LiDAR技术在电力选线中的应用

束龙，鲁莽，胡丹晖

（湖北省电力公司电力科学研究院，湖北武汉 430077）

目前，在输电线路设计中，国内设计院多使用海拉瓦技术进行线路设计。相比传统设计方式而言，它使得设计更加合理、勘测周期大大缩短，产生了较好的经济及社会效益。但海拉瓦技术也有不足，如无法得到植被密集地区的地表情况；数据处理自动化程度低，特别是处理航片时需要人工干预；需要大量野外工作，生产周期依然很长；生产成本昂贵等。

在输电线路工程建设中，因廊道范围内的房屋拆迁及林木砍伐而导致的索赔，甚至与电网公司打官司的情况也时有发生。电力单位由于无建设前的实际空间数据作为依据，为了不影响线路建设工期，只能赔钱了事。房屋赔偿费用在输电线路建设成本中占有一定比例。以三峡地下电站500kV线路工程为例，林木青苗费用占总投资的1.71%，房屋拆迁费用占总投资的10.9%，但实际超出10%左右，即占总投资约21%。不同地区、不同地形会有很大差异，华东沿海地区费用更高。

利用三维激光雷达技术，可实现输电线路的智能选线，精确测量拆迁面积，精确计算砍伐量，能够有效提高电力输电线路智能化水平，提高运检效率，保护电力输电走廊免受非法侵害。利用无人机搭载机载激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）生成数字化输电走廊，能产生良好的经济效益和应用前景。

1 LiDAR技术发展及相关介绍

LiDAR是利用全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）进行载体定位，通过激光扫描仪测量载体与目标的距离，从而测得目标的三维坐标。它是目前唯一能测定森林覆盖地区地表高程的可行技术，可用于快速产生数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）[1]。

LiDAR技术的主要特点有：1）可以24 h全天候工作。激光雷达是主动探测，不受光照的影响，可以全天候工作。2）能够穿透植被的叶冠，同时测量地面点和非地面点。激光波长较短，可以穿透植被叶冠，形成多次回波，获取的数据信息更丰富。3）能够探测细小目标物体。激光的波长较短，能够探测细小的目标，如电力线，而传统的摄影测量和雷达都不能够探测到细小的电力线。4）获取数据速度快。相对于传统摄影测量，机载激光雷达可直接获取目标的三维坐标，数据获取速度大大提高。

用LiDAR来精确确定地面上目标点的高度，始于20世纪70年代后期。当时的系统一般称为机载断面记录仪（Airborne Profile Recorder，APR），主要辅助空中三角测量。最初的系统仅能获得在飞行器路径正下方的地面目标数据。这些最初的激光地形测量系统很复杂，并且不适合于获取大范围地面目标的三维数据。由于没有高效的航空GPS和高精度IMU，所以很难确定原始激光数据的精确地理坐标，因此其应用受到了限制。到20世纪80—90年代，德国斯图加特大学将激光雷达测量技术与POS系统集成一体形成的空载激光雷达测量系统（Arkerman-19），由于其能穿透植被叶冠，探测细小目标，可快速获取数据等特点，激光雷达技术开始迅速发展。至2004年全球已经有超过30类不同型号的激光扫描系统投放市场。随着差分GPS技术、数据传输技术、计算机技术和图形图像处理技术的发展，LiDAR技术已成为直接获取地表模型的有效手段。结合影像及信息融合技术，LiDAR系统不仅局限于获取数字高程模型等传统的应用领域，而且广泛应用于农业土壤侵蚀、洪水预报、城市三维模型的直接获取、GIS支持、高压线实时监测、林业监测等领域。

