机载LiDAR在输电线工程中的应用

刘奇

摘 要：随着LiDAR技术逐渐成熟，应用领域越来越广泛，其中输电线工程是其主要的工程应用领域之一。文章介绍了机载LiDAR的基本原理和数据获取流程；总结其在输电线工程中的应用现状，并对机载LiDAR在输电线工程中的应用前景进行了展望。

关键词：机载LiDAR；路径优化；巡检；三维建模

中图分类号：TM75 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）24-0160-03

Abstract： With the gradual maturity of LiDAR technology， the application field is more and more extensive， among which the transmission line engineering is one of the main engineering application fields. This paper introduces the basic principle and data acquisition flow of airborne LiDAR， summarizes its application status in power line engineering， and looks forward to the application prospect of airborne LiDAR in transmission line engineering.

Keywords： airborne LiDAR； path optimization； inspection； 3D modeling

1 概述

机载LiDAR是一种新型的测绘技术，由激光扫描系统、全球定位系统和惯性导航系统组成，与传统数据获取手段相比，能够快速获取地物三维空间数据、强度信息、影像数据，并且测量精度较高[1]。近年来，随着机载LiDAR软硬件设备日趋成熟，在数字城市、大比例尺地形图测绘、输电线工程等领域得到了广泛的应用。其中输电线工程涉及地形图测绘、优化选线、电力线巡检、电网数字化等数据的获取，而传统的数据获取方式已经不能满足智能电网快速发展的需求，利用机载LiDAR技术不仅能为输电线勘测提供地形图及优化选线，而且可以用于输电线路走廊通道巡检和三维模型建立[2]，极大地提高了输电线工程的作业效率，降低了作业成本，在输电线工程中具有重要的应用价值。

2 机载LiDAR简介

2.1 机载LiDAR的基本原理

机载LiDAR是以飞机作为搭载平台，集成激光扫描系统、全球定位系统、惯性导航系统和光学相机为一体的新型测绘技术。其工作原理如图1，通过搭载在飞机上的激光扫描仪主动向地物发射激光脉冲，部分激光脉冲到达地物表面后被反射回来，激光扫描仪接收反射回来的激光脉冲，并可以准确地记录激光脉冲从发射到被反射回来的时间。因为激光脉冲是以光速传播的，根据激光脉冲传播时间和速度可以准确地计算出激光脉冲的传播距离，即激光扫描仪与地物的距离。而全球定位系统可以测得LiDAR的位置信息，惯性导航系统能准确测定激光发射方向，根据测得的几何参数及空间位置关系，可以准确地计算出地物三维坐标（X，Y，Z）[3]。同时，能够获取激光回波强度信息。

2.2 机载LiDAR数据获取流程

机载LiDAR数据采集设备包含激光雷达设备、地面站GPS接收机、设备载体（无人机或载人直升机），通过载体搭载的激光雷达设备获取地面点的三维坐标[4]。机载LiDAR数据获取的工作环节，主要包括前期准备、航测数据采集和数据处理。具体流程如图2所示。

机载LiDAR数据采集的前期准备主要包括航测设计、测区踏勘、空域申请，在前期准备阶段，对设备进行安装调试，以确保设备的性能正常。在测区踏勘时，需要根据测区的地理环境选择合适的位置建立地面基站，并测量地面基站的坐标。根据项目安排，提前向民航局相关部门申请飞行空域计划，待空域审批以后，选择合适的天气进行外业飞行。

通过外业航飞，可以获取原始影像数据、IMU数据、GNSS数据和激光数据，将IMU数据、GNSS数据和激光数据经过预处理，得到地物三维坐标。根据实际工程应用，需要进一步处理三维激光点云数据和影像数据，主要的工作有LiDAR数据分类、数字高程模型（DEM）制作、数字正射影像（DOM）制作和三維建模。

3 机载LiDAR在输电线工程中的应用

3.1 输电线工程测图

输电线是我国电网的主要组成部分，随着我国电力建设的高速发展，输电线工程建设或改造要求越来越高。因为输电线距离较长、覆盖范围广、建设安全性要求较高、建设周期要求越来越短，而在输电线建设初期，需要获取沿线的地形图以及变电站选址的地形图。传统的地形图主要通过工程测量的方法绘制，虽然精度较高，但是时间周期较长，需要投入大量的人力成本。随着无人机摄影测量技术的发展，在输电线工程测图中逐渐利用航测方法以及与工程测量相结合的方法得到地形图，虽然克服了传统工程测量的一些弊端，但是仍存在外业工作量大，数据精度较低等问题[5]。近年来，三维激光雷达技术发展走向成熟，国内外软硬件设备厂商越来越多，设备价格逐渐下降，在输电线工程测图中也逐步的开始应用起来。与传统工程测量以及摄影测量相比，具有测量精度较高、覆盖范围大、作业周期短等优势，特别是在山区地理环境较差的情况，机载LiDAR便能充分发挥全天候、全地形的技术优势。

3.2 输电线路径优化

在输电线路工程勘测设计中，需要获得沿线的断面图，利用断面图进行线路规划设计，选择输电线最优路径。目前常采用传统航空摄影测量的方法制作平断面图，然后再进行优化选线。虽然通过航空摄影测量技术能够大幅度提高工作效率，降低劳动强度，但是传统的航空摄影测量方法所获取的平断面图的高程精度较低，而在输电线路径优化工作中对高程精度要求较高[6]。机载LiDAR技术的出现，为输电线路径优化提供了另一种解决方案。

