基于無人機(jī)LiDAR的輸電線路勘測設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

鄭濱雁，高士虎，祖為國，譚金石

(1.廣東南海電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，廣東 佛山 528200；2.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪遙感信息學(xué)院，廣東 廣州 510510)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電需求越來越大，對(duì)電網(wǎng)工程建設(shè)要求越來越高[1-2]。輸電線路距離長，覆蓋地形復(fù)雜，對(duì)前期勘測要求成果精度高、效率快，給勘測設(shè)計(jì)工作帶來極大壓力。傳統(tǒng)野外工測方法存在地形復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)性高等問題[3]，航空攝影測量法容易受到空域、天氣等因素制約，搭載的可見光相機(jī)在植被茂密區(qū)域的成果精度較低，甚至無法準(zhǔn)確獲取地面高程[4]。因此，傳統(tǒng)勘測方法很難滿足當(dāng)前電網(wǎng)建設(shè)需求。

激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)是測繪領(lǐng)域繼全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)之后又一項(xiàng)技術(shù)革命[5]，它集成激光測距儀、慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)、GPS等先進(jìn)技術(shù)，通過主動(dòng)發(fā)射激光，測量反射信號(hào)傳輸時(shí)間、頻率變化等參數(shù)，確定被測目標(biāo)的距離、運(yùn)動(dòng)速度及方位，從而計(jì)算被測目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具有主動(dòng)發(fā)射光源、外業(yè)工作量少，直接獲取地面三維坐標(biāo)，且數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高、成果豐富、精度高等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力勘測、國土測繪、智能交通、林業(yè)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)LiDAR主要以有人機(jī)機(jī)載LiDAR為主，適用于大面積區(qū)域，租賃飛機(jī)費(fèi)用較高，空域申請(qǐng)時(shí)間長。在電力行業(yè)，LiDAR技術(shù)主要應(yīng)用于電力巡線、電廠及變電站三維建模、三維輸電線路徑優(yōu)化及風(fēng)電、光伏測圖等[6-7]。

針對(duì)傳統(tǒng)輸電線路勘測方法存在的問題，本文利用無人機(jī)LiDAR對(duì)規(guī)劃路徑進(jìn)行激光掃描，獲取路徑區(qū)域激光點(diǎn)云、交叉跨越、路徑平斷面圖、塔基地形圖等成果數(shù)據(jù)，輔助電力設(shè)計(jì)，并通過應(yīng)用案例驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性和可行性。

1 無人機(jī)LiDAR基本原理及優(yōu)勢(shì)分析

1.1 無人機(jī)LiDAR基本原理

LiDAR集成激光掃描、GPS差分定位、IMU等技術(shù)于一體[8]，直接獲取三維點(diǎn)云，具有高精度和高效率的優(yōu)勢(shì)。激光掃描儀測量激光信號(hào)的發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)的距離。GPS差分定位由地面站系統(tǒng)和機(jī)載站系統(tǒng)2個(gè)部分組成，LiDAR掃描儀與機(jī)載GPS相連，地面基準(zhǔn)站對(duì)機(jī)載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算[9]。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)記錄了激光掃描儀的姿態(tài)和加速度，工作原理如圖1所示。

圖1 LiDAR工作原理示意圖

LiDAR系統(tǒng)的激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖，到達(dá)測量目標(biāo)物表面反射，接收器接收反射的脈沖信號(hào)，再精確測量從發(fā)射到反射的脈沖個(gè)數(shù)，得到真實(shí)距離L，如式(1)所示。

式中：f為震蕩器頻率；n為脈沖個(gè)數(shù)；c為光速。結(jié)合掃描時(shí)無人機(jī)位置和姿態(tài)，計(jì)算單個(gè)激光點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，Z)。

1.2 無人機(jī)LiDAR電力勘測優(yōu)勢(shì)分析

相對(duì)于傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)，LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠穿透植被直達(dá)地面，高程絕對(duì)精度更高，在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)拍攝影像，經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理得到數(shù)字地表模型(digital surface model，DSM)、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)、數(shù)字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM) 數(shù)據(jù)。電力勘測設(shè)計(jì)人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取，提取地物、平斷面高程、交叉跨越、塔基地形及平斷面圖，繼而進(jìn)行路徑優(yōu)化。無人機(jī)LiDAR應(yīng)用于電力勘測設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)如下。

1)機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)條件限制少。無人機(jī)體積小、操作簡便、機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)迅速，作業(yè)時(shí)間靈活，空域的限制少，可以近低空飛行[10]。相對(duì)于傳統(tǒng)攝影測量作業(yè)方式，對(duì)天氣要求更低，作業(yè)有效時(shí)長更長。由于LiDAR系統(tǒng)搭載了高精度的GPS和IMU，不需要外業(yè)布測像控點(diǎn)，外業(yè)作業(yè)效率高。

