基于激光雷達的架空線路交叉跨越測量及安全距離分析

祖為國 譚金石

（廣東工貿職業技術學院，廣東廣州 510510）

架空線路是電力能源傳輸的主要途徑，是重要的能源基礎設施，直接關系國防安全、經濟與民生[1]。我國高壓輸電線路覆蓋范圍廣，往往跨越地形復雜區域，同時還需要顧及已經建成的復雜輸電線網絡，在選線過程中需要跨越或者穿越已有線路。交叉跨越測量對線路建設和運維至關重要，直接影響線路的運行安全，然而架空線路的交叉跨越點常位于高山地、水域、樹林或懸崖峭壁等人員不易到達、通視條件差的地方，給測量工作造成極大的困難[2]。

傳統交叉跨越測量方法主要包括常規測量方法、三角函數法、空中交會法、線上雙站法、雙站三角函數法等[3-4]。這些方法使用全站儀、經緯儀和GPS等儀器設備進行測繪，在外業實施過程中存在的一定局限性，比如觀測距離超出電磁波測距范圍；在電磁波測距范圍內，電力導線太細或者觀測角度因素，電力導線反射信號差，難于測距甚至無法測距；觀測環境復雜，植被遮擋嚴重等。隨著遙感技術的快速發展，多種遙感技術應用于電力行業，特別是衛星遙感、無人機、激光雷達、傾斜攝影等技術。相對其他遙感技術，機載激光雷達技術是一種主動探測技術，能夠直接快速地獲取高精度、高密度的三維點云。利用激光雷達對架空線路通道進行掃描，可以獲取架空導線和地表的激光點云數據，為線路勘測、巡線等提供基礎數據[5-6]。

針對架空線路傳統交叉跨越測量存在的問題，本文對傳統交叉跨越測量方法進行分析，結合激光雷達技術特點，提出利用激光點云進行交叉跨越測量及安全距離分析方法。

1 傳統交叉跨越測量方法

1.1 傳統交叉跨越測量方法

常規架空線路交叉跨越測量中，通常采用全站儀、GPS及經緯儀等來完成[7]。全站儀集成了電子經緯儀、電子測距及數據處理等一體化，通過測量角度和距離進行幾何計算，得到坐標信息，是近些年主流的測繪儀器。

常規測量法是在架空導線下方立反光棱鏡，在遠處架站全站儀并利用懸高測量功能測量架空導線的高度，如圖1所示。對于架空導線下方為河流、湖泊、山谷等無法放置反光棱鏡的地形，可以采用單線測量法；或者采用三角函數法，即觀測跨越線兩端的桿塔或者跨越線上兩端的某個位置，然后觀測線路方向上跨越點的天頂距，通過間接解算可得到平距，再利用公式求得跨越線的線高。空中交會法主要是利用GPS測量兩個測站點，再架站全站儀對架空導線進行交會。

1.2 常規測量方法存在的問題

架空線路主要覆蓋山區，在線路排桿設計時，主要將桿塔立在山頭高處，交叉跨越地方主要是在山谷低處，便于保證架空線和地面的安全距離。對于這些交叉跨越區域，采用常規測量方法往往需要在交叉跨越下方立反光棱鏡，這對于野外作業來說，存在人員無法到達，或者樹木遮擋等問題，給測量工作帶來極大的困難，甚至無法實施。三角函數法無法直接測量跨越點距離，如果可以測量跨越線兩端塔位或線上其他兩點平面位置時，可以使用；在跨越線上的距離無法獲取時，可以使用空中交會法；跨越點無法達到，測站上也觀測不到跨越線兩端的桿塔時，可以采用線上雙站法；雙站三角函數法是三角函數法的補充，相對于線上雙站法，雙站三角函數法不要求兩測站在一直線上，有較好的機動性。因此，線路測量工作者在交叉跨越測量中，主要采用全站儀和GPS相結合，根據實地環境選取適當方法。對于上述常規測量方法，均需要攜帶較大重量的儀器到山區，山區植被茂密，GPS信號受干擾嚴重，還要找到滿足各種方法的測量點位和棱鏡位置，交叉跨越測量任務非常艱巨。

