机载激光雷达技术在输电线路设计中的应用

尹亚东

（中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北 石家庄 050031）

随着国民经济的快速发展，用电需求不断增加，对电网建设的需求日益强烈，电网工程具有覆盖区域广阔，地理环境复杂等特点，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，实现快速、精确的输电线路勘测设计[1]。机载激光雷达测量系统集激光扫描、全球定位系统和惯性导航系统等高新技术于一体，由飞行平台、激光扫描仪、GNSS设备、惯导设备、控制单元等组成，通过向被测目标发射一束激光，然后测量反射或散射信号到达发射机的时间、信号强弱程度和频率变化等参数，从而确定被测目标的距离、运动速度以及方位，获取被测目标点云数据。利用机载激光雷达进行输电线路设计，相比传统摄影测量技术，不受天气、光照、植被等条件制约，能够快速、低成本、高精度地获取三维地形地貌、航空数码影像等空间地理信息数据。

1 激光雷达在电力线路勘测设计上的优势

机载激光雷达测量系统以飞机为飞行载体，基于激光测距、GNSS定位、惯导测量及航空摄影测量原理，快速、低成本、高精度的获取三维地形地貌、航空数码影像等空间地理信息数据。系统示意如图1所示。

图1 机载激光雷达系统示意

机载激光雷达系统获取的点云数据能够穿透植被的叶冠，相比传统摄影测量技术，数据获取更迅速，绝对精度更高。

激光雷达可穿透植被，快速获取地表的三维信息。激光雷达获取的点云数据经过内业处理可以得到DEM、DSM 数据，通过点云分类可以将地物分类成地面、建筑物、植被等类别，数码相机拍摄的影像可以得到高分辨率DOM[2]，将这些数据叠加在一起，设计人员可以通过计算机搭建的大场景进行数字化选线。路径更加优化合理。主要应用优势有以下5个方面。

1.1 主动获取数据、作业条件要求低

激光雷达是主动发射激光，接收地物回波而获取地表信息，作业时间不受限制，可以全天候作业，相比于传统摄影测量对天气要求更低，作业有效时长更长。LIDAR 集成POS系统，外业布设像控点数量少，提高了外业作业效率。

相比传统摄影测量通过立体采集地面点高程，激光点云可以多次回波穿透植被，获取地面信息，同时也可以获取树冠高程，得到树木高度。

1.2 精度较高、处理速度快

LIDAR 系统成果数据是三维点云数据，目前点云数据处理软件很成熟，使用计算机自动进行点云去噪、滤波后，能够直接获取DEM 数据，同时基于三维点云的建模与空间分析等也能快速实现[3]。

1.3 三维场景路径优化

结合DSM、DEM、DOM 构建高分辨率的三维场景，能够让设计人员在计算机上看到真实的线路走廊，对村落、文物区、林区进行合理避让，避开不良地形条件，优化路径长度，提高线路经济性并且降低对生态环境影响。

1.4 三维量测

经过点云分类后的点云数据包括地面层，植被层，建筑物层等，能够在图上快捷进行三维量测。通过三维量测，可以估计林木高度，林木面积，优化跨越塔塔高，设计出更加合理的塔高，同时避免林木砍伐。

线路走廊的房屋可以通过三维量测，得到与线路的三维空间距离，更加合理的避让房屋及更加精确计算拆迁房屋面积，使线路经济更优。

1.5 实时获取断面图

通过DSM 和DOM 搭建三维场景。可以迅速、高精度的获取线路路径断面图，相比传统航空摄影效率高、精度高，提高了选线定位设计效率。

利用高精度点云构成的DEM，可以对选线阶段初排塔位，提取塔基地形图，结构专业在内业初判塔基合理性，在施工图阶段可以工测一部分点，结合地面点云，生成塔基地形图，节省作业时间，减少劳动强度。

2 机载激光雷达在线路施工中的应用

2.1 外业航飞

（1）制定飞行计划，包括航带划分、航向重叠度、旁向重叠度、激光波长、扫描角、航高、相机拍照间隔等内容。

（2）架设地面基准站，基准站要均匀分布，避开水域、房屋、高压线等，保证航飞时飞机航线上每30 k m 内至少有一个基站[4]。

2.2 数据内业处理

首先将激光扫描测量数据、GPS测量数据、飞行姿态数据、航拍数据进行联合处理；然后对这些数据进行分类、去噪、滤波，生成正射影像图和三维立体模型[5]。

2.3 电力线路路径优化

以三维正射影像数据为基础进行内业线路优化，设计人员可以在图上看到全局真实情况，避开不利因素，线路路径基本确定后，输出平断面数据，同时生成风偏点。杆塔位置确定后，可以生成较准确的塔基断面图，如果不合适，进行塔位调整，如果找不到合适塔位，对线路路径进行调整。同时还可对线路各种指标进行统计。

3 工程应用实例

本文结合“营子-兴隆东220 k V 线路工程”实例，进行精度分析，本线路工程全线位于山区，采用动力三角翼飞行平台搭载机载激光雷达系统完成数据采集。

本工程中，利用激光雷达数据、基准站、惯导数据得到原始激光点云，利用数字绿土软件对点云进行地面点的滤波和植被分类，得到1 m 采样间隔的DEM 和DSM，利用UA Master软件对影像进行正射纠正及镶嵌，得到0.2 m 分辨率的DOM。激光雷达作业方式与传统作业方式获取的数据比较如下。

3.1 塔基地形单点精度分析

首先比较单点高程的精度情况。将工程测量的结果（GPS测量成果，将其结果作为真实值）同激光雷达数据（单点的高程根据DEM 内插获得，内插方式采用双线性内插）相比较，得到高程残差，计算其中误差见表1。

经过滤波处理的点云密度为1～2个每平方米，与RTK 实测数据差值在-50～50 c m，内业可以对拟选塔位模拟塔基地形图供结构人员使用，内业预判塔位合理性，测量人员外业只需实测塔位中心桩，4个塔腿位置，与以往工程中RTK 实测20 m×20 m 大大减少了外业劳动强度，提高了作业效率。

3.2 断面精度分析

对点云提取断面与工测断面经过线型计算求得差值，经过计算本工程参与检测断面点高程中误差为0.28 m，符合GB 50026-2020《工程测量标准》要求。激光雷达数据同工程测量数据基本吻合，激光雷达数据测得的断面图精度满足线路断面要求见表2。

表2 断面精度

3.3 线高测量精度分析

新建电力线，导线激光反射面较好点云数据能够拟合出线型。多年老线，导线反射面较差，难以返回脉冲激光，无法得到连续点云。10 k V 及以下电力线，地上通信线导线截面较小，无法返回脉冲激光，航测内业无法辨识。可辨识出的电力线高程见表3。

表3 线高测量

经过计算，本工程中电力线点云拟合高程与工测高程中误差为0.18 m，可满足电力选线精度要求。完成选线工作后，利用点云数据解析跨越点线高，供线路电气专业排塔使用，与以往工程需到现场实测线高相比节省了时间，提高了作业效率。

4 结论

利用机载激光雷达系统进行电力线路设计，只需少量的地面控制点和外业调绘工作，就能获取高精度的地面点三维坐标。设计人员可以在三维场景进行全线漫游，对地物进行三维量测分析，能够更好的避让重要地物，更合理的选择线路路径和塔位，提高全线经济指标，缩短了勘测设计周期。