机载激光雷达(LiDAR)技术应用于电力行业

机载激光雷达(LiDAR)技术应用于电力行业

机载激光雷达(LiDAR)技术，是一种通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点的三维坐标，实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术。机载激光雷达系统集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备。其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术(数码相机)可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果，如高密度点云数据、高分辨率数字正射影像DOM、各种数字地形模型DTM、表面模型DSM、大比例尺地形图DLG等，并且利用激光LIDAR的高密度点云所形成的数字地表模型经过一定的加工可以制作真正在国土、规划和城市建设管理、以及数字城市建设中可以应用的3D电子沙盘。

目前，我国常规的电力巡线工作主要还是通过人工检查和光电吊舱航拍等方式来进行，前者巡检人员劳动量大，工作效率与可靠性较低，存在着无人区域/人员无法到达施工难度大、不确定因素多、风险偏高等问题；后者存在数据精度较低、无法准确测量线路本体、无法准确获取垂弧线下物体的安全距离，数据的再次利用率低等问题亦非良好的选择。

伴随着光电测量与电子信息技术的发展，激光雷达作为一种新型光电测量装备应运而生，激光雷达的出现为电力巡线提供了可行的最佳解决方案。并且伴随着我国超高压输电线路、变电站数字化、供电到户信息化智能化的要求不断提高，机载LiDAR再电网信息化智能化建设、变电站数字化、电力巡线等领域工程中得到了广泛的应用和客户认可。

机载LiDAR系统核心优势主要：

• 主动的测量方式：主动发射激光脉冲，不依赖于太阳光照，通过接收其回波信号进行三维数据的获取;

• 超便捷、无控制：与传统航测相比，地面控制工作大大减少，基本可以不需要实现埋设控制点进行控制测量，只需在测区附近地面已知点上安置一个或几个GPS基准站即可，可以大大提高作业速度和效率 ;

• 高精度：数据成果精度很高，根据机载LiDAR设备技术指标的差异而有所不同，一般平面精度可达 0.1～0.5 米，高程精度可达万分之一的飞行净空高度;

• 高密度：激光点云数据很密集，一般每平方米1～10个激光点，数据可达到很高的密度,高密集的点云数据能够真实反映地形地貌;对于特殊应用的低空飞行作业，其点密度可以达到每平方米50个点以上，如激光电力巡检作业;

• 高效率：飞行方案的设计以及后期成果制作大多由软件自动完成，从前期数据的获取到后期数据成果的生成很高效;

• 高分辨率：能同步获取高清晰的数码影像数据;

• 成果丰富、数据完整：采集获得的数据可以获得多种成果：DSM、DTM、DEM、DOM、DLG、专题图、三维模型等;

• 可以对危险及困难地区安全地实施远距离测量、高精度三维测量;

多回波：是目前唯一一种能够测定森林覆盖地区地面高程的可行技术手段。

电线路在线路设计阶段，需要在初步选定的线路走廊的一定宽度范围内进行高精度的三维测量，以进行线路路径和杆塔定位的优化，尽最大程度地降低建设投资。对于输电线路和部分高压线路在施工图设计阶段采用航空摄影。航空摄影测量相较于工测来说是一个大的突破，但是仍然存在线路平断面精度不高、外业工作量大、数据不直观、软件平台不易用等问题。

输电线路在线路设计阶段，需要在初步选定的线路走廊的一定宽度范围内进行高精度的三维测量，以进行线路路径和杆塔定位的优化，尽最大程度地降低建设投资。对于输电线路和部分高压线路在施工图设计阶段采用航空摄影。航空摄影测量相较于工测来说是一个大的突破，但是仍然存在线路平断面精度不高、外业工作量大、数据不直观、软件平台不易用等问题。

