基于机载激光雷达的高精度电力巡线测量

林昀，吴敦，李丹农

(宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315042)

1 引言

高压送电线路是国家主干电网的重要组成部分，随着国家电力建设的加速发展，其铺设距离长、覆盖范围广、工期时间紧，日常运营所要求的安全保障也越来越高。因此，常规线路巡线要求所使用的测量技术与方法必须同时具备能够获取大范围地表三维空间坐标、数学精度高、数据生产周期短等特点。

机载激光雷达，即Lidar(Light Detection And Ranging)技术，自上世纪60年代开始研究以来，已有40余年的发展历史。国内外对激光雷达技术的应用日趋成熟，广泛应用于森林调查、资源勘探、城市规划、农业开发、环境监测、防震减灾、测绘和军事等方面。本文通过机载激光雷达技术获取电力走廊的地形地貌与3D产品，从而快速重构地表三维仿真模型，结合GIS系统的数据管理与对象描述能力，能够完全适应宁波宁海地区500 kV超高压巡线的数学精度要求与安全保障规范，实现快速高效的电力巡线［1，3］。

2 巡线测量关键技术研究

2.1 电力巡线面临的问题

宁海县位于宁波南部，地处象山湾与三门湾之间，是四明山脉与天台山脉的交汇处，辖境范围内山区半山区分布广阔，海拔变化剧烈，植被茂盛，森林覆盖率达58%。随着宁海经济的快速发展，电力需求不断增长，高电压、大功率、长距离输电线路越建越多，有不少重要线路走廊远离城镇和交通干线，穿越的地理环境复杂，存在人工不能到达的巡线“盲区”。

为了防止和杜绝电网安全事故的发生，电网运行维护部门每年都需要投入大量的人力、物力和财力对输电线路进行巡检。目前的直升机巡线中，多搭载红外线摄影仪、数码照相机、高分辨望远镜等设备，对途经线路进行观测。这些方法空间定位精度不高，获得的多种数据处理分散繁琐，无法集成。更重要的是，这些方法都很难精确判断线路走廊地物到所巡线路的空间距离，也就无法避免因距离不足而引起的线路闪络，造成重大安全隐患［2，5］。因此，现行的输电线路常规维护方法已不能适应现代化电网的管理和发展的需求，超高压电网和特高压电网呼唤先进、科学、高效的电力巡线方式。

2.2 机载激光雷达原理

机载激光雷达是将激光脉冲测距仪稳固设置在飞行器上，通过纪录激光脉冲从单束窄带激光器发射到地面、经反射后为激光能量接收器所接受的时间差，精确计算发射点到地面脚点之间的斜距，再由INS和GPS获取发射点外方位元素和绝对空间坐标位置，从而获取每个反射点空间位置信息［3，4］。

图1 激光雷达测量原理图示

机载激光雷达成套设备主要由激光扫描测距系统(Lighting Scanner)、动态全球定位系统(GPS)、空间姿态测量系统(IMU)、数码相机(Digital Camera)和飞行控制器(Aero Controller)几个部分组成［4］。它能够直接获取高密度、高精度的地表三维空间点坐标，同时受光照、气象条件影响不大，具有一定穿透植被遮蔽的能力。能够适应多种类型的飞机搭载平台，外业工作量很少，不需要大量地面控制点。DEM、DOM、DSM和DTM等后续产品的生产速度快，可继续作为三维可视化平台地物建模的数据源。

图2 激光雷达成套集成设备

2.3 三维仿真GIS平台建设

为了进行可视化的巡线，需要构建可计算信息的沉浸式交互环境，以真实的地理空间位置再现电力走廊的现状景观(包括电力线路、地形地貌与周边建筑)。模型中的相关地物，都具有准确的空间地理坐标，可以进行量测。同时单纯的可视表现并不能完全满足电力应用的需求。在空间数据库的支持下，三维模型的几何体可与其对应的属性集成并存储于空间数据库中，从而可提供数据的查询与各种分析功能，使其可以进行真实可靠的电力巡线工作。

3 激光雷达电力巡线应用

3.1 外业数据采集

依据宁海巡线工作的需要，配合电力部门的同步基础巡线工作，将激光雷达设备搭载于AS350“松鼠”直升机上。在航飞前需要根据电力线路的走向设计航飞路线和航高，确保不会因为高程起伏过大导致数据缺失或点云密度差异过大。同时，在线路附近10 km区域内和飞机起降点附近的已知高等级已知点上均匀设置数个GPS基站，以便航飞时同步观测，获取精确空间三维坐标。为保证不影响激光点云的采集质量，在航飞时可按需要利用典型的特征地物，每隔一段时间对IMU、数码相机与激光扫描仪进行检校。

