机载激光雷达技术在电力工程中的应用研究

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(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

《电力发展“十三五”规划》明确指出，“十三五”期间我国将进一步提高“西电东送”输电通道、电网优化、配电网升级改造和智能电网等建设规模，电网建设成为规划热点。对于今后如此规模的电网建设的需求与挑战，如何科学、经济、高效地完成电网站点规划、电力线路优化、电网安全管理及维护等工作，已成为亟待解决的现实问题。

电网建设覆盖区域广阔，地理环境复杂，并对电网的安全性和稳定性有着极高的要求，因此需要利用不受地理条件限制、能够高效准确获取大范围地表三维空间坐标信息的测量方法，来实现其规划建设与运行管理工作。其中电力巡线是电网进行日常维护管理的首要工作，同时输电线路是否合理优化布设也将对其安全运行造成影响，因此电力巡线与电力选线工作的质量效率将直接影响电网建设运行管理效果[1]。

传统的电力巡(选)线多采用人工测绘手段，其高强度、长周期等特点严重增加了工作成本，降低了工作效率；航测与遥感方法虽克服了人工测量方法的劣势，但由于观测精度不高，限制了其在电力工程方面的应用。激光雷达技术(Light Detection and Ranging，LiDAR)利用从目标场区直接、快速获取的大量精确三维空间坐标的点云数据和高分辨率航空数码影像，通过数据处理和三维重建，将电网实际物理状态以及周边地形地物以三维形式表达，进而实现输电线路的智能选线、隐患排查、运行管理等工作，为更加智能与高效的电网设计和运行管理提供数据基础[2]。

鉴于机载LiDAR技术在电力巡(选)线方面所表现出的突出优势，国内外相关学者及机构相继展开了研究。其中，如何更为充分合理地利用LiDAR数据，从中深度挖掘所包含的信息，是当前机载LiDAR数据处理领域所面临的一个主要问题，同时也是当今学界的研究热点。本文在介绍机载LiDAR基本知识及其在电力巡(选)线方面的应用的基础上，重点围绕其数据处理中点云数据滤波、数据聚类及三维建模三个关键环节进行论述分析，并对其在电力工程方面的应用前景进行展望。

1 LiDAR

1.1 LiDAR系统

LiDAR系统包含有可主动发射激光脉冲信号的激光发射器，在发射信号的同时，利用全球定位系统(GPS)获取载体的实际空间位置[3]，借助惯性测量装置(IMU)测定扫描装置姿态参数，通过激光扫描仪(LS)测量载体与地面目标点间的距离[4]，从而获取地面目标点三维信息、激光回波强度信息及数码影像等多种空间信息[5]，并可快速生成数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)，为三维地理空间信息的研究提供丰富的数据来源[6]。

LiDAR系统按其搭载平台的不同，可分为便携、车载、机载以及星载LiDAR[7]。机载LiDAR可以直升机或无人机为搭载平台，其数据采集手段更为灵活，相较于便携和车载LiDAR其扫描场景范围更大，获取的三维空间信息更为丰富，并且比星载LiDAR具有更高的空间平面分辨率，因此在电力、交通、管线等多领域得到了广泛应用。

1.2 机载LiDAR技术

机载LiDAR搭载平台多样、飞行路线选择灵活，主动发射的激光脉冲信号不易受到光照条件和气象条件的影响，可快速、准确、大量获取地表三维空间信息以及强度信息、回波信息等多种数据信息，被广泛应用于城市三维可视化建模、森林资源调查、城市道路网的提取及电网巡(选)线等多个方面。尤其是在电力工程中，通过DSM和DEM的对比分析，便可了解电网周边植被和构(建)筑物的分布；利用DOM所包含的三维信息和色彩信息，可直观了解真实的地形地貌情况；借助生成的三维场景图，能直接高效地进行场景三维观看、查看断面等操作，在室内便可实现设计人员的优化选线作业以及巡检人员的电力巡线作业[4，8]，极大地降低了电网巡(选)线工作的强度和成本投入，提高了运检效率，具有较高的实际应用价值。

2 在电力工程中的应用

2.1 电力巡(选)线

随着近些年高分辨传感器和无人飞行器的快速发展，利用机载LiDAR技术进行电力巡(选)线成为国内外的研究热点，其作业基本流程如图1所示。国外对机载LiDAR技术的研究起步较早，技术也相对成熟，一些国家已建成较为完善的机载LiDAR电力选线、巡线系统，例如美国的Integrated Vegetation Management、PLS-CADD、TIMS系统，德国的FM-Profil、IHCM系统，以及葡萄牙的PLMI系统[9]，此外诸如德国GHA公司等已形成利用LiDAR技术进行电网的设计和维护的完整作业流程，并取得了良好成效。

我国在利用机载LiDAR技术进行电力巡(选)线方面也展开了积极探索，并取得了一定的成效。广西电力工业勘测设计院利用机载LiDAR技术实现了大新-南宁500 kV电力线路的优化选择，节约成本500余万元；重庆超高压电力局利用LiDAR技术建立了超高压(特高压)输电线走廊三维可视化管理监测系统[2]；国网湖南省电力公司对“基于‘无人机+精准激光三维数字模型’的地形复杂输变电工程选址(线)技术”进行了积极探索与研究。

利用机载LiDAR技术进行电力巡(选)线的研究，关键在于如何从海量的点云数据中快速精确地识别出电力线数据集，并从中区分单根电力线点集，这也是机载LiDAR数据处理的主要目的，其中点云

