林昀，吳敦，李丹農(nóng)

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

高壓送電線路是國(guó)家主干電網(wǎng)的重要組成部分，隨著國(guó)家電力建設(shè)的加速發(fā)展，其鋪設(shè)距離長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、工期時(shí)間緊，日常運(yùn)營(yíng)所要求的安全保障也越來(lái)越高。因此，常規(guī)線路巡線要求所使用的測(cè)量技術(shù)與方法必須同時(shí)具備能夠獲取大范圍地表三維空間坐標(biāo)、數(shù)學(xué)精度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)。

機(jī)載激光雷達(dá)，即Lidar(Light Detection And Ranging)技術(shù)，自上世紀(jì)60年代開(kāi)始研究以來(lái)，已有40余年的發(fā)展歷史。國(guó)內(nèi)外對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟，廣泛應(yīng)用于森林調(diào)查、資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防震減災(zāi)、測(cè)繪和軍事等方面。本文通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取電力走廊的地形地貌與3D產(chǎn)品，從而快速重構(gòu)地表三維仿真模型，結(jié)合GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與對(duì)象描述能力，能夠完全適應(yīng)寧波寧海地區(qū)500 kV超高壓巡線的數(shù)學(xué)精度要求與安全保障規(guī)范，實(shí)現(xiàn)快速高效的電力巡線［1，3］。

2 巡線測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 電力巡線面臨的問(wèn)題

寧?？h位于寧波南部，地處象山灣與三門(mén)灣之間，是四明山脈與天臺(tái)山脈的交匯處，轄境范圍內(nèi)山區(qū)半山區(qū)分布廣闊，海拔變化劇烈，植被茂盛，森林覆蓋率達(dá)58%。隨著寧海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求不斷增長(zhǎng)，高電壓、大功率、長(zhǎng)距離輸電線路越建越多，有不少重要線路走廊遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和交通干線，穿越的地理環(huán)境復(fù)雜，存在人工不能到達(dá)的巡線“盲區(qū)”。

為了防止和杜絕電網(wǎng)安全事故的發(fā)生，電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)部門(mén)每年都需要投入大量的人力、物力和財(cái)力對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢。目前的直升機(jī)巡線中，多搭載紅外線攝影儀、數(shù)碼照相機(jī)、高分辨望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，對(duì)途經(jīng)線路進(jìn)行觀測(cè)。這些方法空間定位精度不高，獲得的多種數(shù)據(jù)處理分散繁瑣，無(wú)法集成。更重要的是，這些方法都很難精確判斷線路走廊地物到所巡線路的空間距離，也就無(wú)法避免因距離不足而引起的線路閃絡(luò)，造成重大安全隱患［2，5］。因此，現(xiàn)行的輸電線路常規(guī)維護(hù)方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代化電網(wǎng)的管理和發(fā)展的需求，超高壓電網(wǎng)和特高壓電網(wǎng)呼喚先進(jìn)、科學(xué)、高效的電力巡線方式。

2.2 機(jī)載激光雷達(dá)原理

機(jī)載激光雷達(dá)是將激光脈沖測(cè)距儀穩(wěn)固設(shè)置在飛行器上，通過(guò)紀(jì)錄激光脈沖從單束窄帶激光器發(fā)射到地面、經(jīng)反射后為激光能量接收器所接受的時(shí)間差，精確計(jì)算發(fā)射點(diǎn)到地面腳點(diǎn)之間的斜距，再由INS和GPS獲取發(fā)射點(diǎn)外方位元素和絕對(duì)空間坐標(biāo)位置，從而獲取每個(gè)反射點(diǎn)空間位置信息［3，4］。

圖1 激光雷達(dá)測(cè)量原理圖示

機(jī)載激光雷達(dá)成套設(shè)備主要由激光掃描測(cè)距系統(tǒng)(Lighting Scanner)、動(dòng)態(tài)全球定位系統(tǒng)(GPS)、空間姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(IMU)、數(shù)碼相機(jī)(Digital Camera)和飛行控制器(Aero Controller)幾個(gè)部分組成［4］。它能夠直接獲取高密度、高精度的地表三維空間點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)受光照、氣象條件影響不大，具有一定穿透植被遮蔽的能力。能夠適應(yīng)多種類(lèi)型的飛機(jī)搭載平臺(tái)，外業(yè)工作量很少，不需要大量地面控制點(diǎn)。DEM、DOM、DSM和DTM等后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)速度快，可繼續(xù)作為三維可視化平臺(tái)地物建模的數(shù)據(jù)源。