图3 激光雷达设备的直升机安装和航飞数据采集

3.2 数据预处理

数据预处理是指将原始的激光数据进行定位、定向、校准和坐标转换的过程。对航飞过程中随激光点云数据同步采集的GPS数据、IMU数据和系统所提供的各类参数等进行联合解算，形成联合定位信息，获取每一个激光点的空间坐标和每张数码影像的外方位元素。进行空间纠正后的点云数据已经可以分辨出地物，形成DSM。图5中可以清晰地分辨出变电站、电力线、高压铁塔、山脉等地物。

图4 按高程值显示的激光点云原始数据

3.3 点云分类与DEM提取

根据电力巡线的需求，对点云进行面向应用的分类。需要区分的类比有:地表点、低矮植被、高大植被、被巡电力线路、高压铁塔、被跨越线路、植被、水体等。激光点云的数据量很大，需要对其先进行分割，适应于现有的计算机硬件条件。手工提取那些无法根据回波信息、高程点及周边点关系区分的地物类别，如高压铁塔、被跨越线路、被巡电力线路等。对其余点云可根据已有的算法进行粗略的自动分类，剔除大部分错误点。分类主要的问题在于地表植被、人工建筑物和地表点的分离，可通过构筑不规则三角网反复修正和判断，成功提取后的地表点云即为高精度的DEM。精细分类后的DEM成果可先根据电力应用的需求进行抽稀。

图5 激光点云自动分类流程

3.4 DOM生成

已经联合解算出的一系列外方位元素精度不足以满足电力走廊地物判断的精度要求，因此需要进行修正。在每幅影像上寻找至少8对同名点，进行光束法平差空三，不断剔除那些匹配错误的点，对外方位元素进行修正，获得满意的结果。结合已经生成的DEM，可以获得高分辨正射影像。这可以初步观察电力走廊附近的地物分布，以便对有危险的区域进行重点排查。

图6 正射影像效果图

3.5 三维GIS系统集成

为了建立三维仿真可视化巡线管理平台，需要根据激光点云DSM与已知电力资产信息建立的地物真实三维模型，地物表面纹理的来源一般是同步获取的数码影像。相关地物模型均为独立构建，在工程坐标系下具有真实空间三维坐标，能够准确反映地物之间的拓扑关系与地理信息。利用数字地球技术，在预搭建的三维GIS平台中导入DOM和 DEM，并分离出DTM，在其上放置所有的模型并进行矢量化，在数据库中导入各类资产管理信息，最终形成三维可视化电力巡线与资产管理平台。

图7 三维可视化平台中的空间构建

3.6 危险点排查与电力巡线

为了达到电力巡线的目标，根据《架空送电线路运行规程》，精确地在三维可视化平台中提取巡线关键信息，分析所采集数据的特点，实现人机交互式的危险点排查，自动提取电力走廊危险点、危险面和危险空间，标识或预测危险区域，最终保障电力运营安全［6］，［7］。可以采用的方案是在三维可视化平台中，以电力走廊内的关键对象——电力线与电力塔为核心，形成柱状探查空间，同时标识高大植被、高层建筑、穿越线路等关注地物，分析相互之间的拓扑关系与相互作用，从而提示危险排查区域;同时植入植被生长模型，电线悬垂温度、风力模型，冰挂模拟模型等，对危险点进行预测分析。

图8中是通过激光点云建立三维可视化巡线管理平台，铁塔、绝缘子串、电缆的类型均与实际相符合，根据这些已知的电力资产信息建立资产管理数据库，增加三维模型的拓扑关系和详细资产信息，实现电力资产的三维可视化管理。采用空间分析的方法测量电缆与周边地物的间距，从而达到排除危险点的目的。

图8 三维可视化平台中的空间分析

4 结论与展望

成熟、可靠、高精度、高密度的激光雷达测量技术为实现获取地表高精度三维信息，快速提取高压送电线路及其周边敏感地物，排查线路危险点提供了极其优秀的测绘保障，并且可以极大地降低电力部门的巡线预算，减轻劳动强度，节约作业时间，提高工作效率，并在此基础上全面建设三维可视化电力资产管理平台，为数字电网乃至智能电网提供了强有力的测绘支持。机载激光雷达技术必将在电力线路安全保障与勘测设计中逐渐普及，并发挥越来越重要的作用。

［1］王俊刚，李新科.机载激光雷达技术在电网工程建设中的应用［J］.广东电力，2009(9):46～49

［2］陈云，丁思磊，王铁军.基于TerraSolid软件的Lidar数据处理初探［J］.测绘与空间地理信息，2009(8):40～42

［3］徐祖舰，王滋政，阳锋.机载激光雷达测量技术及工程应用实践［M］.武汉:武汉大学出版社，2009

［4］舒宁.激光成像［M］.武汉:武汉大学出版社，2005

［5］蒙祥达，李新科.机载激光雷达技术及其在电力工程中的应用［J］.广西电业，2007(9):81～83

［6］GB50293－1999.城市电力规划规范［S］.

［7］DL/T 5219－2005.架空送电线路基础设计技术规定［S］.