阮 羚，周 平，姚 堯

(1.湖北省電力公司電力試驗(yàn)研究院，湖北武漢430077;2.武漢科西爾信息技術(shù)有限公司，湖北武漢430050)

困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線(xiàn)塔數(shù)據(jù)機(jī)載LiDAR三維掃描獲取

阮 羚1，周 平2，姚 堯1

(1.湖北省電力公司電力試驗(yàn)研究院，湖北武漢430077;2.武漢科西爾信息技術(shù)有限公司，湖北武漢430050)

通過(guò)分析機(jī)載LiDAR的技術(shù)特點(diǎn)，論證該技術(shù)解決困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線(xiàn)塔數(shù)據(jù)采集技術(shù)難題的可行性。

LiDAR;輸電;防雷;線(xiàn)塔數(shù)據(jù)

一、引 言

截至2008年年底，全國(guó)運(yùn)行線(xiàn)路220 kV及以上線(xiàn)路共364 796 km，其中，750 kV共有536 km，500 kV共有109 642 km，330 kV共有17 906 km，220 kV共有23 6712 km。雷擊、自然災(zāi)害和外力破壞成為直接干擾國(guó)民經(jīng)濟(jì)電網(wǎng)正常生產(chǎn)運(yùn)行的三大誘因。若防雷方案和防雷措施更具有差異化和針對(duì)性，到2020年堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建成時(shí)，僅防雷設(shè)施和雷擊跳閘事故修復(fù)部分，每年將為國(guó)家節(jié)省大量資金并明顯減少因非計(jì)劃停電帶來(lái)的損失。

傳統(tǒng)的航測(cè)方法因天氣原因易導(dǎo)致測(cè)量周期過(guò)長(zhǎng)，且無(wú)法識(shí)別垂直層面的線(xiàn)塔設(shè)施和克服地表植被的嚴(yán)重影響，僅適用于新建輸電線(xiàn)路方案選線(xiàn)與比選要求;采用GPS、全站儀或GPS-RTK等人工測(cè)量方式，由于地勢(shì)過(guò)于陡峭、人力無(wú)法到達(dá)桿塔及塔間線(xiàn)路現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法適應(yīng)工程需要。因此為降低因雷電災(zāi)害未及時(shí)防治而造成的嚴(yán)重影響，架空輸電線(xiàn)路亟需一種能提高數(shù)據(jù)獲取效率的新方法。機(jī)載LiDAR(light detecting and ranging)三維掃描則為困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線(xiàn)塔數(shù)據(jù)獲取提供了技術(shù)可能。

二、LiDAR測(cè)量的主要設(shè)備

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的主流機(jī)載 LiDAR有加拿大Optech公司ALTM系列的3100EA，德國(guó)IGI公司LiteMapper系列的 LiteMapper5600，徠卡公司的ALS60，RIEGL公司的CP680等。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已知的最新LiDAR設(shè)備型號(hào)為RIEGL公司CP680二代。許多高校和科研單位如首都師范大學(xué)、武漢大學(xué)、中科院、中國(guó)測(cè)科院等，也對(duì)機(jī)載LiDAR進(jìn)行了集成和自主研發(fā)，并取得一些研究成果。

雖然國(guó)內(nèi)從事機(jī)載LiDAR商用設(shè)備應(yīng)用的有40余家公司，但對(duì)機(jī)載LiDAR的工程應(yīng)用能力參差不齊。國(guó)內(nèi)在無(wú)人機(jī)載LiDAR的集成與應(yīng)用研究方面也逐漸成形，未來(lái)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理成本也會(huì)隨之大幅降低，有利于大范圍推廣應(yīng)用。

三、機(jī)載LiDAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，集成機(jī)載GPS/IMU及CCD相機(jī)等傳感器，以飛機(jī)為搭載平臺(tái)，利用激光測(cè)距的時(shí)間-飛行差原理直接獲取地物三維數(shù)據(jù)。由于其主動(dòng)獲取地物高精度三維空間數(shù)據(jù)和穿透植被的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在獲取高精度輸電線(xiàn)路走廊通道數(shù)據(jù)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)［1-7］。機(jī)載LiDAR三維掃描工作的原理［5］如圖1所示。

1)數(shù)據(jù)密度高。激光點(diǎn)云的地表掃描采樣間距在0.1～1.2 m間，甚至更小，數(shù)據(jù)密度極大，非常有利于真實(shí)線(xiàn)路走廊線(xiàn)路桿塔識(shí)別與模型的仿真模擬，如圖2所示。

圖1 機(jī)載LiDAR三維掃描工作原理

圖2 機(jī)載LiDAR三維掃描線(xiàn)塔數(shù)據(jù)

