LiDAR技术在特高压输电线路终勘中的应用研究

吴 岘，欧阳亚，王 林，骆元鹏

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

1 引言

传统的特高压输电线路工程终勘中，测量多采用工测与航空摄影测量相结合的方式进行。传统的航空摄影测量技术，容易受到空域、天气等因素的影响，搭载的可见光相机，在植被茂密区域的数据精度较低，无法准确获取地表高程信息。运用激光雷达(LiDAR)技术可以快速、直接、大范围地获取高精度点云数据，经处理后可以导入三维设计平台，方便设计专业进行输电线路优化，减少野外工作量[1]。

目前，LiDAR技术应用于输电线路巡检，电厂、变电站三维建模，大比例尺地形图测量等已趋于成熟。在输电线路工程勘测中使用LiDAR技术，能够克服不良天气影响，大大降低外业工作量。相较于传统航空摄影测量技术，无需通过立体像对量测就可以直接获取目标点三维坐标，且数据处理自动化程度高、信息丰富、精度高[2]。

2 LiDAR简介

激光雷达测量(Light Detection And Ranging，LiDAR)是一种新兴的主动遥感测量技术[3]，可以直接高效地获取高精度的地面高程信息，且不受天气影响，被广泛应用于测绘、林业等领域[4]。LiDAR集成了激光扫描、全球定位系统和惯性导航系统3种技术，能够实现地面三维坐标和影像数据同步、快速、高精确获取，并快速、智能化实现地物三维实时、变化、真实形态特性再现[5]。

机载LiDAR主要包含三大部件：激光扫描仪、航空数码相机、定向定位系统POS(包含全球定位系统GNSS和惯性导航系统IMU)。激光扫描仪能够采集激光点云数据，准确获取地形信息；航空数码相机负责采集影像数据；POS系统能够提供空中每个拍摄瞬间的位置和姿态信息。经过后期数据处理，能够从激光点云数据中获取高精度地表三维地形。多次回波探测技术，可穿透浓密植被直达地表，准确获取地面高程，特别适用于夏季高密度厚植被区域作业。相较于传统航空测量技术，LiDAR受天气影响小，能够直接获取目标点三维信息，测量精度能得到大幅度提升[6]。

3 作业流程

3.1 航飞任务设计及数据处理

传统的线路选线方法是将搜集到的有关线路所需的技术资料，在已掌握的小比例尺地形图上选出若干个可行的线路方案，经过全面分析比较后确定一个较为经济、合理的线路方案[7]。近年来，线路三维可视化选线得到了逐步推广，基于遥感数据还原的线路走廊三维场景，能够客观、真实地反映地表地形、水文、植被、城镇等信息，降低了选线难度，提高了工作效率。

工程一般进行两次航飞，首次航飞使用无人机搭载可见光相机在充分分析测区地形、地貌、控制点情况、气象条件等因素后，选择合适的航摄参数，包括航向重叠度、旁向重叠度、影像分辨率等。航飞区域覆盖了线路全路径，测量人员在测区内均匀布设像控点，进行空三加密，制作数字正射影像(DOM)和数字表面模型(DSM)，主要用于前期选线。第二次航飞使用无人机搭载激光雷达，航飞区域主要针对植被密集区域进行，利用激光雷达的高穿透性，获取准确的地表高程信息，经过分类后得到数字高程模型(DEM)。结合点云和DEM进行选线优化和平断面图制作。该次航飞一般是在线路外业选线完毕定位之前进行。

3.2 三维路径优化

经过两次航飞，可以获取高精度点云数据、DOM、DEM、等高线和其他测绘数据。将所有数据导入输电线路数字化勘测设计系统中进行优化选线。激光点云数据大大提高了高程数据精度，能够剔除茂密植被的影响。依托于DOM和激光点云数据，设计人员无需佩戴立体眼镜，在裸眼状态下能够更好判读路径两旁的地物与地貌。通过设计系统中的测量模块，量测建筑物、电力线、通讯线、砖厂、天然气采集井等对线路有影响的地物到路径的距离。交叉跨越是影响输电线路路径走向的重要因素，因此综合考虑交叉跨越，优化线路走线显得尤为重要。点云数据还能提供DOM所不具备的交叉跨越信息，利用点云分类，能够提取出杆塔和电力线点云，在跨越处获取已有电力线点云高度，以调整优化线路路径[8]。

