基于机载激光雷达技术的电力线路测量研究

文华

摘 要：该文以电力线路工程测量为研究对象，以LIDAR为电力线路测量的工具，首先探讨了LIDAR的技术特点，进而分析了LIDAR技术应用的方向，并结合具体实例，证明了LIDAR技术进行电力线路的勘测设计技术上是可行的，精度是可以满足设计要求的，可方便地进行电力线路工程优化选线，效率更高，操作更简便。

关键词：LIDAR 电力 线路 测量 精度

中图分类号：P237 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0035-02

1 LIDAR技术简介

LIDAR（Light Detection and Ranging）技术是集激光测距（LRS，Laser Ranging System）、数字航空摄影、差分GPS、惯性导航系统（INS）等多种测量技术的新型测量系统。LIDAR技术可获取各种地表数据。它发射的激光能穿透地面的植被，在剔除地面植被及地物的数据后，就可以生成地表的数字高程模型（DEM）数据。利用DEM数据及通过差分GPS和INS得到的航空数码影像的外方位元素，对航空数码影像进行正射纠正，可以生成正射影像图。还可以对地面的地物、道路、植被等信息进行分类提取。LIDAR技术测量只需要做少量的地面控制点和少量的外业调绘工作。LIDAR技术不需要做航测外控点测量，只需在利用LIDAR技术进行测量时，在地面做少量的基站。LIDAR技术能获取地物、植被的数据，还可以直接提取所需要的交叉跨越（道路、河流、电力线、通信线等）、房屋、独立地物等信息。

2 LIDAR技术的特点

（1）主动式遥感系统：它由机载激光扫描仪发射激光，接收地面反射回来的激光。激光脉冲信号能部分穿透植被，可以同时获取地面和地物数据。（2）高效率：LIDAR技术采集高程点的密度大，能够迅速采集大量的高程数据。LIDAR数据后处理工作可以自动或半自动将LIDAR点云数据转换为GIS数据。（3）高精度：激光脉冲不易受阴影、太阳光角度的影响，高程精度不受航高的限制，它的平面精度可以达到亚米级，高程精度可以达到10cm左右。（4）采集的信息丰富：LIDAR技术可以获得地面和地物三维坐标，通过滤波处理，可以得到我们想要的地面、地物、植被的数据。

3 LIDAR技术在电力线路工程中的应用

3.1 传统测量技术应用

在传统电力线路工程勘测设计中，多采取工程测量和航空摄影测量的方法进行。工程测量方法测量的地面信息精度高，但外业工作量大，测量的工期长，而且不利于勘测设计的一体化与优化设计。而利用传统航空摄影测量进行电力线路勘测设计，不仅需要进行大量的GPS外控点测量，还需要进行大量的野外调绘工作，航测的内业时间长，勘测设计的成本很高，工期偏长。而且传统的航空摄影测量在测量植被厚的隐秘地区时，测量的高程精度很低，影响电气专业人员准确排杆；传统的航空摄影测量方法也不能生成准确的塔基断面图。所以采用传统测量技术进行电力线路工程勘测设计，获得的勘测成品精度较低，内、外业工作量大，勘测设计工期长，不利于勘测设计优化，不利于降低工程投资。

3.2 LIDAR技术应用

利用LIDAR技术进行电力线路的勘测设计具有很大的优越性。LIDAR技术只要做少量的GPS控制点和少量的调绘工作，缩短了勘测设计的工期，减少了勘测设计的成本。

LIDAR技术的激光能穿透植被，得到地面的数据，这样就能进行隐秘地带的测量。对LIDAR数据进行处理后，可生成正射影像图，进而生成带电力线路路径的三维数字地面模型图，可以方便地在上面进行线路路径选择。确定了线路路径后，可以生成线路平断面图，再生成塔基断面图，便可进行一次性勘测设计，能让勘测设计一体化，大大地缩短了勘测设计的周期，减少了勘测设计成本，并且能进行优化设计，节省工程投资。

（1）LIDAR技术外业航飞。

首先做基站点，基站点要分布合理，保证航飞时飞机的30km内至少有一个基站。基站需要选在开阔、交通便利的地方，没有树木、房屋等挡住卫星信号，周围无电子干扰源，不能有大片水面或其他反射面。基站最好事先进行高程、坐标的联系测量，便于以后进行坐标转换。在进行外业测量的时候，应注意航带是要有一定的重叠度，要注意LIDAR系统的以下参数的选用：如激光波长、最大重复脉冲频率、脉冲回波记录模式、功率、光斑尺寸、扫描角、扫描模式等。

