机载激光雷达技术在电力选线工程中的应用

张晓东，窦延娟，刘 平，张 煜

机载激光雷达技术在电力选线工程中的应用

张晓东1，2，窦延娟2，刘 平2，张 煜3

（1.国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，杭州 310012；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；3.长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010）

介绍了机载激光雷达技术及传统电力选线的方法，阐述了机载激光雷达技术在电力选线工程中的具体应用优势，主要体现在线路及立杆点的优化设计、需要砍伐树木的面积估算、房屋拆迁数量估算、树木及房屋高度测量、实时断面量测等方面。介绍了机载激光雷达技术在安徽省电力线路设计项目中的应用，相关的数据处理，以及基于ArcGIS用VB语言开发的真三维电力选线测图系统。野外测量表明，应用该系统选线能够满足电力选线的精度要求。最后客观总结了该技术的优缺点，同时指出该技术在未来具有的应用前景。

机载激光雷达；DEM；DOM；电力选线

1 概 述

机载激光雷达（Airborne Light Detection and Ran-ging，简称机载LIDAR）源于1988- 1993年间德国斯图加特（Stuttgart）大学研制的空载激光雷达测量系统（Ackermann－19），该系统成功地将激光雷达技术与即时定位定姿系统结合。机载激光雷达集激光、全球定位系统和惯性导航系统3种技术于一身，它将激光扫描仪、GPS接受机、惯性导航系统、数码相机及控制元件等搭载在载体飞机上，通过主动向目标地表发射激光脉冲获取地表的三维信息，突破了传统航空摄影测量被动成像的局限性，从系统研制开发成功后即得到迅速发展，现已成为21世纪具有极大应用前景的空间信息获取技术。由于激光波长短（一般在800～1 600 nm），能够穿透植被叶冠到达地表，可同时获取地表和植被的信息，此外还能够探测细小目标，如电力线，这些都是传统测量技术无法做到的。

目前我国正在加快电网建设，国家电网公司和南方电网公司的“十一五”电网发展规划显示，今后五年，我国电网建设总投资将超过1万亿元，这表明我国将迎来一轮大规模电网建设高潮。此次“十一五”电网建设范围大、线路长，尤其当线路穿越植被覆盖的山区时，电力线路设计和建设的技术难度大，给电网建设提出了更高的技术要求。应用激光雷达技术进行数据采集，可加快电网设计的进度，同时使工程投资预算更加科学，该技术在我国电力线建设工程中将会得到越来越广泛的应用。

2 传统电力选线方法

传统电力选线一般包括图上选线和野外选线2个过程，图上选线一般在比例为1∶5 000，1∶10 000或更大比例的地形图上进行，先将线路的起始端标出，然后将一切可能选线方案的转角点用不同颜色的线连接起来，即构成若干个路径的初步方案。根据收集到的有关资料，舍去明显不合理的方案，对剩下的方案进行比较和计算，锁定2～3个较优方案，待野外踏勘后决定取舍，确定线路最佳方案。图上选线完成之后进行野外选线，将图上选定的路径进行现场落实，确定最终线路并埋设标石，用于后期勘测［1］。

进行传统的图上选线时，设计人员使用的地形图资料由测量专业组提供或从测绘局购买。传统地形图是二维的，三维信息只能通过等高线和高程注记获取，产品单一且不直观；而测量专业组进行实地地形图测绘时，速度慢、工期长，而且受到视野局限性的制约［2］，对于植被茂密的地区无法测量，或直接采取将视野范围内植被砍伐掉再进行测量的手段，造成许多不必要的植被砍伐，破坏了周围环境。航空摄影测量技术虽然可实现三维图的重建，但是无法穿透植被获取植被下的地形信息。

3 在电力选线工程中的应用

3.1 技术应用优势

激光雷达可穿透植被，快速获取地表的三维信息，在电力选线工程中有着越来越广泛的应用趋势。通过对机载激光雷达数据及其同时拍摄的影像数据进行一系列处理，可以得到高精度的DEM、DSM、DOM，等高线以及植被分类图等丰富的地表信息，结合DSM和DOM可得到真实的三维场景图，参考三维场景图进行电力选线，可从不同视角观看线路周围的地物、地貌信息，使设计人员在室内即可高效地完成图上选线及线路优化工作［3］。机载激光雷达数据产品在电力选线工程中的应用优势包括如下5个方面。