2)植被穿透能力強(qiáng)。由于其多次回波特性，任一束激光在穿越植被空隙時(shí)，可返回葉面、枝椏、地面等多個(gè)空間屬性數(shù)據(jù)，有效克服植被影響，更接近真實(shí)地表。

3)不受陰影和太陽(yáng)高度角影響。以主動(dòng)測(cè)量方式采用激光測(cè)距方法，不依賴(lài)自然光;不受太陽(yáng)高度角、植被、山嶺等影響。

4)人工野外作業(yè)量少。采集的每個(gè)地面點(diǎn)都帶有真實(shí)三維坐標(biāo)，僅需布設(shè)極少量野外基站點(diǎn);由于能同時(shí)獲取高分辨率數(shù)碼影像，為后期展示全景真三維可視化線(xiàn)路走廊提供了支持。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)具有快速、高密度、高精度的數(shù)據(jù)獲取能力，特別適合帶狀數(shù)據(jù)采集，為輸電線(xiàn)路走廊各類(lèi)參數(shù)的獲取提供了全新技術(shù)手段，也為地表環(huán)境困難復(fù)雜地區(qū)線(xiàn)路及桿塔數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確獲取提供了可能，是一種困難地區(qū)高精度信息獲取的創(chuàng)新技術(shù)手段。

四、基于機(jī)載LiDAR技術(shù)的輸電防雷線(xiàn)塔數(shù)據(jù)獲取

1.高精度線(xiàn)塔數(shù)據(jù)掃描采集

(1)GPS基站的布設(shè)

機(jī)載LiDAR在空中對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行掃描時(shí)，根據(jù)GPS基站發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分定位。單個(gè)GPS基站的覆蓋半徑通常為30 km左右，可根據(jù)輸電線(xiàn)路走廊掃描范圍的長(zhǎng)度和帶寬設(shè)定。

(2)航飛任務(wù)設(shè)計(jì)

結(jié)合架空輸電線(xiàn)路走廊的特點(diǎn)，針對(duì)地形和數(shù)據(jù)采集間距要求，確立飛行高度，估算飛行用時(shí)和架次。對(duì)于高差較大、地勢(shì)過(guò)陡等特殊地貌地區(qū)，可以適當(dāng)重飛，避免采集過(guò)程中盲區(qū)的產(chǎn)生，獲取更豐富、準(zhǔn)確的地表和線(xiàn)路桿塔設(shè)施數(shù)據(jù)。

2.高精度激光點(diǎn)云預(yù)處理與精分類(lèi)提取

野外數(shù)據(jù)采集完成后，需針對(duì)獲取的原始激光點(diǎn)云和原始地表影像進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)激光腳點(diǎn)大地定向，激光點(diǎn)云過(guò)濾及分類(lèi)、影像還原糾正等一系列處理［1-2，4，7］。

3.三維線(xiàn)路桿塔矢量模型逆向構(gòu)建

根據(jù)精分類(lèi)后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用專(zhuān)業(yè)軟件Plext和TowerModeling快速逆向建模的方法。所謂逆向建模就是通過(guò)近距離掃描獲得高密度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù)，使用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行模型的精細(xì)制作和貼圖，得到真實(shí)準(zhǔn)確、細(xì)節(jié)完整的數(shù)字化模型，如圖3所示。

建立輸電線(xiàn)路通道線(xiàn)塔設(shè)備層三維矢量化圖形數(shù)據(jù)，一是用于三維立體可視化，二是用于線(xiàn)塔雷電專(zhuān)業(yè)參數(shù)計(jì)算時(shí)彌補(bǔ)采樣點(diǎn)間隔太大或缺失的客觀(guān)現(xiàn)實(shí)，確保參數(shù)分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

圖3 線(xiàn)塔矢量模型

4.線(xiàn)路桿塔雷電參數(shù)應(yīng)用挖掘

地形地貌數(shù)據(jù)中，線(xiàn)路參數(shù)和桿塔數(shù)據(jù)是防雷方案需要重點(diǎn)獲取的對(duì)象。根據(jù)機(jī)載LiDAR的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，采用自主專(zhuān)業(yè)軟件TowerTreat輔助分析計(jì)算的方法，能夠客觀(guān)表達(dá)塔形、結(jié)構(gòu)，典型輸電線(xiàn)路的地理坐標(biāo)、高度、密度及地形地貌參數(shù)。

桿塔橫截面左右各100 m內(nèi)，用每隔25 m取一個(gè)相對(duì)桿塔的點(diǎn)計(jì)算出地面傾角θi，來(lái)定義地形地貌參數(shù)。導(dǎo)線(xiàn)、避雷線(xiàn)沿線(xiàn)路檔距全線(xiàn)每隔一定檔距對(duì)地表高度來(lái)定義線(xiàn)路參數(shù)。根據(jù)防雷電專(zhuān)業(yè)要求選取桿塔分類(lèi)層激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)，定義桿塔參數(shù)。桿塔參數(shù)包括導(dǎo)地線(xiàn)(導(dǎo)線(xiàn)和避雷線(xiàn))高度和中距等。

