的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，分析其對(duì)線路的磁場(chǎng)干擾和安全范圍，對(duì)不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)管理更加科學(xué)高效。

與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)相比，其具備以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：作業(yè)周期短，能夠極大程度的減少野外控制測(cè)量和野外調(diào)繪的工作；可以直接獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)，可以在數(shù)據(jù)成果中進(jìn)行三維測(cè)量；電力線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品更加豐富，其精度也更高；優(yōu)化線路的路徑，控制和減少房屋跨度以及房屋拆遷的數(shù)量。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)發(fā)展水平的提升，我國(guó)的電力建設(shè)的規(guī)模也在不斷的擴(kuò)大，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在電力線路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠提升數(shù)據(jù)獲取的速度，豐富數(shù)據(jù)的產(chǎn)品，使測(cè)量的精度和效率不斷的提升，以便于更好的應(yīng)用在野外作業(yè)的環(huán)境中。通過(guò)特定的三維電力選線軟件，可以通過(guò)不同視角來(lái)查看真實(shí)的三維場(chǎng)景圖，對(duì)于線路的空間關(guān)系，其了解將會(huì)更加明確。在對(duì)線路通道進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的后期處理，采用激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)信息的形式，控制影像范圍，在電力選線工程項(xiàng)目中應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)，對(duì)后期的圖像進(jìn)行優(yōu)化，確保設(shè)計(jì)單位的線路設(shè)計(jì)能夠在勘測(cè)的成本內(nèi)，降低工程的總投資和總消耗，提升工程的實(shí)際效益。

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