3.3 平断面图测量

在终勘阶段，结合各个专业人员外业选定的最终线路路径，完成平断面测量工作。

3.3.1 道路与水系调绘

基于高精度点云数据和高分辨率DOM，可以比较容易地判读各类型道路和水系。值得注意的是，大疆智图处理出的点云数据，可以利用周边点云信息，自动填补水域的点云空洞，不会造成水域表面断面点异常。

3.3.2 房屋调查

结合DOM和分类提取后的点云数据，不仅可以准确地绘制房屋的平面位置，还能够准确获取房屋层数、高度信息，极大降低了外业工作量。

3.3.3 交叉跨越调绘

DOM能够准确反映线路走廊的实际情况，可用于识别影像上已有的输电线路路径走向和杆塔位置。同时，点云数据还包含了杆塔点云和电力线点云，利用点云分类技术，提取出电力线点云，在跨越处获取已有电力线点云高度，调整线路路径，为设计人员排位提供依据。

3.3.4 林木调查

基于DOM可判断林区范围，利用分类前点云数据生成DSM，分类后地面点云数据生产DEM，两者相减可以得到该区域的林木高度。结合DOM上的林木纹理和点云的林木高度，还可以对树种信息加以区分。后期结合少量外业实地调绘，确定树种信息。

3.3.5 平断面图制作

对预处理后的点云数据进行分类生成地面点和非地面点，在基于分类后的地面点提取出末次回波的点云数据，通过建立格网、粗差剔除、过滤、内插等操作制作DEM。利用DEM数据可以自动提取断面，利用DSM可以自动提取树高断面。利用DOM和DEM在专业软件中恢复线路走廊的立体大场景，基于大场景补测断面点，补测风偏点，横断面，最后通过人工编辑，去除水域内断面点。

4 工程实例

4.1 工程概况

宜城某500 kV线路工程，长度约102 km。工程沿线地形主要有山地、平原、河网，其中山地51 km，丘陵21 km，平地30 km，沿线海拔高度40～350 m。沿线交通情况较差(图1)。

图1 线路工程路径

该工程是首批由中南电力设计院独立完成航空摄影工作的线路工程之一，也是首批架空输电线路三维数字化设计的示范工程之一[9]。中南院研发的输电线路数字化勘测设计系统(图2)，能够完成各业务环节的工作和系统，实现勘测、电网、环保、水保等多专业应用集成，为输电线路数字化的应用提供支撑，有助于在工程完成后将完整的成果数据(地理信息、工程模型、数据资料等)顺利移交至业主手中，有效提升项目管理水平[10]。

图2 输电线路数字化勘测设计系统

4.2 航飞成果及应用

首次航飞利用马D2000智能航测遥感系统[11]，搭载可见光正射模块D-CAM3000，对线路走廊进行航飞，航飞参数如表1所示。

表1 D2000航飞参数

综合考虑D2000的飞行效率，划分了19个架次的航飞任务。航高400～450 m，地面分辨率3 cm，飞行范围为线路两侧各1.1 km，共完成224 km2航飞任务，花费15 d。测量人员在区域内均匀布设像控点和检核点177个，进行空三加密和高程改正，将大地高转换为85高程。线路走廊的高程总误差平均值为-0.09 m，高程总中误差为0.22 m，满足规范的精度要求(图3)。

图3 数字正射影像与数字表面模型

将DOM和DSM数据导入输电线路数字化勘测设计系统，重建线路走廊三维场景[12]。设计人员同步将搜集到的线路相关资料导入设计系统中，辅助选线。设计系统可以根据选线结果自动生成断面图(图4、图5)。

图4 三维大场景选线(交叉跨越)