圖2 激光雷達(dá)成套集成設(shè)備

2.3 三維仿真GIS平臺(tái)建設(shè)

為了進(jìn)行可視化的巡線，需要構(gòu)建可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，以真實(shí)的地理空間位置再現(xiàn)電力走廊的現(xiàn)狀景觀(包括電力線路、地形地貌與周邊建筑)。模型中的相關(guān)地物，都具有準(zhǔn)確的空間地理坐標(biāo)，可以進(jìn)行量測(cè)。同時(shí)單純的可視表現(xiàn)并不能完全滿(mǎn)足電力應(yīng)用的需求。在空間數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，三維模型的幾何體可與其對(duì)應(yīng)的屬性集成并存儲(chǔ)于空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而可提供數(shù)據(jù)的查詢(xún)與各種分析功能，使其可以進(jìn)行真實(shí)可靠的電力巡線工作。

3 激光雷達(dá)電力巡線應(yīng)用

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

依據(jù)寧海巡線工作的需要，配合電力部門(mén)的同步基礎(chǔ)巡線工作，將激光雷達(dá)設(shè)備搭載于AS350“松鼠”直升機(jī)上。在航飛前需要根據(jù)電力線路的走向設(shè)計(jì)航飛路線和航高，確保不會(huì)因?yàn)楦叱唐鸱^(guò)大導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失或點(diǎn)云密度差異過(guò)大。同時(shí)，在線路附近10 km區(qū)域內(nèi)和飛機(jī)起降點(diǎn)附近的已知高等級(jí)已知點(diǎn)上均勻設(shè)置數(shù)個(gè)GPS基站，以便航飛時(shí)同步觀測(cè)，獲取精確空間三維坐標(biāo)。為保證不影響激光點(diǎn)云的采集質(zhì)量，在航飛時(shí)可按需要利用典型的特征地物，每隔一段時(shí)間對(duì)IMU、數(shù)碼相機(jī)與激光掃描儀進(jìn)行檢校。

圖3 激光雷達(dá)設(shè)備的直升機(jī)安裝和航飛數(shù)據(jù)采集

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是指將原始的激光數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、定向、校準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。對(duì)航飛過(guò)程中隨激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)同步采集的GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)和系統(tǒng)所提供的各類(lèi)參數(shù)等進(jìn)行聯(lián)合解算，形成聯(lián)合定位信息，獲取每一個(gè)激光點(diǎn)的空間坐標(biāo)和每張數(shù)碼影像的外方位元素。進(jìn)行空間糾正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)可以分辨出地物，形成DSM。圖5中可以清晰地分辨出變電站、電力線、高壓鐵塔、山脈等地物。

圖4 按高程值顯示的激光點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)

3.3 點(diǎn)云分類(lèi)與DEM提取

根據(jù)電力巡線的需求，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行面向應(yīng)用的分類(lèi)。需要區(qū)分的類(lèi)比有:地表點(diǎn)、低矮植被、高大植被、被巡電力線路、高壓鐵塔、被跨越線路、植被、水體等。激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量很大，需要對(duì)其先進(jìn)行分割，適應(yīng)于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件條件。手工提取那些無(wú)法根據(jù)回波信息、高程點(diǎn)及周邊點(diǎn)關(guān)系區(qū)分的地物類(lèi)別，如高壓鐵塔、被跨越線路、被巡電力線路等。對(duì)其余點(diǎn)云可根據(jù)已有的算法進(jìn)行粗略的自動(dòng)分類(lèi)，剔除大部分錯(cuò)誤點(diǎn)。分類(lèi)主要的問(wèn)題在于地表植被、人工建筑物和地表點(diǎn)的分離，可通過(guò)構(gòu)筑不規(guī)則三角網(wǎng)反復(fù)修正和判斷，成功提取后的地表點(diǎn)云即為高精度的DEM。精細(xì)分類(lèi)后的DEM成果可先根據(jù)電力應(yīng)用的需求進(jìn)行抽稀。

圖5 激光點(diǎn)云自動(dòng)分類(lèi)流程

3.4 DOM生成

已經(jīng)聯(lián)合解算出的一系列外方位元素精度不足以滿(mǎn)足電力走廊地物判斷的精度要求，因此需要進(jìn)行修正。在每幅影像上尋找至少8對(duì)同名點(diǎn)，進(jìn)行光束法平差空三，不斷剔除那些匹配錯(cuò)誤的點(diǎn)，對(duì)外方位元素進(jìn)行修正，獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。結(jié)合已經(jīng)生成的DEM，可以獲得高分辨正射影像。這可以初步觀察電力走廊附近的地物分布，以便對(duì)有危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)排查。