激光雷达测量技术高效率采集的线路走廊三维数据精度高、信息丰富、数据使用方便，并能大大减少外业工作量，提高了设计效率和成果质量，而且该技术的应用还可以大大的节约设计、勘测的费用、缩短作业周期，使设计更为合理，而且能将复杂的电力、电网信息快速实现网络化、可视化的管理，可以产生很好的经济效益及社会效益。

• 激光雷达可穿透植被、快速获取地表的三维信息，通过对机载激光雷达数据及其同时拍摄的影像数据进行一系列处理，可以得到高精度的DEM、DSM、DOM、等高线以及植被分类图等丰富的地表信息，结合DSM和DOM可得到真实的三维场景图，参考三维场景图进行电力选线，可从不同视角观看线路周围的地物、地貌信息，使设计人员在室内即可高效地完成图上选线及线路优化工作。

• 机载激光LIDAR利用系统所带的GPS数据以及IMU系统的精确空间位置信息，只需要外业的几个GPS基站布控点，进行GPS数据的差分误差解算，基本不需要再有大量的人工外业的相控点，这相对于传统航测方法来说，提高了很大的工作效率，并且节省了很大的工程设计成本。

• 估算需砍伐树木的面积：用激光雷达点云完成地面滤波后，参考地面点按不同高度对植被进行分类处理，得到全线范围内的植被分布区域。从植被分布区中可直观地判断需砍伐植被的位置，应用面积查询工具可估计需砍伐植被的面积，从而避免了不必要的植被砍伐，减少了建设输电线路对环境的破坏。

• 估算房屋拆迁数量及赔偿费用：房屋赔偿费用在输电线路建设成本中占有一部分比例，根据高分辨率的三维真实景观图，可清晰地查看设计线路走廊房屋状况，包括房屋建筑结构、层数及占地面积，根据这些细节可准备地计算需拆迁房屋数量，估算赔偿费用，使输电线路建设成本预算更科学。

• 实时获取断：面利用机载LIDAR测量技术，可以快速获取不同方向不同深度的断面图，可方便地观看设计电力线与周围地物在空间上的关系，如交叉线路在高程上的差异、设计线路与走廊范围内植被的高差等，一些诸如房高、树高、杆塔高等信息则利用激光点云数据自动提取，避免了传统航测作业中由内业人员逐点进行立体量测的繁琐过程，与航空摄影测量优化选线技术相比较，应用机载LIDAR优化选线技术进行平断面采集作业效率可以提高75%左右。至于平断面精度，绝大部分机载LIDAR断面点高程误差在0.5m以内，因此，机载激光LIDAR平断面精度不仅完全能够满足线路设计的需要而且远优于传统航测平断面精度。

• 机载LIDAR测量技术生产的DOM和DEM 生成的三维场景操作更方便，效果更逼真，可以方便进行全线漫游以及多视角观察，便于设计人员从整体上把握线路路径。

  
  

  
  

  
  

输电线路的巡检目的，是查找线路中的安全隐患和故障，即时进行检修，以尽最大限度地避免事故的发生，或以最高的效率恢复线路的正常运行，确保电网的安全运行。

机载 LIDAR 测量系统可以很好地解决空间定位和量测精度等问题，通过LIDAR设备，可以直接采集线路走廊高精度三维激光点云和高分辨率航空数码影像，进而获得高精度三维线路走廊地形、地貌、地物和线路设施设备空间信息，包括杆塔、挂线点位置、电线弧垂等。可以精确、快速地量测线路走廊地物(特别是房屋、树木、交叉跨越)到电线的距离、导线线间距离等是否满足安全运行要求。另外，高分辨率航空数码影像可以供巡检人员判读输电线路和通道安全隐患和异常。

根据《架空送电线路运行规程》，巡线时需要检测的安全距离主要包括：

• 导线在最大计算弧垂情况下与地面最小距离;

• 导线在最大计算风偏情况下与山坡、峭壁、岩石之间的最小净

• 空距离;

• 导线在最大计算弧垂情况下与建筑物之间的最小垂直距离;

• 边导线在最大计算风偏情况下与建筑物之间的最小水平距离;