图1 机载LiDAR技术巡(选)线作业流程[10]

滤波、点云聚类以及三维重建是数据处理的三个关键环节。

2.2 点云滤波

利用机载LiDAR获取的点云数据是扫描场景内所有扫描点的集合，既包含地面点又包含非地面点，将非地面点进行剔除进而获得数字地面模型(DTM)的过程即为滤波。目前，国内外学者相继提出了多种滤波方法，主要包括形态学滤波算法、移动窗口滤波算法、迭代最小二乘滤波算法、基于地形坡度滤波算法、渐进加密三角网滤波算法等几种方法[11-12]。

对各种滤波方法进行分析对比可以发现，原理简单的滤波算法虽然可操作性强，但滤波精度不高；形态学滤波算法利用移动窗口和规则网格数据，提高了运算速率和滤波效果，但在内插时造成重要信息的损失；移动窗口滤波算法对复杂地形滤波效果较好，但自适应性较差；迭代最小二乘滤波算法虽然滤波精度较高并可剔除粗差，但对于地形较为复杂地区的滤波效率和效果都不理想；基于地形坡度滤波算法能够较好地保留地形倾斜特征，但滤波误差较大、自适应性较差；渐进加密三角网滤波算法的滤波效果较好，但容易造成地面点的误判，进而影响滤波精度[11，13]。

经典的与电力相关的LiDAR数据处理软件Terrasolid采用的就是渐进加密三角网滤波方式，但因其滤波方式存在缺陷，相关学者提出了多种改进方法。例如吴军等[14]提出通过融合形态学灰度重建方法，于双等[15]采用模糊C均值聚类方法来改善滤波效果，KANG X C等[16]提出通过多核并行计算来提高滤波效率，ZHU L C等[17]通过转换数据形式、欧同庚等[18]利用建立格网索引等手段来改善分类精细程度。

2.3 点云聚类

通过点云数据的滤波处理，只是将地面点与地物点进行了分离，为了进一步提取地物信息，需要对地物脚点进行分类。目前，已有的相关聚类方法包括：Hough变换方法、3D连通成分分析方法、电力线模型生长与合并方法。Hough变换方法对于电力线存在垂直、混合以及交错排列的情况，尤其是当多条电力导线垂直排列时，将无法分离单根电力线LiDAR点，难以满足多种构型的电力线点云聚类需求。模型生长与合并方法与3D连通成分分析方法均易受到粗差和LiDAR点云的不规则断裂的影响。

为了克服现有的点云聚类方法的缺点，提高电力线LiDAR点的识别精度、自动化程度和适用性，相关学者提出了多种改进算法。例如林祥国等[19]提出融合分层随机抽样方法，段敏燕[20]采用特征空间k-means聚类方法，赵传等[21]利用法向量密度聚类方法来提高LiDAR点云聚类效果，徐颖等[22]进行了一体化聚类滤波方法的探究。

2.4 三维重建

电力线三维重建是机载LiDAR数据处理的关键环节，实际上就是通过选取适当的模型的形式，对电力线的实际状态进行拟合，进而实现机载LiDAR数据的三维可视化表达。后续的研究主要集中在单档电力线、单根电力线的确定以及选择三维重建模型等几个方面。电力线三维重建的精度将直接影响后续各项应用的效果，因此三维重建的关键在于选取高精度的三维重建模型[23]。现行的多种电力线三维重建模型主要包括直线和悬链线结合的模型[24-26]、直线和拋物线结合的模型[27]、直线和二元多次多项式结合的模型[28]、多项式模型[29]等四种。

在这些电力线三维重建模型中，前三种模型通过两个关联部分分别表达电力线机载LiDAR点云在平面以及某一垂直于平面的铅垂面上的投影点，被称为“间接法”；后一种模型直接对电力线机载LiDAR点云进行三维表达，称为“直接法”。无论是“间接法”或是“直接法”，所选模型必将影响重建精度，悬链线模型相较于抛物线方程，不仅模型参数的求解更为复杂，三维重建精度反而较低[30]。此外，选用“间接法”进行三维重建时，铅垂面的选择也将影响重建精度，机载LiDAR点云数据本身的精度、复杂度和粗差均将影响三维重建精度[31-32]。

3 存在的问题

机载LiDAR技术相较于其他测量手段在电力工程方面的应用，尤其是在电力巡(选)线上具有较大的优势。利用机载LiDAR技术可以高效率、高精度地完成电力线路的数据采集和三维建模工作，实现电网信息的三维可视化管理。我国关于机载LiDAR技术在电力工程方面的应用尚处于起步阶段，尤其是关于机载LiDAR点云数据处理，虽然众多学者已开展了积极的研究与探索，但目前仍存在一些问题，包括如何提高复杂地形区域点云数据的滤波方法稳健性，如何实现全自动化的滤波分类，对于不同空间构型、不同复杂程度、存在不规则断裂的电力线点云聚类方法的研究，如何优化三维重建模型，提高三维重建精度等。

4 结语

利用机载LiDAR技术可以快速获取地面三维信息，极大地减少了外业工作需求，海量LiDAR点云数据充分体现了地形地貌分布细节，尤其是提高了植被隐蔽区的观测精度，生成的三维场景可进行全线多视角观察，为电网建设的勘测设计一体化以及电网的三维可视化规划管理创造了条件。虽然现阶段机载LiDAR数据处理方法还不够完善，设备成本相对高昂，但随着技术的不断进步以及方法的不断改进，机载LiDAR技术在电力工程中的应用将愈加广泛。