尽管我国很早就对LiDAR技术进行跟踪和研究，在理论方面已经达到了国际先进水平，但由于没有商品化的硬件设备，直到2005年才成功利用引进硬件设备，大规模采集了我国本土数据，这种状况使得我国许多行业对LiDAR技术还十分陌生。目前，我国已有多家电力单位利用LiDAR系统进行地形测绘，使用的大多为进口国外的大型机载LiDAR设备，主要有Riegl公司的LMS-Q系列、美国Leica公司的ALS系列、德国Toposys的FALCON系列和HARRIER系列、加拿大Optech公司的ALTM系列。使用有人机的缺点是：价格昂贵；空管协调异常繁琐；受机场及气候条件限制过多等。随着LiDAR设备的小型化，国内已有公司研发出小型无人机机载激光雷达系统，使LiDAR设备像搭载可见光和红外设备一样，不仅能搭载于无人机上，还能搭载于飞艇和动力三角翼等飞行平台上。

2 LiDAR技术在电力选线中的应用优势

2.1 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∶5000，1∶10000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[2]。

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[3]，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。

2.2 基于摄影测量工作站的电力选线技术

目前，在电网设计中，国内很多电力设计院使用摄影测量工作站技术进行线路设计，如“海拉瓦”系统。海拉瓦全数字化摄影系统是借助卫星、飞机、全球定位系统（GPS）等高科技手段，通过高精度的扫描仪和计算机信息处理系统，将各种影像资料生成正射影像图、数字地面模型和具有立体图效果的三维景观图，并以标准格式输出图像和数字信息的技术。

海拉瓦-洛斯达技术是海拉瓦全数字摄影测量系统与洛斯达公司二次开发的满足线路勘测设计需要的软件相结合，进行电网工程勘测、辅助设计的最新技术的总称。在电网工程中，海拉瓦-洛斯达技术主要应用于输电线路的路径优化、变电所所址及进出线走廊规划、数字化线路等方面。

海拉瓦-洛斯达技术率先应用于输电线路工程的电力选线，其传统航测作业模式是：1）航摄，按线路路径要求分带航飞拍照，照片冲洗后提供各航带满足质量要求的底片和照片。2）外控及调绘，制作各航带像片镶嵌图，全线进行GPS外控、调绘，提供所有GPS外控点三维坐标和像片调绘资料。3）航测内业，利用外控、调绘资料，进行空中三角测量，解算像对坐标，建立立体数字地面模型，生成全线数字化带状地形图。4）终勘定位，根据设计排位情况进行现场定位，并测量桩间距离、高差、危险断面和重要叉跨越，对原平断面图进行修正。

2.3 LiDAR技术选线

LiDAR技术是现代对地观测的最新技术之一，通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点三维坐标，对地面的探测能力有着强大的优势，具有空间与时间分辨率高、动态探测范围大、能够部分穿越树林遮挡、直接获取真实地表的高精度三维信息等特点，是快速获取高精度地形信息的全新手段。

利用LiDAR技术进行输电线路优化选线的方法大致如下：首先将LiDAR设备获取的高密度高精度的DSM，对线路规划决策的影响要素进行参数化和数字化，基于人工智能的搜索方法搜索代价最小的路径，并辅助于领域专家的知识，对决策要素的参数化和目标函数做进一步优化，形成一套自动化程度较高的路径规划方法，为线路规划设计提供参考方案；再将DSM数据进行滤波，生成DEM，将同时获取的航空数码影像处理为DOM；接着利用DEM叠加DOM构建线路走廊三维场景，设计人员即可在三维场景中针对规划方案进行优化选线作业。至于内业平断面测图，作业人员可直接在三维场景中进行平面地物以及风偏、危险点的采集，对于诸如房高、树高以及塔高等信息则借助激光点云数据进行提取，而断面数据则可直接从DEM数据中进行提取。