2 激光雷達交叉跨越測量方法

2.1 激光雷達測量方法

激光雷達（簡稱LiDAR）是遙感領域的一種新興的探測技術，集激光測距、GNSS、IMU等技術于一體，當前根據搭載平臺不同，可以分為架站式激光雷達、機載激光雷達、車載激光雷達、星載激光雷達以及手持激光雷達等[8]。將小型化激光雷達搭載在無人機飛行平臺即為無人機激光雷達，對目標地物進行主動式掃，如圖2所示，直接獲取目標地物密集的三維點云數據，同時還可以獲取高分辨率數碼影像，進行點云賦色和正射影像圖制作[9]。激光雷達具有以下獨特的優勢[10]：（1）主動式探測；（2）穿透能力強，可以穿透植被到達地面；（3）作業效率高，無須地面測量；（4）時效性強，白天晚上均可作業；（5）數據成果豐富，采用的點云、影像可加工生產DOM、DSM、DEM及DLG等；（6）激光點云高密度，每平方米高達百點；（7）多回波數據。利用激光雷達對架空線路通道進行精確掃描，及時生成LAS點云、DEM、DSM、DOM，快速獲取線路通道精確三維點云數據，為后續線路勘測、交叉跨越測量、巡檢等提供數據支撐。

利用激光雷達進行架空線路交叉跨越測量，主要包括航線任務規劃、激光掃描、點云數據解算、點云分類、電力導線提取等過程，激光雷達掃描線路得到線路通道的三維點云。

2.2 架空導線交叉跨越測量

基于激光點云數據進行架空導線三維矢量化，將分類提取的架空導線進行矢量化建模，構建具有屬性的三維矢量圖。兩條交叉跨越或穿越的導線（上導線、下導線），從平面上求解交叉關鍵點（P1、P2對應的P1'、P2'），再計算距離D1、D2，如圖3所示。

圖3 架空導線交叉跨越測量

2.3 交叉跨越地物測量

通過激光雷達掃描線路可以獲取地表高精度、高密集的三維點云數據，其中包括了建筑物、林區樹木、河流、防火防爆、交通設施管道等交跨地物。根據架空輸電線路勘測標準規定要求，導線與交跨地物之間需要保證一定的安全距離。

3 工程應用案例

試驗區選取110 kV線路改線工程，主線全長24.56 km。測試區包括灌木叢、稀疏林地、茂密山林、梯田地、河流等典型地形地貌。在測試地區使用大疆M300RTK搭載最新的大疆L1激光雷達測繪相機進行了實地測試，用無人機搭載激光雷達獲取點云數據、影像數據等。外業數據采集采用大疆M300 RTK搭載大疆L1激光雷達測繪相機。由于測區為丘陵地段，海拔高度為10～100 m。

采用大疆智圖軟件進行激光點去的數據解算，包括解算飛行航跡、解算激光點云、特征提取、航帶平差、數據去噪、數據合并、精度檢核、質量檢查等操作，完成激光點云數據的解算處理，解算后的點云數據。

基于激光點云數據進行架空導線交叉跨越測量。以導線為剖面，可以快速、直觀地量測兩導線之間的距離，以0035-0036兩個桿塔之間的交叉跨越測量為例，交叉跨越處水平距離0.36 m，垂直距離3.46 m，凈空距離3.47 m，如圖4所示。

圖4 交叉跨越測量

4 結語

架空線路覆蓋范圍廣，往往穿越地形復雜的山區，植被茂密，人員難以達到甚至無法達到的區域。野外惡劣的測量環境，傳統線路工作人員的人身安全得不到保障，工作量大、效率低、成本高，對工作開展造成極大困擾。相對其他遙感技術，激光雷達作為近年來發展的新型測量技術，可以直接獲取架空導線和下方地物的高精度、高密集點云數據，可準確地恢復架空導線的三維矢量數據，為交叉跨越測量奠定了基礎。

針對傳統架空線路交叉跨越測量方法存在的問題，本文提出利用激光雷達進行交叉跨越測量及安全距離分析方法。該方法通過飛行平臺搭載激光雷達設備，不受地形條件限制，可以快速地掃描架空線路和通道，獲取準確的、完整的三維點云數據，恢復架空導線的三維點云場景，從而輕松計算架空線路的交叉跨越距離，同時也可以分析架空導線與交跨物之間的安全距離分析，對于架空線路勘測設計、巡檢運維等具有重要的參考借鑒意義。