（2）LIDAR数据内业处理。

先进行异常点的剔除，在LIDAR数据中有些数据明显不合理，要将它剔除，例如经过多重反射回来的数据、空中飞行物反射的数据等。再进行坐标转换，GPS接收、解算的均是WGS84坐标，而我们常用的一般为1954北京坐标，要将WGS84坐标转换成1954北京坐标，一般要联测3个以上的54坐标控制点，进行七参数坐标转换。高程系统一般与平面坐标同时处理，将大地高转换成正高。再进行航带合并，进行航飞时经常有多条航带，这些航带必须有（10%～20% ）的重叠度，要将不同航带的LIDAR原始数据进行合并，按一定的顺序合并成一个整体。

内业数据处理最重要的步骤是LIDAR数据的滤波。接着进行正射影像图和三维立体模型数据的生成，将已有的电力线数据、协议区数据、与电力线路路径有关的拟建、在建项目等相关数据输入，一起生成正射影像图和三维立体模型数据。

（3）电力线路路径优化。

以线路电气专业人员为主，在结构、测量、地质、水文等专业人员的配合下，进行电力线路的路径选择和优化。在LIDAR数据生成的正射影像图和三维立体模型图中，设计人员可以圖上看到全局的真实情况，能很容易地避开不利的因素，得到合理的线路路径。由于LIDAR技术能对隐秘地带进行测量，能比较准确获得每个塔位的位置和高程，设计人员在选择路径时，可考虑塔位的具体情况，在设计时能做到线中有位、线位结合，能得到最优的线路路径。

（4）确定线路杆塔位置。

在线路的路径基本确定以后，就可以生成线路的平断面图，也可以生成风偏点。美国的海拉瓦平台和我国的适普软件能较好的做到这些功能。由于LIDAR技术能穿透植被，建立的地面、地物高程模型比较准确，生成的平断面图也比较准确，线路设计人员可准确地确定杆塔位置。

（5）生成塔基断面图及三维立体模型

在杆塔位置确定以后，可以生成较准确的塔基断面图。设计人员可以检查每一个塔位的地理情况，如果不合适，还可以进行塔位的调整。如果找不到合适的塔位，还可以将线路路径进行调整。接着可制作带塔位的线路路径三维立体模型。

（6）外业定位放样。

确定了线路路径、杆塔位置以后，就可以利用RTK（实时动态）GPS进行外业定位放样。此阶段，要注意检核危险断面点、高等级电力线、通讯线、重要跨越、隐秘地带的高程、塔基断面等，如有出入的地方，要及时改正，并反馈给设计人员。

3.3 应用实例

在某500kV线路工程中，应用机载激光雷达技术进行优化选线，取得了预期的效果，与初设相比，缩短了线路长度1km，减少了交叉跨越3处，减少了占用森林、农田面积56亩，减少了房屋的拆迁4 000m2，节约了工程投资5 550 000元，切实达到了线路路径优化的目的。

4 LIDAR技术的误差分析

进行了LIDAR系统的完善校正以后，机载LIDAR的定位精度是由GPS的定位精度、姿态测量装置的量测精度、激光测距仪的测距精度和扫描角的测量精度决定的。系统中任何一种传感器精度的降低，都会导致系统定位精度的下降。误差公式如下。

在飞行高度<600m、地面坡度<30b的情况下，INS的姿态测量精度对测距误差的贡献程度要低于GPS的定位精度对测距误差的贡献程度。随着飞行高度、地面坡度的增加，姿态测量精度对测距误差的贡献也就逐渐增加而超过GPS定位精度对测距误差的贡献。因此，在低空飞行时主要是要设法提高GPS的定位精度，而高空飞行时则必须有一个高精度的姿态测量装置。

在某高压线路工程中，使用4台天宝GPS5700，用运五飞机进行航飞，利用芬兰公司的TerraSolid商业软件进行LIDAR数据处理，并对测量结果进行了精度分析，分析结果见表1。

由表1可以得出结论：用LIDAR技术进行电力线路的勘测设计技术上是可行的，精度是可以满足设计要求的（平地可控制在±0.3m左右，山区可控制在±0.6m左右）。

5 结语

利用LIDAR技术进行电力线路的勘测设计，只需做少量的地面控制点和少量的外业调绘工作，能提高隐秘地带测量的高程精度，缩短了勘测设计的周期，并且可以实现勘测设计一体化。可方便地进行电力线路工程优化选线，效率更高，操作更简便。利用LIDAR技术生成的三维场景，可以进行全线漫游及多视角观察，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，能更好地避让重要地物，更合理地选择线路路径和杆塔位置。

但LIDAR技术也有很多待完善的地方，如：LIDAR航飞的宽度比较窄，航飞的时间比较长，航飞的成本比较高，航飞管理也较复杂，空域申请较为困难；在植被很茂盛的地方，LIDAR技术的高程精度也会降低；LIDAR的数据处理软件偏少，处理过程复杂，复杂地物的提取还需要很多的人工干预；LIDAR点云的滤波技术还有待于进一步改进等。

参考文献

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