利用机载LiDAR获取线路沿线的高分辨率影像数据和激光点云数据，经过进一步的数据处理得到数字高程模型、数字正射影像、数字表面模型等，并实现线路沿线的真实三维场景还原，为优化选线工作提供高精度的基础数据。通过获取的高精度线路断面图优化输电线路径，有效避开各种障碍物，裁弯取直；优化排杆，减少杆塔用量，节约成本；避免过多的森林砍伐、占用农田、障碍物拆迁等，降低输电线工程成本[7]。与传统航空摄影测量的方法相比，获取的平斷面图精度较高、作业周期更短、数据信息较丰富、降低工程成本等。

虽然近几年LiDAR数据处理的各种商业软件逐渐成熟，但是还没有成熟的输电线优化选线LiDAR数据处理平台推出。不过在国内已经有多家单位尝试用机载LiDAR技术进行输电线路径优化选线，并取得了较好的成果。

3.3 输电线路巡检

输电线路巡检是电网运营维护管理工作中必不可少的环节。为了确保输电线日常运行的安全稳定，通常需要定期开展对输电线路的巡视工作，以便准确地掌握输电线运行状况，及时排除线路的隐患。比如，随着输电线走廊通道的树木生长，其离输电线的安全距离不够，抑或是输电线下方新建房屋，其离输电线的交叉跨越距离不够等都是输电线通道内的潜在安全隐患。传统的输电线巡检以人工方式进行，工作人员沿输电线逐基塔进行巡视，劳动强度大，作业周期长，且对于地形复杂的区域，难以进行巡线工作[8]。

采用机载LiDAR技术可直接获取线路走廊内的大量高精度激光点云数据。以实现输电线路数据的全自动精细化巡检，包括树高房高、塔杆倾斜、电力弧垂及交叉跨越的量测及分析，并输出检测分析报告，为运维人员及时提前发现潜在的安全隐患、及时消除隐患以防患于未然[9]。具体包括以下几点：（1）基于机载激光雷达数据能够快速获取

线路走廊高精度的三维空间信息及高分辨率的真彩色影像信息，可实现线路交叉跨越高度、树高、房高、线路与周边地物空间距离的高精度实时测量等。（2）借助影像可识别电力设施的鸟巢等障碍物、螺栓缺失、绝缘子串损害等排查。（3）通过多次数据的对比分析，可识别线路长时间运行后杆塔有无倾斜、倾斜角度多大、有无偏移。（4）通过周期性获取的线路走廊植被点云的分析，可动态监测植物的生长情况，模拟植被生长状态，预先获取线路净空内树木的超高量，以满足安全运行要求。（5）净空排查：主要对通道环境中违章建筑、建筑物、树木及交叉线路与导线之间的安全距离检测。

3.4 数字电网

数字化电网是现代电网建设的必然产物，它利用先进的信息和网路技术在虚拟世界中对电网进行全信息仿真，人们可以清楚地掌握电力系统的运行方式，可以随时查看区域内输电线路进过的路径、地形地貌山川河流、铁路公路并统计区域内的线路个数、杆塔数。同时可以在电脑上清楚地找到电网所处的鸟害区、雷害区、污闪区以及所选输电线路走廊中的距离量测、净空排查、线路走廊植被生长情况分析等功能。

将输电线设备数字化管理是智能电网建设的一项重要工作，其核心内容是设备的三维建模。利用机载LiDAR技术能快速获取输电线走廊通道的三维场景数据，实现输电线通道的三维还原[10]。同时，可以通过数据处理获得输电线通道的地形。而输电线相关设备的三维模型可以通过高密度、高精度的点云数据建立。随着智能电网的建设，机载LiDAR将发挥重要的作用。

4 结束语

机载LiDAR在工程应用中具有高精度、高密度、高效率等优势，随着其软硬件设备的日趋成熟，必将成为主流的数据获取技术。而传统的数据获取方式已经不能满足现代电网建设发展的需求，机载LiDAR技术将被广泛应用于输电线路工程中。

参考文献：

[1]程亮，龚健雅，韩文泉.LiDAR与影像集成的真实感建筑物三维重建研究进展[J].测绘科学，2009，34（01）：21-24.

[2]全晓萍，宋志勇.LIDAR基本原理及其在电力勘测中的应用[J].科技创新导报，2007（32）：97.

[3]段敏燕.机载激光雷达点云电力线三维重建方法研究[D].武汉大学，2015.

[4]王明华，张小红，曾涛，等.机载LiDAR数据滤波预处理方法研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2010，35（02）：224-227.

[5]汪岩松，许邦鑫，刘平.适用于山区输电线路优化设计的机载激光雷达数据采集与处理方法[J].电力勘测设计，2012（05）：71-76.

[6]杨晓冬.三维激光雷达技术在输电线路优化设计中的应用[J].遥感信息，2007（02）：24-27+102.

[7]林祥国，张继贤.架空输电线路机载激光雷达点云电力线三维重建[J].测绘学报，2016，45（03）：347-353.

[8]王和平，夏少波，谭弘武，等.电力巡线中机载激光点云数据处理的关键技术[J].地理空间信息，2015，13（05）：59-62+8.

[9]李志杰.国产机载LiDAR技术及其在电力巡线中的应用[D].昆明理工大学，2013.

[10]段敏燕.机载激光雷达点云电力线三维重建方法研究[J].测绘学报，2016，45（12）：1495.