图5 三维选线断面自动生成

第二次航飞使用大疆经纬M300 RTK无人机，搭载禅思L1镜头，对输电线路走廊植被茂密区域进行航飞，采集高精度点云数据。禅思L1集成 Livox 激光雷达模块、高精度惯导、测绘相机、三轴云台等模块，能够实时生成真彩色点云；支持3次回波，保证植被的高穿透性；M300 RTK最高可以提供平面1 cm+1×10-6，高程1.5 cm+1×10-6的定位精度，由GNSS与INS共同组成了高精度定位测姿系统，可为后处理成果提供高精度过程数据文件[13]。

本次航飞以初选路径为参考，将首次航飞得到的DSM数据导入飞控软件中，进行仿地飞行(图6)。沿路径飞行了42 km，带宽为200 m，覆盖区域均为植被茂密区域，约耗费8 d时间。航飞参数如表2所示。

表2 M300 RTK航飞参数

图6 LiDAR航飞线路

航飞结束后，利用大疆智图软件进行 POS 解算、点云与可见光数据融合、模型生成、作业报告输出，实现后处理一键式操作，得到初始点云成果。利用LiDAR360软件对初始点云数据进行粗略自动分类。自动分类结束后，采用人工辅助分类的方式对点云进行精细分类，对一些错分、漏分的点云进行修正和手动提取[14](图7)。

图7 初始点云的不同显示模式

LiDAR数据包含丰富的地表信息，无需再立体下观测，就能判读各类地物地貌。结合LiDAR和DOM，利用设计系统中的测量模块，量测建筑物、电力线、通讯线、砖厂、天然气采集井等对线路有影响的地物到路径的距离，大大优化了初选路径(图8)。

图8 各类地物的点云数据

LiDAR数据能够很好地克服茂密植被带来的影响。经过点云分类后得到准确的地表高程信息(图9～图11)。基于点云数据制作平断面图，大大提高了平断面图的精度。

图9 点云分类前后对比

图10 同区域DSM与DEM对比

图11 大场景联机测

4.3 精度分析

为检测激光点云的测量精度，测量人员在外业使用GNSS RTK实测了桩位高程，桩位均处于野外植被茂密地区。在地面点云数据中也提取了对应位置的高程，统计结果见图12。

图12中DSM数据源与实测桩位的高程差值，误差平均值6.04 m，差值最大值18.96 m，差值最小值-14.69 m，差值中误差±7.92 m;LiDAR的DEM数据源与实测桩位的高程差值，误差平均值-0.09 m，差值最大值036 m，差值最小值-0.34 m，差值中误差±0.2 m。

图12 DSM与DEM数据源分别与实测桩位高差的对比效果

精度方面完全符合线路工程中平面1∶5000，断面1∶500的测图要求，满足输电线路平断面数据采集的要求。

图13 优化后断面(深色-DSM断面，浅色-LiDAR断面)

5 结论与讨论

本文简述了LiDAR技术在特高压输电线路中的应用，对整体流程和数据处理进行了探讨，得到了如下结论：

(1)LiDAR相对于传统无人机航测技术来说，分辨率高、穿透能力强。根据工程实际情况和无人机飞行效率，经过综合考量，在线路工程中选择在部分区域内使用LiDAR技术。通过机载LiDAR获取的高精度点云数据生成的平断面图，其自动化程度和整体精度更高，外业人员只需进行少量检核工作，保障了人员安全，提升了工作效率，应用价值更加深远。

(2)基于两次航飞成果制作的高精度点云数据、DOM、DEM数据生成的三维场景，可以进行三维大场景漫游，设计人员能更好地进行优化设计，对地物的判断、空间位置的确定更准确、便捷，能较好避让重要地物，更合理地选择线路路径和杆塔位置。

(3)该工程在中南院输电线路数字化勘测设计系统完成了勘测设计全过程，航飞采集数据、外业调绘数据等基础测量数据均能导入设计系统，实现数据贯通和数据共享，基于一体化平台思维整合、管理、维护输电线路勘测设计的各类资源，推动了输电线路三维数字化设计发展。