2.4 LiDAR技术优势

与传统航空摄影测量技术相比，采用LiDAR技术进行输电线路路径优化选线具有如下优势：1）平断面数据精度高。LiDAR数据的平面精度可以达到0.2 m，高程精度可达到0.1 m。高精度的DEM数据、DOM数据以及激光点云数据支持，使对地形地物的判读、空间信息的测量与获取更加准确和便捷，选线更加精确，塔位选择更加合理，工程投资控制精细，最大限度地避免线群矛盾。2）作业周期短。无须进行航外像控测量，同时航外调绘工作量减少，内业平断面图制作效率提高了3倍。3）数据处理自动化程度高。4）选线过程中的辅助信息丰富。借助激光点云数据，在优化选线过程中可方便地向设计人员提供诸如房高、树高、塔高等信息。5）成本低。由于省去了航外像控测量，野外调绘工作量亦大大减少，作业成本自然降低。6）有利于实现数字电网。高精度机载激光雷达数据可直接用于数字电网建设中的线路走廊三维建模，无须再次投资进行航飞数据获取，能够节省潜在投资并可加快数字电网建设进程。7）有利于实现终勘定位或施工过程中可能遇到的改线。机载激光雷达路径优化选线平台无需配备航空摄影测量所需的专业立体观测设备，并可非常方便地安装在便携机上，因此设计人员可在野外现场进行选线，并根据即时断面数据进行预排杆，大大提高改线作业效率。8）优化选线效率更高。机载激光雷达数据处理自动化程度更高，无须进行航外像控测量。选线平台操作简便，三维场景更加逼真，可方便进行全线漫游以及多视角观察，便于设计人员从整体上把握线路路径。

表1为机载LiDAR系统与传统航摄技术对比。

3 LiDAR系统飞行平台技术比较

近几年，国内多家电力单位采用有人直升机机载LiDAR进行了各种尝试，在取得一些研究成果同时，也发现诸多客观因素限制了LiDAR技术的进一步推广。其主要原因是国外三维激光设备价格昂贵，一般报价在1000万元以上，并且体积大而笨重，一般重量为60～100 kg。随着LiDAR设备的小型化，其飞行平台还可使用无人直升机、飞艇和动力三角翼等，它们各有自己的特点。使用各种飞行平台搭载LiDAR设备进行输电线路优化选线的流程大体一致。图1为4种飞行平台搭载LiDAR设备的飞行照片。

表1 航空摄影测量与机载激光雷达系统的综合比较Tab.1 Comprehensive comparison of aerial photographic survey and airborne laser radar system

图1 搭载LiDAR设备的4种飞行平台Fig.1 Four flight platforms carried on LiDAR equipment

3.1 有人直升机飞行平台

优点在于获得的数据精度高，质量好，交叉跨越完全能够看清，抗风能力强。缺点在于价格昂贵（如：法国“小松鼠”，造价2000万。作业报价为3～4万元/h，还要加上空管协调、转场、等待费用等）；需受空管协调（民航、空军）、机场、气候等条件限制。适用于测绘面积大，线路较长、精度要求高的条件。

3.2 氦飞艇飞行平台

优点在于安全性高、飞行速度0～70 km/h、可完全看清“交叉跨越”。缺点有抗风能力差，航迹稳定性差，载重能力差，海拔3000 m以下。

3.3 动力三角翼飞行平台

它是目前最廉价的飞行平台，飞行最低时速70 km/h。点云密度为2.5点/m2，较为稀疏，故精度不高。交叉跨越只能对已知线路，设计特别飞行航路。

3.4 无人直升机飞行平台

无需专用飞行跑道，无需申请飞行许可，转场方便，非常有利于点状区域和带状地形测绘；运输成本低；受地形、天气等因素影响相对较小；能提供比传统测绘更高精度和更高分辨率的激光点云和数码影像数据（尤其是DEM），可以达到激光点云密度>50点/m2。缺点为：安全性差；国内无人机技术不成熟，飞行保险难买；高海拔应用受限。

4 结语

随着LiDAR技术和无人机技术的快速发展和日渐成熟，它必将取代传统的航空摄影测量技术而成为航测遥感领域的主流技术，并且无人机也将取代有人机成为LiDAR的优先飞行平台。它们将会像GPS和航测技术一样，必将在电力线路勘测设计中逐渐普及，并发挥越来越重要的作用。

[1]梁欣廉.激光雷达数据特点[J].遥感信息，2005，78（3）:71-76.LIANG Xin-lian.Characteristics of lidar data[J].Remote Sensing Information，2005，78（3）:71-76（in Chinese）.

[2]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.LI Tie-jun.Talking about the choice of the path of the power line design and positioning[J].Ningxia Electric Power，2006（3）:20-23（in Chinese）.

[3]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.