• 导线在最大弧垂情况下与树木之间的垂直距离;

• 导线在最大风偏情况下与树木之间的净空距离;

• 导线到铁路、各等级公路、电车道、河流的垂直距离和水平距离;

• 导线到交叉跨越(电力线、通信线、管道和索道)的距离。

• 利用机载 LIDAR ，完全可以高精度、全面的实现运行规程中的这些安检的技术要求。系统一旦检测出小于安全距离的激光数据点，则自动汇总并输出图表，以便于运行维护人员进行野外现场校核检修。

地面危险点检测

植被危险点检测

线路走廊危险点体现

目前在电力系统广泛应用的主要是基于二维坐标的 GIS 系统，系统采用层的形式区分显示各种类型的地物元素即在不同的层中以点、线、面等符号表征不同类型的实际物体。电网二维GIS系统已由技术研究阶段进入大规模使用阶段，功能日益完善，为输电、变电、配电、电厂、供电、用电等电力各个环节的管理、运行、维护、辅助设计等提供了支撑。但二维GIS系统简单的几何图形加标注的表现形式并不能真正地反映线路、杆塔等电力设备设施周围的地形、地貌，不能为管理、检修人员提供一个真实的环境信息;杆塔、导地线弧垂等的三维位置关系到线路安全，二维GIS不能直观地表达这些内容。 借助GIS和三维可视化技术，将输配电线路、供用电设备及地理环境以图文并茂的形式准确、直观地展现出来，为电力企业的输配电线路、设备的规划、设计、维护、管理、调度、分析、决策提供信息基础和高效手段。

机载LIDAR测量系统是一种能同时快速获取高分辨率影像数据和高精度激光点云数据的新型三维空间数据采集手段，是目前唯一可以同时准确恢复线路三维走廊地形、地貌、线路杆塔位置形状、线路弧垂的快速测绘手段，并且能精确地匹配实际的三维空间坐标。

输电线路三维可视化管理平台主要功能：

• 电网辖区大范围影像、地理数据二维浏览，如放大、缩小、平移、漫游等;

• 电网辖区大范围地形、地貌三维浏览;

• 线路走廊(地形、跨越等)、输电线路设施、设备三维浏览，应详细到杆塔、绝缘子、间隔棒等设备的模拟显示;

• 绕某一杆塔自动旋转多视角观察;

• 综合管理各种空间数据，包括DOM、DEM、激光点云、矢量图形等;

• 海量激光点云的展示，与地形的叠加;

• 可以基于地面模型，也可以基于激光点云，随意进行地形断面提取和显示;

• 台帐资料录入、查询、统计和报表汇总;

• 线路走廊地物精确空间位置和属性管理;

• 基础杆塔、房屋、树木三维模型管理;

• 铁塔设计图纸管理;

• 弧垂自动计算显示;

• 沿线自动飞行;

• 飞行路线定制和自动漫游;

• 二维、三维量测;

• 视频监控、实时反应线路周边环境;

• 雷击点显示和信息管理。

线路走廊三维可视化

要满足电力能源输送的持续增长需求，最明显的解决方案是建设新输电线路。由于好的线路通道已经被占据，路径选取越来越困难，对环境的破坏会越来越严重，费用大大提高。因此，为了提高电网输电能力，提高现有线路的输电能力成为一种可行手段，即提高电线的载流容量。

利用激光 LIDAR 测量技术快速扫描并恢复线路路走廊精确的地形、地物三维空间位置，并且能够实时记录作业时的环境变量信息，再利用计算机模拟提高荷载后的弧垂，进行弧垂对地距离安全检测，可以为提高电线载流容量提供依据。基于这种方法，可以计算出哪些档可以满足新载荷下能安全运行、哪些档不能。对不能满足的档，可以选择进行杆塔位置移动、更新部分设备、或者清楚走廊、砍伐树木等加以解决。

线路增容模拟分析

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