圖6 正射影像效果圖

3.5 三維GIS系統(tǒng)集成

為了建立三維仿真可視化巡線管理平臺(tái)，需要根據(jù)激光點(diǎn)云DSM與已知電力資產(chǎn)信息建立的地物真實(shí)三維模型，地物表面紋理的來(lái)源一般是同步獲取的數(shù)碼影像。相關(guān)地物模型均為獨(dú)立構(gòu)建，在工程坐標(biāo)系下具有真實(shí)空間三維坐標(biāo)，能夠準(zhǔn)確反映地物之間的拓?fù)潢P(guān)系與地理信息。利用數(shù)字地球技術(shù)，在預(yù)搭建的三維GIS平臺(tái)中導(dǎo)入DOM和 DEM，并分離出DTM，在其上放置所有的模型并進(jìn)行矢量化，在數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入各類(lèi)資產(chǎn)管理信息，最終形成三維可視化電力巡線與資產(chǎn)管理平臺(tái)。

圖7 三維可視化平臺(tái)中的空間構(gòu)建

3.6 危險(xiǎn)點(diǎn)排查與電力巡線

為了達(dá)到電力巡線的目標(biāo)，根據(jù)《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》，精確地在三維可視化平臺(tái)中提取巡線關(guān)鍵信息，分析所采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式的危險(xiǎn)點(diǎn)排查，自動(dòng)提取電力走廊危險(xiǎn)點(diǎn)、危險(xiǎn)面和危險(xiǎn)空間，標(biāo)識(shí)或預(yù)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域，最終保障電力運(yùn)營(yíng)安全［6］，［7］?？梢圆捎玫姆桨甘窃谌S可視化平臺(tái)中，以電力走廊內(nèi)的關(guān)鍵對(duì)象——電力線與電力塔為核心，形成柱狀探查空間，同時(shí)標(biāo)識(shí)高大植被、高層建筑、穿越線路等關(guān)注地物，分析相互之間的拓?fù)潢P(guān)系與相互作用，從而提示危險(xiǎn)排查區(qū)域;同時(shí)植入植被生長(zhǎng)模型，電線懸垂溫度、風(fēng)力模型，冰掛模擬模型等，對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

圖8中是通過(guò)激光點(diǎn)云建立三維可視化巡線管理平臺(tái)，鐵塔、絕緣子串、電纜的類(lèi)型均與實(shí)際相符合，根據(jù)這些已知的電力資產(chǎn)信息建立資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，增加三維模型的拓?fù)潢P(guān)系和詳細(xì)資產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)電力資產(chǎn)的三維可視化管理。采用空間分析的方法測(cè)量電纜與周邊地物的間距，從而達(dá)到排除危險(xiǎn)點(diǎn)的目的。

圖8 三維可視化平臺(tái)中的空間分析

4 結(jié)論與展望

成熟、可靠、高精度、高密度的激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)為實(shí)現(xiàn)獲取地表高精度三維信息，快速提取高壓送電線路及其周邊敏感地物，排查線路危險(xiǎn)點(diǎn)提供了極其優(yōu)秀的測(cè)繪保障，并且可以極大地降低電力部門(mén)的巡線預(yù)算，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約作業(yè)時(shí)間，提高工作效率，并在此基礎(chǔ)上全面建設(shè)三維可視化電力資產(chǎn)管理平臺(tái)，為數(shù)字電網(wǎng)乃至智能電網(wǎng)提供了強(qiáng)有力的測(cè)繪支持。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)必將在電力線路安全保障與勘測(cè)設(shè)計(jì)中逐漸普及，并發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

［1］王俊剛，李新科.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電網(wǎng)工程建設(shè)中的應(yīng)用［J］.廣東電力，2009(9):46～49

［2］陳云，丁思磊，王鐵軍.基于TerraSolid軟件的Lidar數(shù)據(jù)處理初探［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2009(8):40～42

［3］徐祖艦，王滋政，陽(yáng)鋒.機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及工程應(yīng)用實(shí)踐［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2009

［4］舒寧.激光成像［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2005

［5］蒙祥達(dá)，李新科.機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)及其在電力工程中的應(yīng)用［J］.廣西電業(yè)，2007(9):81～83

［6］GB50293－1999.城市電力規(guī)劃規(guī)范［S］.

［7］DL/T 5219－2005.架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.