3.1.1 线路及立杆点的优化设计［3，4］

通过对激光点云的处理可以得到高精度的DEM和DSM，在此基础上应用摄影测量软件对影像进行正射纠正，得到高几何分辨率的DOM。结合DSM和DOM可生成高分辨率的真实三维场景图，可以多视角地观看线路周围的地貌、地物等丰富的细节信息，通过放大、缩小、漫游还可以看到全线程的地形条件，可综合考虑沿线的交通运输、施工和运行维护的难易程度、对地物的影响及受地形的影响等，从而使设计的立杆点位、线路更合理更经济，对附近环境和居民的影响降低到最小。

3.1.2 估算需砍伐树木的面积

利用激光雷达点云完成地面滤波后，参考地面点按不同高度对植被进行分类处理，得到全线范围内的植被分布区域。从植被分布区中可直观地判断需砍伐植被的位置，应用面积查询工具可估计需砍伐植被的面积，从而避免了不必要的植被砍伐，减少了建设输电线路对环境的破坏。

3.1.3 估算房屋拆迁数量及赔偿费用

房屋赔偿费用在输电线路建设成本中占有一部分比例，根据高分辨率的三维真实景观图，可清晰地查看设计线路走廊内房屋状况，包括房屋建筑结构、层数及占地面积，根据这些细节可准确地计算需拆迁房屋数量，估算赔偿费用，使输电线路建设成本预算更科学。3.1.4 树高、房高测量

应用激光雷达的点云数据，可以方便快捷地测量设计线路走廊内植被的高度、房屋的高度等，避免了传统航测作业中由内业人员逐点进行立体量测的繁琐过程。图1所示为已完成分类的地面及不同高度植被测量。

图1 植被高度测量Fig.1 The vegetation heightmeasurement

3.1.5 实时获取断面［4］

利用LIDAR点云数据可以快速获取不同方向、不同深度的断面图，可方便地观看设计电力线与周围地物在空间上的关系，如交叉线路在高程上的差异、设计线路与走廊范围内植被的高差等，有利于设计线路及杆塔的高度。

结合DSM和DOM得到的真实三维场景与实际的地形、地貌和地物条件相差很小，最小在厘米级。利用三维真实场景图在室内选线不受视线范围的限制，大大减少了野外选线的工作量。

3.2 工程应用实例

安徽省电力设计院在承担的铜陵至黄山的电力线设计工程中采用了机载激光雷达技术获取地形数据。铜陵至黄山沿线范围大部分都是植被覆盖的山区，且高程变化大，应用传统技术很难快速获取高精度的地形数据。

在这次工程应用中，首先根据原始的激光测距数据、POS数据及地面基准站GPS接收的数据解算原始LAS格式激光点云，利用TerraSolid系列软件的TerraScan模块对点云进行地面点的滤波和植被分类，利用TerraModeler模块提取0.5 m采样间隔的DEM和DSM，通过inpho公司的摄影测量系统Ap-plicationsMaster对同时拍摄的影像进行正射纠正及镶嵌，得到0.2 m分辨率的DOM。考虑到工程应用中要估算影响电力线建设的植被，编程实现了不同高度植被的分布图，结合高度测量可以很方便地估算待砍伐植被的区域及面积；另外，也用自己的算法提取出地面点的密度分布图，根据实际应用的精度要求可从密度分布图中判断哪些区域需要进行人工补测。

基于ArcGIS用VB语言开发了电力选线测图系统，该系统能够实现三维真实场景图的放大、缩小及漫游，快速获取DEM及点云数据的断面，断面高度测量，二维平面图及三维立体图同步显示，电力选线及优化等。经实地外业测量，达到了选线的精度要求。

在这次工程应用中，利用机载激光雷达技术得到了丰富的地形信息，并在分析工程应用的基础上从原始数据产品中又提取出不同高度植被分布区等信息，利用自己开发的电力选线系统进行电力选线，大大提高了工作效率。

4 总结分析

（1）应用激光雷达技术进行数据处理，能够同时获取测区高精度的DEM，DSM，DOM以及树高等丰富信息，可直接快速地进行三维浏览、树高房高测量、断面查看等，能够满足电力选线的多种要求，设计人员在室内即可完成线路的设计及优化，极大地提高了电力选线的作业效率。

（2）利用机载激光雷达技术获取地形数据，精度高，速度快，可在很大程度上避免测绘人员的野外测量工作，大大提高了工作效率。激光能够穿透植被叶冠到达地表，同时获取地面和植被信息，相比传统航空摄影测量获取的信息更丰富，同时还可以减少地面控制点的布设。

