机载激光雷达技术在电力线路设计中的应用
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作者: 廖新育 窦延娟
摘要：概述了机载激光雷达系统的组成结构及其工作原理，在此基础上详细描述了机载激光雷达技术的特点和数据成果。结合我国电力建设发展现状详细介绍了激光雷达技术在电力线路设计中的应用优势，以中国涡轮研究院输变电工程线路设计项目的未来介绍了该技术在实际工程项目中的应用及带来的效益，最后客观分析该技术，并对该技术在电力线路设计中的应用进行了展望。
关键词：机载激光雷达；电力线路设计；工程应用
作者简介：廖新育（1977-），男，江西崇仁人，绵阳电业局绵阳奥瑞特电力设计咨询有限公司，工程师；窦延娟（1985-），女，河北平乡人，绵阳天眼激光科技有限公司，工程师。（四川 绵阳 621000）
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）36-0148-02
一、概述
机载激光雷达（Airborne Light Detection and Ranging，简称airborne LIDAR）技术集全球定位技术、惯性测量技术、激光扫描技术及高精度控制体系于一体，通过主动向目标发射激光快速获取目标的三维信息。它集中体现了激光测距技术、高精度动态载体姿态测量技术、高精度动态GPS 差分定位技术和计算机技术的迅速发展，是近十年来摄影测量与遥感领域革命性的成就之一，也是目前最先进的三维航空遥感技术。[1]机载激光雷达系统源于1988-1993年间德国斯图加特大学将激光雷达测量技术与POS系统集成一体形成的空载激光雷达测量系统（Arkerman-19）。由于其能穿透植被叶冠、探测细小目标、可快速获取数据等特点，自上世纪90年代以来机载激光雷达技术迅速发展，目前世界上已有多个国家生产机载激光雷达设备，该技术的应用也越来越广泛。机载激光雷达技术在电力线路设计中的应用最近在我国电力建设过程中也呈渐长趋势。
二、系统组成及工作原理
目前世界上主要的机载激光雷达系统主要有Riegl公司的LMS-Q系列，美国Leica公司的ALS系列，德国Toposys的FALCON系列和HARRIER系列，加拿大Optech公司的ALTM系列（地形测量）和SHOALS系列（水深探测）等，结构各不相同，但主要由POS系统、激光扫描仪、控制单元组成，很多机载激光雷达系统也将数码相机集成在一起。
POS系统主要由全球导航系统（GPS）和惯性测量单元（IMU）组成，其中GPS连同地面基站GPS接收机实时动态测量飞行平台的位置，一般采用载波相位差分GPS技术、单点定位技术解算GPS数据；IMU实时测量飞行过程中平台的姿态，与GPS数据融合计算扫描仪的位置和姿态。
机载激光扫描仪一般采用半导体二极管和半导体激光器，具有高性能、高重复频率、大功率、窄脉冲等特点，波长范围一般在800-1600nm，常见的扫描方式有钟摆式、旋转棱镜式和光纤扫描式三种。
由于激光扫描仪测得的数据没有光谱信息，在机载激光雷达系统上同时搭载高精度的数码相机，在激光扫描仪扫描地面的同时拍摄地面影像，通过后数据处理可以得到测区的正射影像，可为激光雷达点云数据处理提供影像参考信息，与激光点云数据相互补充，提供更丰富的地表信息。
机载激光雷达系统包括多个组成部分，在工作时各组成部分之间需要通过控制单元高度协同，如在接受到一个激光脉冲信号时就需要同时记录返回信号的时间标记，由于GPS接收机的频率和IMU、激光扫描仪的频率各不相同，位置测量、姿态测量和激光测距不可能严格同步，这就需要借助时间标记信息内插出接收激光脉冲时刻的位置和姿态。中心控制单元一般采用导航、定位和管理系统严格同步的方式记录IMU角速度、加速度增量以及GPS位置、激光扫描仪和数码相机数据。
机载激光雷达系统在工作时通过激光扫描仪主动向目标发射高频率的激光，接收反射回来的激光，同时记录时间，通过发射激光到接收激光之间的时间计算出激光扫描仪到目标的距离，结合POS系统获取的平台位置和姿态数据即可计算出目标的三维坐标。
三、技术特点
机载激光雷达的特点主要有：（1）可以24小时全天候工作：激光雷达是主动探测，不受光照的影响，可以全天候工作；（2）能够穿透植被的叶冠，同时测量地面点和非地面点：激光波长较短，可以穿透植被叶冠，形成多次回波，获取的数据信息更丰富；（3）能够探测细小目标物体：激光的波长较短，能够探测细小的目标，如电力线，而传统的摄影测量和雷达都不能够探测到细小的电力线；（4）获取数据速度快：相对于传统摄影测量，机载激光雷达可直接获取目标的三维坐标，数据获取速度大大提高；（5）获取数据精度较其他航测技术要高。
四、数据成果
应用机载激光雷达技术采集数据，能够得到更丰富的数据成果。通过对点云数据的滤波处理的，可以得到高精度的DEM和DSM。尤其在我国西部南疆沙漠、青藏高原和横断山脉地区，气候恶劣，交通不便，一般测量技术无法完成测量工作，而应用航空摄影测量技术沙漠地带很难选择控制点，森林区域无法穿透植被获取地面信息。采用机载激光雷达技术，能够突破这些局限性，得到西部区域的地形图；通过对同时获取影像的正射纠正及镶嵌处理可以得到高分辨率的DOM；通过DSM和DOM的融合可以得到真实三维场景图；通过对点云数据的分类处理运算，可以得到三维的房屋、树木等地物；通过对激光点云数据的进一步处理，还可以得到树的高度分布图。
