机载激光雷达技术在输电线路设计中的应用

机载激光雷达技术在输电线路设计中的应用

焦,旺 ,焦小建 ,程 ,坤

陕西省水利电力勘测设计研究院  陕西西安  710001

摘要：随着技术的进步发展和设备的更新迭代，能够进行主动式测量的机载激光雷达技术越来越受到关注。输电线路工程地形复杂、跨度较长、作业环境受限、工期紧张，对机载激光数据获取精度及效率要求较高，而机载激光雷达数据精度主要依赖于轨迹解算精度，因此，该技术被广泛应用于电力工程。本文分析其应用于输电线路测量的优势，并对激光雷达数据进行精度分析，实践表明机载激光雷达系统精度，满足电力线路设计要求，取得了良好的效果。

关键词：机载激光雷达；输电线路设计；应用

中图分类号：TM75  文献标识码：A

引言

首先，机载激光雷达扫描作业能够同时搭载航空摄影像机，在满足激光数据采集的基础上还能补充影像数据; 其次，机载激光雷达技术属于主动式测量，不同于航空摄影的被动式测量，其对光照条件要求较低; 最后，激光点云精度高，不会受限于地形条件。对于电力工程而言，高精度的地形数据是开展一系列工程建设的前提条件。同时，一般电力工程所覆盖区域大多地形复杂、植被覆盖较多，而激光点云数据不受地形影响，且激光束由于其物理特性能够穿透树冠获取地面数据，因此，激光雷达技术能够广泛应用于电力工程中。

1 机载激光雷达的应用优势

1.1 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 三维量测

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。

1.3 实时获取断面图

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 机载激光雷达技术在输电线路设计中的应用

2.1 工程概况

本文以某±800kV特高压直流输电工程项目为依托，选取该项目第13包为试验区，线路长度约86．42km，航摄长度约112km。沿线不同地形所占比例为平地14．39%，丘陵地47．05%，一般山地37．01%，高山地1．55%。在112km左右的线路段同时布设首(JZ01)、中(K－65)、尾(JZ02)共3个地面基站，以便于后期进行单基站、双基站及PPP3种IMU/GNSS解算方式的研究。其中，单基站解算采用K－65，双基站解算采用K－65及JZ02、JZ01作为备选基站。

2.2 系统构成

巡检系统主要由巡检机器人、工厂局域网、无线路由器和中控远程计算机组成。机器人用激光雷达采集周边信息透传到WiFi模块，点云数据通过无线路由器寻找中控计算机IP，将点云数据发送到上位机软件中，待上位机后期处理。巡检机器人作为系统的执行机构，部署在现场完成日常巡检、网络通信和数据处理等功能，搭载海康威视网络摄像机、思岚激光雷达、12V直流电动机、STM32F103控制板、里程计等巡检所需传感器。

2.3 点云特征

电力线属于架空对象，相对高度取决于所在地形。由于地形起伏较大，导致电力线的相对高度远大于场景中其他地物高度。若地形平坦，则电力线相对高度略低于杆塔。杆塔、高大乔木和建（构）筑物等地物属于非架空对象，相对高度取决于自身高度，不受地形起伏干扰。在垂直分布方面，电力线点云在垂直空间分布多为不连续，杆塔、植被和建筑物等则反之，采用垂直连续分布系数fV表示垂直分布特征（fV的定义如式（1），其中，ΔH是单元格的相对高度；基于单元格内点的Z坐标进行欧式聚类，hi为不同类簇在Z轴上的投影长度）。

（1）

2.3 电力线识别

粒子会在不同电力线间的空隙发生移动，为避免此种粒子移动发生，粒子在重力下移动后的内力需考虑，此时，粒子将在网格中并回到初始位置。由于粒子的移动方向被限制，因此，粒子之间相互连接的弹簧两端不同高度的粒子会移动到同一水平面。如果弹簧两端的粒子都能移动，将两端的粒子沿相反方向移动相同的位移量，若弹簧一端的粒子不可移动，则移动另外一端的粒子。若弹簧两端的粒子高度相同，则粒子不发生移动。粒子移动的位移量按下式计算：

（2）

式中，d为粒子运动的位移量；b为标示符，取值为0和1，代表粒子可移动性；p0是粒子移动前的位置；pi为粒子最终位置；n为竖直方向的矢量。粒子的重复运动，可通过对参量刚度进行设置用于描述粒子重复运动的次数。整个过程如下：设置布料分辨率，将布料粒子和激光雷达点云进行水平投影，在投影面内找到布料粒子最近的激光雷达点作为粒子的对应点，用P表示，其投影前的高程为HP，代表布料能下降到的最低高度。记粒子移动中的高度为H，通过迭代计算H和HP，如果H≤HP，则将粒子移到布料能下降到的最低高度HP，并设置粒子可移动性为不可移动。通过计算可得激光点云与粒子间的高度差，如果小于设定的阈值hth，则点云为识别出的同一高度附近的电力线点，并从待处理电力线中移除，作为进一步相近高度单个电力线提取的数据源，此过程不断迭代，直到达到设定电力线的不同高度数。

2.4 EKF定位导航

模型预测控制是车辆自主导航的常用算法，多用于自动驾驶领域，此算法是基于模型做出预测并迅速决策的控制方式，其鲁棒性强，模型误差和环境干扰也能及时矫正，但计算量较大，采样周期长，不能很好解决非线性问题，不符合时变、实时应用系统的需求。EKF是解决定位导航问题的一种经典算法，应用于对非线性系统的估计，是目前机器人自主导航比较常用的方法，主要包括状态预测、状态更新等环节。巡检机器人在工作过程中，当前时刻的位置信息需要通过上一个时刻的位置信息来预测，并通过激光雷达观测当前时刻的环境信息，同步更新机器人的状态信息，如此迭代运行。

3 结束语

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。

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