（3）除了电力选线，激光雷达技术在电力行业的应用还有电力巡线、数字电网管理等，提高了电网设计管理的先进性，既安全效率又高，在我国电力行业有很大的应用前景［5］。

（4）激光点云为一个个不连续的点，单独从点云中很难判断详细的地物信息，必须参考同时拍摄得到的正射影像才能得到更丰富的地物信息。

（5）在处理激光雷达点云数据地面滤波时，针对不同的地形要设置不同的参数，这要求数据处理人员要有丰富的数据处理经验，如果碰到从未遇到过的地形，要重新设置不同的参数进行多次试验寻找最优参数。目前的激光点云数据处理软件都不能实现滤波的完全自动化，在自动滤波完成之后，还要结合正射影像手动分类，将自动处理过程中错误地把地形点分为非地形的点及非地形点分为地形的点手动改正过来。另外，如果地面滤波不精确，还会影响到后期植被分类的精度。

综合分析，激光雷达技术获取的信息丰富，能够很好地表现地形细节信息，在电力选线工程中有很大的应用优势，可提高电网设计的效率和科学性。随着算法的改进，激光雷达数据处理过程中的缺点会逐步得到改善，在电力选线工程中的应用必将越来越广泛。

［1］ 李铁军.浅谈电力线路设计路径的选择与定位［J］.宁夏电力，2006，（3）：20－23.（LITie-jun.Choice and o-rientation of path in design of electric line［J］.Ningxia Electric Power，2006，（3）：20－23.（in Chinese））

［2］ 徐祖舰，王滋政，阳 锋.机载激光雷达测量技术及工程应用实践［M］.武汉：武汉大学出版社，2009.（XU Zu-jian，WANG Zi-zheng，YANG Feng.The Lidar Sur-veying of Aircraft and Engineering Using Activities［M］.Wuhan：Wuhan University Press，2009.（in Chinese））

［3］ 周学文.“3S”技术在电力线路工程勘测设计中应用的探讨［J］.电力技术经济，2009，21（1）：45－48.（ZHOU Xue-wen.Discussing of application of“3S”technology in reconnaissance and design for power trans-mission line projects［J］.Electric Power Technologic Ec-nomics，2009，21（1）：45－48.（in Chinese））

［4］ 蒙祥达，李新科.机载激光雷达技术及其在电力工程中的应用［J］.广西电业，2007，（9）：81－83.（MENG Xiang-da，LIXin-ke.Airborne laser radar technology and its application in electric power engineering［J］.Guangxi Electric Utility，2007，（9）：81－83.（in Chinese））

［5］ 陈 功，程正逢，石克勤，等.激光雷达在电力线路工程勘测设计中的应用［J］.电力勘测设计，2006，（6）：53－56.（CHENG Gong，CHENG Zheng-feng，SHI Ke-qin，et al.The application of LIDAR in surveying and design of power Line［J］.Electric Surveying and Design，2006，（6）：53－56.（in Chinese））

（编辑：刘运飞）

Airborne Lidar Technology Used in Electrical Power Line Design Project

ZHANG Xiao-dong1，2，DOU Yan-juan2，LIU Ping2，ZHANG Yu3
（1.Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，The Second Institute of Oceanography，SOA，Hangzhou 310012，China；2 Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China；3 Spacial Information Technology Application Research Institute，Changjiang Water Conservancy Committee，Wuhan 430010，China）

The paper introduces airborne Lidar technology and traditional electrical power line designmethod brief-ly，clearly represents the superiority of using airborne Lidar technology in electrical power line design project，whichmainly displays the following aspects：the optimization design of an electric route and setting pole points，the area estimation for cutting down forest，the amount of house removal，the altitudemeasurement of trees and houses，and real-time cross-section survey，etc.Then，this paper describes the application of airborne lidar technology in the electric route design in Anhui province，the relevant data processing，the true 3Dmapping system for selecting electric route，which is developed by VB language on basis of ArcGIS.Themeasured results show that the above system can satisfy the precision requirement.Finally，the advantages and disadvantages of airborne lidar technology are summarized.

airborne lidar；DEM；DOM；power line route design

P407.8

A

1001－5485（2010）01－0026－03

2009-07-06

中国博士后科学基金（20070411172）；湖北省自然科学基金（2007ABA042）；中央级公益性科研院所基本科研业务专项（YWF200807）；长江科学院科研基金项目（YJJ0804）

张晓东（1974-），男，湖北黄陂人，副教授，主要从事遥感图像、LIDAR数据处理与应用研究，以及相关的软件开发工作，（电话）13871225037（电子信箱）dong＿windy＠hotmail.com。