2)激光點(diǎn)云穿透性強(qiáng)。線路覆蓋區(qū)域往往有較多的植被，存在著被植被遮擋的情況，傳統(tǒng)可見光攝影測量難于測量植被底下的地面點(diǎn)，這對(duì)探測的結(jié)果會(huì)有較大影響。LiDAR技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)對(duì)植被具有一定的穿透能力，可以很大程度上減少植被枝葉遮擋等造成的信息損失，準(zhǔn)確獲取真實(shí)的山區(qū)地形數(shù)據(jù)。

3)精度較高、處理速度快。LiDAR搭載高精度GPS和IMU，直接測得高精度三維點(diǎn)云。網(wǎng)絡(luò)RTK提供動(dòng)態(tài)差分[11]，不需要地面架設(shè)基準(zhǔn)站，提供云解算，全自動(dòng)解算三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過點(diǎn)云去噪、濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等工序，快速制作DEM數(shù)據(jù)。

4)三維場景路徑優(yōu)化。傳統(tǒng)方法通常由電力設(shè)計(jì)人員根據(jù)外業(yè)測量的平斷面圖進(jìn)行排桿設(shè)計(jì)[12]，在交叉跨越、復(fù)雜地物的情況下，圖形不直觀、考慮不周到，往往會(huì)出現(xiàn)路徑調(diào)整和改線，對(duì)勘測人員造成一定量的返工[13]。無人機(jī)LiDAR可以一次獲取DSM、DEM、DOM，構(gòu)建高分辨率的三維場景，設(shè)計(jì)人員在逼真的三維場景中清晰地看到線路走廊，便于對(duì)建筑區(qū)等進(jìn)行合理避讓，避開不良地形條件，優(yōu)化路徑長度，提高經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

5)三維量測、交叉跨越直觀。LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)行建筑物、地面、植被、電力線等分類，并且支持三維量測。通過植被高度、導(dǎo)線對(duì)地距離計(jì)算，設(shè)計(jì)人員優(yōu)化選擇塔型(不同塔高)和穿越、跨越已有線路的位置，設(shè)計(jì)出更加合理的路徑和塔型，同時(shí)減少林木砍伐。

2 無人機(jī)LiDAR線路勘測全過程

2.1 無人機(jī)LiDAR數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)搭載LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行激光掃描前，需要根據(jù)LiDAR系統(tǒng)的掃描頻率、回波數(shù)、有效測程、平面和高程精度、最大掃描角等參數(shù)，以及相機(jī)拍攝的重疊度、飛行速度等進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)[14]。對(duì)于輸電線路跨越山區(qū)地形，傳統(tǒng)無人機(jī)等高飛行或者分區(qū)等高飛行均不能滿足無人機(jī)LiDAR激光掃描精度要求[15]，需要考慮無人機(jī)仿地飛行[16]。無人機(jī)LiDAR掃描后得到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、航拍影像圖、無人機(jī)GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)及地面GPS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)等，具體的數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)LiDAR數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算

LiDAR點(diǎn)云解算：①利用無人機(jī)機(jī)載GPS和基準(zhǔn)站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行RTK/PPK差分解算[17]；②將差分后的GPS數(shù)據(jù)與IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，得到無人機(jī)高精度軌跡數(shù)據(jù)。軌跡數(shù)據(jù)記錄了無人機(jī)每時(shí)每刻的位置和姿態(tài)信息，依據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行定向，解算每個(gè)點(diǎn)位的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)，同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)云賦色，獲取真彩色點(diǎn)云，具體流程如圖3所示。

圖3 無人機(jī)LiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于原始解算的點(diǎn)云坐標(biāo)系為WGS84，與實(shí)際工程坐標(biāo)系往往不一致，還需要利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[18]，生成標(biāo)準(zhǔn)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波分類

LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含已有架空線路、植被點(diǎn)、地面點(diǎn)、建筑物及其他地物信息。為了后續(xù)更好地提取平斷面圖、交叉跨越及塔基地形圖，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分類，其結(jié)果直接關(guān)系到電力線路勘測的精度。對(duì)于輸電線路勘測，點(diǎn)云濾波的目標(biāo)是從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取地面點(diǎn)，而將非地面點(diǎn)去除。濾波方法主要有基于坡度的濾波方法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波方法、不規(guī)則三角網(wǎng)濾波方法、曲面擬合的濾波方法、分割的方法等[19-21]。根據(jù)分類后的地面點(diǎn)構(gòu)建DEM數(shù)據(jù)，可以用于線路勘測中的平斷面(中線、邊線及風(fēng)偏等高程點(diǎn))和塔基地形圖繪制。分類后的架空導(dǎo)線點(diǎn)，可用于交叉跨越測量分析。利用所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集路徑范圍內(nèi)的地物平面圖。

在裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)展的過程中，我們必須充分的認(rèn)識(shí)到，裝配式混凝土建筑的發(fā)展是一個(gè)長期的、艱難的、創(chuàng)新的過程。它需要耐心和毅力，不僅需要一點(diǎn)一點(diǎn)的完善和積累，而且需要一個(gè)高層次的設(shè)計(jì)來為建筑業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展做出貢獻(xiàn)。提升和轉(zhuǎn)變建筑業(yè)的創(chuàng)新能力是發(fā)展裝配式技術(shù)的核心。站在21世紀(jì)新的歷史時(shí)期深刻認(rèn)識(shí)歷史的必然性和未來性，對(duì)裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展具有重要的意義。

2.4 線路平斷面圖自動(dòng)化繪制

線路平斷面數(shù)據(jù)主要包括地物數(shù)據(jù)(房屋、道路、河流等)、交叉跨越數(shù)據(jù)以及中線、邊線、風(fēng)偏等高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，主要是借助ES3D專業(yè)軟件人工交互式采集。地物數(shù)據(jù)采集在激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)上進(jìn)行，采集路徑地物平面圖，平面地物附帶三維屬性。交叉跨越數(shù)據(jù)直接基于激光點(diǎn)云采集三維導(dǎo)線。對(duì)于中線、邊線、風(fēng)偏等高數(shù)據(jù)的提取，根據(jù)已確定的線路路徑轉(zhuǎn)角坐標(biāo)，直接利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行中線、邊線和風(fēng)偏的提取。利用采集的帶三維數(shù)據(jù)的地物平面圖和激光點(diǎn)云DEM數(shù)據(jù)，可以全要素提取電力線路設(shè)計(jì)平斷面圖。根據(jù)含屬性三維DWG矢量圖，利用CAD三維視圖優(yōu)化調(diào)整路徑，一鍵輸出全要素(地物、交叉跨越、斷面邊線等)ORG平斷面。根據(jù)全要素平斷面，深度評(píng)價(jià)優(yōu)化線路的合理性，最終確定優(yōu)化后路徑，測量依據(jù)最終優(yōu)化排桿后成果進(jìn)行終勘定位，檢查補(bǔ)測部分?jǐn)?shù)據(jù)。

2.5 塔基地形圖測繪

傳統(tǒng)方法是逐個(gè)整理測量的塔基地物點(diǎn)坐標(biāo)和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，逐個(gè)成圖，過程步驟多，耗時(shí)長。本文利用ES3D軟件進(jìn)行批量繪制塔基地形圖，包括自動(dòng)提取塔基范圍高程點(diǎn)、讀入文本坐標(biāo)數(shù)據(jù)、自動(dòng)換算塔基局部坐標(biāo)、構(gòu)建三角網(wǎng)繪制等高線和部分地物、套圖框、繪制方向線等過程，實(shí)現(xiàn)一鍵批量繪制。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選取220 kV興瑤—硫都(安塘)第二回線路改線工程，主線全長24.56 km，本次斷面復(fù)測范圍選取本工程J1-J21段，長度約8 km。共劃分4個(gè)區(qū)塊開展航飛工作。測試區(qū)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(qū)使用大疆M300 RTK搭載最新的大疆L1 LiDAR測繪相機(jī)進(jìn)行實(shí)地測試，用無人機(jī)搭載LiDAR獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等。

3.2 線路勘測過程

外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用LiDAR測繪相機(jī)。由于測區(qū)為丘陵地段，海拔高度為10～100 m，為避免因地形起伏帶來的飛行風(fēng)險(xiǎn)，采用12.5 m分辨率DEM進(jìn)行航線規(guī)劃。外業(yè)實(shí)施時(shí)飛行高度100 m，飛行速度8 m/s，平行于線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。設(shè)置航向重疊度為80%，旁向重疊度40%，落差比較大區(qū)域?yàn)?0%。點(diǎn)云密度約200個(gè)/m2。飛行過程以“帶狀仿地飛行”方式開展，將規(guī)劃好航線導(dǎo)入控制器，自主飛行，自動(dòng)化進(jìn)行激光掃描。

激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)解算采用大疆智圖軟件，包括解算飛行航跡、解算激光點(diǎn)云、特征提取、航帶平差、點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)合并、精度檢核、質(zhì)量檢查等操作，完成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算處理，解算后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果如圖4所示。