五、机载激光雷达在电力线路设计方面的优势
超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，起建设速度也越来越高，目前其建设要求主要体现出以下特点。
（1）线路距离长，覆盖范围大；（2）安全可靠性要求高；（3）建设工期要求越来越短；（4）线路通道选择越来越困难。这些要求所使用的测量方法必须满足以下要求：数据获取周期短；数据精度高；能够获取大面积的三维地表数据；在通道狭窄地区地物分辨清晰。
机载激光激光雷达技术能够完全满足当前快速发展的电网建设对数据获取的要求，较传统测量技术相比，具有明显的技术优势，主要体现在以下方面。
（1）直接在数字高程模型、数字地面模型、数字正射影像等数据构建的高精度三维全景环境中进行快速、便捷的优化设计，包括线路路径、空间量测、风景带、农田、建筑物等的绕行、开挖方量自动计算、拆迁计算等，可以对选线区域的拆迁、工程量进行快速、准确、智能化评估、计算与分析，并做出最优决策。
（2）由于机载激光雷达获取的数据是三维的，能够在图上快捷方便地进行各种三维量测，满足电力线路设计对各种距离的苛刻要求，如树高、房高量测，安全距离量测等。
（3）通过机载激光雷达获取的DEM、DSM和DOM，可以实施获取选线区域的截面图，并能方便进行空间三维量测，减少了很多野外实地勘测工作，通过室内三维场景图选线与野外勘测的地形地物相差很小，大大减少了野外作业时间，提高了选线定位设计效率。
（4）成果数字化移交：应用机载激光雷达巡线获取的数据很容易建立真三维电网GIS系统。通过三维电网系统可以精确地掌握线路走廊内地物与线路的空间关系；设置植被基本生长参数，可模拟线路走廊内的植被作生长情况，模拟风险分析；还可以进行线路磁场干扰分析和安全范围分析，对不同电压等级的电网管理更科学。
（5）与传统摄影测量技术相比的优势：1）作业周期短，由于机载激光雷达技术不需要野外选择塔基点，极大地减少了野外控制测量及野外调绘的工作；2）能够直接获取目标的三维坐标，并可在数据成果中直接进行三维量测；3）用于电力线路优化设计的数据产品更加丰富，精度更高；4）优化线路路径，特别是可以精确的控制减少房屋跨越及房屋拆迁数量。
六、工程应用实例
在绵阳奥瑞特电力设计咨询有限公司总承包项目中国涡轮研究院输变电工程线路部分的电力选线工程中，我们采用动力三角翼飞机搭载的小型机载激光雷达系统进行数据的采集，通过后期快速的数据处理得到高精度的DEM和DOM，采用专门研发的选线软件进行电力线路的设计及优化，不仅提高了线路设计效率，缩短总承包周期，同时还在优化路径的过程中，减少线路转角次数，特别是大大减少房屋拆迁量（原传统选线需拆迁房屋7360平方米，现在需拆迁房屋940平方米，共减少6420平方米）。
在该工程应用中，我们根据地面GPS基站数据和机载GPS数据进行差分计算，得到高精度的定位结果，然后与IMU数据进行融合计算，得到LAS格式的激光点云数据。我们应用TerraSolid软件进行所有的数据后处理工作，包括点云数据的分类滤波（即从点云中分离出地面点、植被点、建筑物点、电力线点等）、DEM的提取、正射影像纠正及镶嵌、等高线的提取等，为电力线路勘测设计提供了丰富的地形数据产品。
在电力线路优化设计中，我们采用自主研发的三维电力线路设计软件，综合高分辨率的DOM和DSM/DEM得到真实场景图，可从不同视角观看设计线路周围地物状况，并且能够快速查看地形断面图、测量树高及房高，实现了在室内完成电力线路的设计优化工作。电力线路确定后，该三维电力线路设计软件能够半自动生成电力设计单位使用的平断面图，并且根据需要可自动生成风偏断面，便于线路设计人员进行排杆（塔）定位。图1即为在使用激光雷达技术后处理成的地形图上选定的电力线路路径。
七、结束语
应用机载激光雷达技术采集的数据进行电力线路选定线设计，数据获取速度快，数据产品丰富，包括高精度的DEM、DSM、高分辨率的DOM，同时还可将房屋、树木等地物自动提取出来，通过特定的三维电力选线软件，能够以不同视角查看真实三维场景图，对于线路的空间关系了解得更加明确，能够在室内完成电力线路的选定线设计及线路路径通道优化工作，同时能够准确地统计线路覆盖范围内的房屋及待砍伐植被。不足之处在于，在激光雷达采集的数据后处理过程中，由于低空飞行，每幅影像范围较小，所以总的测区范围内影像数量较大，导致在一定程度上影响了数据处理速度，这能通过后处理过程优化加以改善。但总的来说，在电力选线工程项目中应用激光雷达技术能够大幅度提高线路工程设计中的选定线工作效率，大大缩短设计周期，降低设计单位线路设计外业勘测成本，同时，极大程度地降低工程总投资。
参考文献：
[1]密威.机载激光雷达技术在电力线路勘测中的应用[J].科技咨询,2009,(19):5-8.
[2]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.
[3]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,2009,22(9):46-49.
[4]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉:武汉大学出版社,2007.
（责任编辑：麻剑飞）
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