小型机载激光雷达技术在植被覆盖区域输电线路工程中的应用

梁兴+李虹+窦延娟

摘 要：本文简要阐述了基于小型机载激光雷达技术在植被覆盖区域输电线路工程中的应用。通过对小型机载激光雷达系统原理及其在电力线路优化设计中技术优势进行分析，形成了一套规范的应用机载激光雷达技术的输电线路勘测优化设计技术流程。通过数据获取、数据处理，最后将高精度机载激光雷达丰富的数据成果应用在专业的LIDAR三维输电线路优化设计系统进行可视化线路设计，满足了电力线路工程需求，降低了选线难度，提高了工作效率，具有良好的社会效益及经济效益。

关键词：小型机载激光雷达技术；植被覆盖区三维测绘；电力优化选线

中图分类号：TN958.98 文献标识码：A

0.引言

输电线路勘测优化设计在是输电线路工程中最基础最重要的工作，优化设计输电线路路径需要综合考虑行政规划、运行安全、经济合理、施工难度、检修方面等因素。而在输电线路优化设计工程中，特别是工程工期紧、测绘面积较大、精度要求高且测区地形较为复杂的情况下，输电线路优化设计难度较大，尤其是在我国西南地区以高山大岭为主，地形起伏大，植被覆盖率高且平丘地区房屋密集，分布不规则。传统的线路优化设计主要采用的测量方法是工测量方法或者工程测量与航测相结合的方法。传统的线路优化设计方法具有外业劳动力强大，数据精度低且无法获取植被以下地形及交叉跨越的高度，工期比较长等缺点。将激光雷达技术应用于电力线路优化设计中能降低选线难度，提高设计效率。因为机载激光雷技术具有数据产品丰富、数据精度高，能够获取植被以下的地形及交叉跨越高度且自动化程度高，能够保证线路走向合理，大大降低外业工作量，缩短工期等优点。

我单位采用绵阳天眼激光科技有限公司自主研发的小型激光雷达测绘系统搭载在动力三角翼上对四川广元某山区测区进行数据采集，应用高精度激光雷达数据成果，在基于激光雷达数据输电线路三维优化选线软件中进行优化设计，高效快速对该区线路进行优化设计，降低了选线难度，提高了工作效率，具有良好的社会效益及经济效益。

1.小型机载激光雷达系统原理及技术优势

1.1 机载激光雷达系统原理

机载激光雷达系统是集激光测距、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（IMU）及高分辨率航拍相机于一体的系统。利用高精度的激光扫描测距技术获取三维激光点云、惯性导航单元系统获取飞行平台姿态信息、机载GPS获取飞行平台的空间三维位置信息；利用高分辨率数码相机获取真彩色数据影像。机载激光雷达测量原理：机载激光雷达激光脚点定位采用飞行航迹来计算激光脚点的坐标。因此基于飞行航迹和系统瞬时姿态的激光点的坐标计算如公式（1）所示，公式（1）中的L是瞬时激光脉冲源到地物的距离，基于飞行时间测量原理的测距由公式（2）求得。公式（1）中是激光发射角，XL、YL、ZL是激光器的位置坐标，通同转换矩阵就可以精确的计算出每一个地面光斑的XG、YG、ZG。

机载激光雷达系统包括以下4部分：机载激光扫描雷达单元；DGPS及IMU惯性导航单元；高分辨率航拍相机；系统控制及数据实时记录存储单元。各部分用以太网协议交换数据，供电选用航空电池供电。小型激光雷达系统原理如图1所示，不需要或需要极少地面控制点即可快速获取地表及植被以下地表的精确三维信息。

1.2 小型机载激光雷达系统在输电线路优化设计的技术优势

小型机载激光雷达系统以其体积小、重量轻且精度高等优点，选择的飞行平台较为灵活，快速响测绘作业任务且数据采集周期短。搭载平台可以选择有人直升机、无人机、无人氦气飞艇及动力三角翼等，根据任务需求可以选择不同的飞行平台。针对本次山区及植被较为密集的作业区域，选择搭载动力三角翼作为飞行平台对测区进行数据采集。机载激光雷达技术具有穿透性，能够获取植被以下高精度地形数据及交叉跨越高度；数据精度高、点云密度高；且能快速高效进行作业；数据产品丰富，能获取高精度的三维激光点云数据和高分辨率数码影像经过数据处理得到高精数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、高分辨率数字正射影像DOM及精细分类的点云数据（包括电力线点、植被点、房屋点）等。

机载激光雷达数据成果，在电力选线以及后期设计工作中提供多种辅助参考信息。生成的高精度DEM数据可以实时获取线路各个方向断面信息及塔基地形、塔基断面；通过数据分类处理，获取地面、电力线三维点云数据，设计人员在室内即可完成线路交叉跨越测量工作；高分辨率真彩正射影像DOM利于选线避开房屋、库区、坟墓等重要地物，综合参考DEM和DSM可实时获取房高树高，精确评估树木砍伐量与房屋拆迁量等；DEM结合DOM得到真实的三维场景，可从不同视角查看线路周围的地物、地貌信息，直观可视的三维地形浏览及选线，大幅度提高工作效率。