圖4 無人機(jī)LiDAR點(diǎn)云濾波前效果圖

地面點(diǎn)的提取即點(diǎn)云濾波的過程，這里采用漸進(jìn)三角網(wǎng)的方法，最大建筑尺寸為20 m，迭代角度20°，迭代距離1.8 m，濾波后效果如圖5所示。

圖5 無人機(jī)LiDAR點(diǎn)云濾波后效果圖

采用ES3D測圖軟件采集路徑地物平面圖，平面地物附帶三維屬性。本次測繪1∶500地物平面圖面積1 785 804.28 m2，提取地形圖要素滿足GB 50026—2020《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》中1∶500數(shù)字線劃圖測繪的精度要求，如圖6所示。

根據(jù)點(diǎn)云濾波分類后生成的地面點(diǎn)，提取末次回波的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后通過網(wǎng)格化、填補(bǔ)小漏洞、剔除粗差點(diǎn)云以及內(nèi)插高程點(diǎn)等過程制作DEM成果。根據(jù)路徑轉(zhuǎn)角塔坐標(biāo)、地物平面圖、交叉跨越等數(shù)據(jù)，利用ES3D軟件一鍵生成平斷面圖，輸出行業(yè)主流的道亨格式，如圖7所示。

3.3 精度分析

2)塔基地形及斷面點(diǎn)高程精度分析：利用傳統(tǒng)RTK工程測量方法從塔基地形和線路中線、邊線、風(fēng)偏等位置線路勘測關(guān)鍵點(diǎn)位測量高程點(diǎn)，記錄其平面和高程值，作為近似真值。利用這些點(diǎn)的平面坐標(biāo)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的DEM數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的高程值，將兩者進(jìn)行比較。最大差值為0.449 m，最小差值為-0.4 m，中誤差為0.28 m，符合GB 50026—2020《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》要求，同時(shí)也滿足GB/T 50548—2018《330～750 kV架空輸電線路勘測標(biāo)準(zhǔn)》平坦地及丘陵誤差不大于0.5 m的規(guī)范要求。具體的誤差分布圖如圖8所示。

圖8 高程誤差區(qū)間分布圖

3)線高測量精度分析：找一處已建成的架空線路，利用2種測量方式同步進(jìn)行，避免由于溫度不同導(dǎo)致導(dǎo)線變形。首先利用RTK和全站儀結(jié)合的常規(guī)測量方式，測量跨越線的最低導(dǎo)線和穿越線的最高導(dǎo)線，測量中線、邊線的點(diǎn)，以這些數(shù)據(jù)作為近似真值(參考值)，然后利用的無人機(jī)LiDAR測量方法掃描架空線路導(dǎo)線數(shù)據(jù)，將兩者測量值進(jìn)行對(duì)比分析，得知線高測量中誤差為±0.057 m。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)輸電線路勘測方法存在的問題，本文對(duì)無人機(jī)LiDAR應(yīng)用于輸電線路勘測設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用研究。首先闡述無人機(jī)LiDAR基本原理及優(yōu)勢(shì)，對(duì)涉及到的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理及濾波分類等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，然后利用工程案例進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集、處理及成果制作全流程，以及對(duì)關(guān)注的地面點(diǎn)平面精度、塔基地形及斷面點(diǎn)高程、線高測量等進(jìn)行精度檢驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析，獲得以下結(jié)論。

1)無人機(jī)LiDAR技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)大飛機(jī)LiDAR，具有靈活、便捷、成本低等優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于可見光航測，激光點(diǎn)云具有穿透性，特別適合輸電線路跨越山區(qū)地形勘測。

2)通過無人機(jī)LiDAR獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以方便快捷地生成平斷面圖、塔基地形圖及交叉跨越，其自動(dòng)化程度和整體精度更高，外業(yè)人員只需進(jìn)行少量檢核工作，既保障作業(yè)人員安全，又大幅度提升工作效率。

3)激光點(diǎn)云測量的數(shù)據(jù)成果豐富，包括DOM、激光點(diǎn)云及平斷面圖等，采集平面數(shù)據(jù)附帶三維屬性，方便設(shè)計(jì)人員立體化排桿設(shè)計(jì)，優(yōu)化路徑。對(duì)于少量的路徑調(diào)整，測量成果可以直接使用，不需要返工重測。

雖然無人機(jī)LiDAR在輸電線路勘測設(shè)計(jì)中可以大大提升工作效率，成果精度滿足規(guī)范要求，但也存在不足之處，山區(qū)地形復(fù)雜，植被覆蓋密集，還需要人員外業(yè)核實(shí)確認(rèn)，后續(xù)需要搭載新型傳感器，提升測距精度和地面識(shí)別度。