五、技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

鄂西三峽地區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜、氣候多變，高山峽谷眾多，切割地形嚴(yán)重，為輸電線(xiàn)路雷電防護(hù)帶來(lái)很大困難。因此，在研究三峽地區(qū)輸電線(xiàn)路雷電機(jī)理和防治措施時(shí)，有必要開(kāi)展此項(xiàng)研究工作。需要獲取更精確的輸電線(xiàn)路全線(xiàn)逐級(jí)桿塔的塔形、結(jié)構(gòu)，典型輸電線(xiàn)路的地理坐標(biāo)、高度、密度及地形地貌參數(shù)，用于雷擊風(fēng)險(xiǎn)的統(tǒng)計(jì)和進(jìn)行仿真輸電線(xiàn)路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［8-10］。

在微觀(guān)地形地貌(＜1 km)條件下，為評(píng)估逐級(jí)桿塔差異化防雷措施的有效性和針對(duì)性提供真實(shí)參數(shù)依據(jù)。同時(shí)，有助于對(duì)輸電線(xiàn)路綜合防雷措施進(jìn)行效果后評(píng)價(jià)和事故反演。

本次研究采用機(jī)載三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)在三峽地區(qū)試點(diǎn)線(xiàn)路上方進(jìn)行飛行掃描，對(duì)獲取的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分類(lèi)和處理后，生成三峽地區(qū)試點(diǎn)線(xiàn)路走廊通道精確的全景真三維地形地貌圖像和線(xiàn)路桿塔等專(zhuān)業(yè)雷電參數(shù)。為三峽區(qū)域試點(diǎn)線(xiàn)路采取有針對(duì)性的差異化防雷防治措施提供準(zhǔn)確參數(shù)。

為滿(mǎn)足防雷方案設(shè)計(jì)需要，本次工程技術(shù)要求:平面誤差不大于±1 m，高程誤差不大于±0.5 m。每平方米不少于10個(gè)激光點(diǎn)。飛行任務(wù)設(shè)計(jì)中，考慮到三峽地形復(fù)雜和微氣象條件復(fù)雜等情況，第一次全線(xiàn)路巡視飛行，第二次根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行任務(wù)采集飛行。在整個(gè)路線(xiàn)范圍，共布設(shè)兩個(gè)GPS基站。

經(jīng)對(duì)比分析，現(xiàn)有資料第一次提供的220 kV的某線(xiàn)23個(gè)轉(zhuǎn)角塔坐標(biāo)，有13個(gè)桿塔有明顯差異，且差異在60 m以上，占57%。后經(jīng)過(guò)復(fù)測(cè)和共同驗(yàn)證，結(jié)果證明機(jī)載LiDAR三維掃描數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。同時(shí)，在這次機(jī)載LiDAR三維技術(shù)研究中，利用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行全線(xiàn)路走廊線(xiàn)塔防雷數(shù)據(jù)的獲取輸出和全線(xiàn)路走廊真三維矢量化場(chǎng)景進(jìn)行了雷擊復(fù)現(xiàn)反演。

六、結(jié)論與展望

在本次困難復(fù)雜地區(qū)輸電防雷線(xiàn)塔數(shù)據(jù)機(jī)載LiDAR三維掃描獲取的技術(shù)應(yīng)用研究中，達(dá)到了設(shè)定的數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求。從機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)所獲取的地形地貌參數(shù)，線(xiàn)塔參數(shù)數(shù)據(jù)首次成功地應(yīng)用于輸電線(xiàn)路防雷方案的設(shè)計(jì)和雷擊事故復(fù)現(xiàn)反演評(píng)估中。

國(guó)內(nèi)電力行業(yè)還未真正重視這種機(jī)載LiDAR精確數(shù)據(jù)的高可復(fù)用性，本次研究在挖掘其深層次應(yīng)用特別是在雷電防治等專(zhuān)題應(yīng)用方面做了有益探索。本次機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用研究和實(shí)踐證明，機(jī)載LiDAR三維掃描技術(shù)極有可能改變傳統(tǒng)輸電防雷線(xiàn)塔數(shù)據(jù)的獲取來(lái)源，引領(lǐng)輸電線(xiàn)路差異化防雷評(píng)估方法，是一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的輸電線(xiàn)路走廊三維掃描技術(shù)。

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Difficult and Complex Regional Transmission Line and Tower Lightning Protection Data Acquisition by Airborne LiDAR 3D Scanning

RUAN Ling，ZHOU Ping，YAO Yao

0494-0911(2011)12-0037-03

P234

B

2011-10-19

阮 羚(1961—)，男，湖北武漢人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邏弘娖鳌?/p>