2.技术路线

基于小型机载激光雷达技术在植被覆盖区输电线路勘测优化设计中的工程应用主要技术内容包括数据获取、数据处理、数据应用。采用小型机载激光雷达系统进行电力选线数据的获取具体技术路线如图2所示。

机载激光雷达数据获取的原始数据包括原始激光点云数据、原始数码影像、惯性导航（IMU）数据、机载GPS数据、地面基站GPS数据。对机载激光雷达获取的数据处理技术路线如图3所示。

经上述数据处理后得到的数据成果高分辨率數码影像DOM、高精度数字高程模型DEM、高精度数字表面模型DSM及精细分类后的电力线点云数据LAS，加载于专门基于LIDAR数据成果的三维输电线路优化设计系统，对激光雷达获取的数据进行管理与浏览，进行三维选线，主要技术路线如图4所示。

3.工程应用

我公司应用小型机载激光雷达技术，对地势起伏较大且植被覆盖率高的广元中子（中子-明月峡220kV线路工程、中子-雪峰220kV线路工程）约86km的输电线路工程勘测优化设计，应用动力三角翼搭载机载激光雷达测绘系统进行数据采集，通过数据处理制作高精度DEM、DSM、高分辨率DOM及精细分类电力线点云。运用三维输电线路优化设计系统对该工程进行室内快速可视化三维优化选线设计。

3.1 工程测区概述

广元中子镇位于广元市朝天区东北部，属于低中山区，南北边缘高峰耸立，海拔在500m～1600m，植被較为密集，高差较大。本次220kV输电线路工程包括中子镇—明月峡乡、中子镇—雪峰乡两条线路，测区全长约86km。

3.2 数据采集

在航测前，进行控制点的踏勘、选址和埋设桩位，用于静态观测。GPS网形规划与控制点之分布有关，为使整个网形的点位误差分布均匀，在测区布设4个基站，覆盖测区。结合小型机载激光雷达系统自身的特点，对航高、航速、相机镜头焦距及曝光速度、扫描频率等航摄参数进行设置；为获取高质量的数据，本次工程共设计了两条航线，能充分满足测区的带宽和激光点云密度要求。

3.3 数据处理

数据处理包括数据预处理和数据后处理。数据预处理是对的激光点云数据大地定向和计算影像外方位元素；数据后处理是在预处理的基础上经过点云去噪、滤波及精细分类，快速自动分离出精细的地面点（图5）及分类后的电力线点云数据（图6），可以快速提取交叉跨越高度。通过对精细的地面点构建不规则三角网格TIN即可快速生成DEM数据（图7），去噪后的所有地物点即可快速生成DSM。使用精细分类的地面点对数码影像单张正射纠正，通过镶嵌匀色即可生成高分辨率正射影像DOM（图8）。

（1）精细分类后的地面点

（2）精细分类后高密度电力线点云数据用于获取交叉跨越高度

（3）高精度数字高程模型DEM和数字表面模型DSM

（4）高分辨率正射影像DOM

3.4 线路优化设计

通过后期数据处理得到的成果有DOM、DEM、DSM、分类后的电力线点云，将数据成果导入到基于激光雷达数据输电线路三维优化选线软件中，充分利用机载激光雷达系统的多种数据成果，进行室内可视化电力线路选线优化设计，为线路设计提供多种辅助信息，如房高树高、面积坡度量测、线路交叉跨越高度测量、快速平断面/塔基断面/塔基地形图等。

在三维输电线路优化设计系统中能够快速对已有电力线路交叉跨越高度进行量测（图9）；在线路设计过程中基于精细DEM快速获取不同方向、不同深度的断面数据（包括植被以下区域）；高分辨率正射影像图结合DSM数据可以从中精确量取待拆迁房屋面积及待砍伐植被面积，同时能够实现线路的优化，减少线路与房屋、植被的跨越，同时对重要地物（高速路、铁路等）跨越角度进行评估（图10）；根据优化选线结果及DEM，可以快速自动获取线路平断面图、塔基断面图及塔基地形图，最终优化选线结果如图11所示。

3.5 精度分析

通过外业实地检查对本次植被覆盖区输电线路测区应用机载激光雷达技术勘测获取数据进行精度评估，整个测区获取了高密度点云数据，平均个平方米有6～7个点；整个线路测区高程中误差为31cm，平面中误差为65cm，完全满足电力选线需求。

结语

通过应用小型机载激光雷达技术在植被覆盖区域输电线路勘测优化设计，通过将小型机载激光雷达系统搭载在动力三角翼上能够快速灵活响应工程需求，快速获取线路走廊区域精细的三维地形数据且数据精度高，满足电力设计精度要求；通过应用基于LIDAR数据成果的三维输电线路优化设计系统，对激光雷达获取的数据进行管理与浏览，进行三维优化选线，为电力选线提供多种多样的信息辅助选线，避免了大量的外业测量，减少了树木砍伐量及房屋拆迁量，提高了作业效率，具有很大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]徐祖舰，王滋政，阳峰.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.

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