無人機(jī)在執(zhí)行不同的任務(wù)時(shí)離不開多種多樣的任務(wù)載荷。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)一批新型、高精度、高可靠性的任務(wù)載荷。在過去十年，激光雷達(dá)系統(tǒng)作為精確、快速獲取地面三維數(shù)據(jù)的工具已得到廣泛的認(rèn)同。

激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging，LiDAR）是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，將激光用于回波測距和定向，并通過位置、徑向速度計(jì)物體反射特性等信息來識(shí)別目標(biāo)。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)是一種集激光測距、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一體的空間測量系統(tǒng)。作為一種新型傳感器，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用范圍和廣闊的應(yīng)用前景。自20世紀(jì)60年代末世界第一部激光雷達(dá)誕生以來，機(jī)載LiDAR技術(shù)作為一種重要的航空遙感技術(shù)，已經(jīng)被越來越多的學(xué)者所關(guān)注。迄今為止，機(jī)載LiDAR技術(shù)的研究與應(yīng)用均取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，雖然機(jī)載LiDAR無法完全取代傳統(tǒng)的航空攝影測量作業(yè)方式，但可以預(yù)見，在未來的航空遙感領(lǐng)域，機(jī)載LiDAR將成為主流之一。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)組成

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)設(shè)備主要包括三大部件：機(jī)載激光掃描儀、航空數(shù)碼相機(jī)、定向定位系統(tǒng)POS。

（1）激光掃描儀

機(jī)載激光掃描儀部件采集三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測量地形同時(shí)記錄回波強(qiáng)度及波形激光掃描儀，是LiDAR的核心，一般由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間間隔測量裝置、傳動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)和軟件組成。

（2）數(shù)碼相機(jī)

航空數(shù)碼相機(jī)部件拍攝采集航空影像數(shù)據(jù)，利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)獲取地面的地物地貌真彩或紅外數(shù)字影像信息，經(jīng)過糾正、鑲嵌可形成彩色正射數(shù)字影像，可對目標(biāo)進(jìn)行分類識(shí)別或作為紋理數(shù)據(jù)源。

（3）POS系統(tǒng)

POS系統(tǒng)部件測量設(shè)備在每一瞬間的空間位置與姿態(tài)，其中GPS確定空間位置，IMU確定俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR采用動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)，利用安裝在電機(jī)上與LiDAR相連接的以及設(shè)在一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站的至少兩臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)同步且連續(xù)地觀測GPS衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)記錄瞬間激光和數(shù)碼相機(jī)開啟脈沖的時(shí)間標(biāo)記，再進(jìn)行載波相位測量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理，獲取機(jī)載LiDAR的三維坐標(biāo)。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)具有高精度、高分辨率、高自動(dòng)化且高效率的優(yōu)勢，已成為世界各國進(jìn)行大面積數(shù)值地表數(shù)據(jù)測制的使用主流與趨勢，其多重反射的特性，可同時(shí)獲取地面及其覆蓋物（植被、電力線等）的精確三維坐標(biāo)，而透水激光雷達(dá)系統(tǒng)更可穿透水體而量測水底的地形起伏。其獲取的高精度高分辨率數(shù)字高程模型（DEM），可作為土地利用、工程建設(shè)規(guī)劃、都市計(jì)劃管理，河海地形、潮間帶、集水區(qū)、山坡檢測，地理信息系統(tǒng)、防災(zāi)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、公共管理線等方面數(shù)值化、自動(dòng)化等應(yīng)用基礎(chǔ)。

（1）數(shù)字城市應(yīng)用

在數(shù)字化程度越來越高的今天，基于二維城市形象系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足形象時(shí)代的要求，將三維空間形象完整呈現(xiàn)已經(jīng)成為發(fā)展的必然，也是“數(shù)字地球”的要求。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在城市中能體現(xiàn)其不受飛行高度、陰影遮擋等限制的優(yōu)勢，能夠快速采集三維空間數(shù)據(jù)和影像，房屋建模速度快，高程精度高，紋理映射自動(dòng)化程度高，能夠滿足分析與測量的需求，廣泛用于城市規(guī)劃的大比例尺地形圖獲取。

（2）工程建筑測量

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)能夠?yàn)榈缆饭こ碳捌渌ㄖ?xiàng)目提供準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)生成的DEM結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）及CAD軟件，可以為設(shè)計(jì)人員模擬各種方案以選擇出最佳路線或最好位置。對于施工錢的原始預(yù)測，DEM結(jié)合正射影像可以為工程設(shè)計(jì)人員提供他們所需的大量地形和測量信息。

（3）電力設(shè)計(jì)勘測及電力巡線應(yīng)用

在進(jìn)行電力線路設(shè)計(jì)時(shí)，通過LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個(gè)線路設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素的情況。

（4）災(zāi)害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測

利用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)產(chǎn)生的DEM，水文學(xué)家可以預(yù)測洪水的范圍，制定災(zāi)難減輕方案以及補(bǔ)救措施，也廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害（如颶風(fēng)、地震、山體滑坡等）的災(zāi)后評估和響應(yīng)。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的應(yīng)用案例

案例背景

我國目前已形成華北、東北、華東、華中、西北和南方電網(wǎng)共6個(gè)跨省區(qū)電網(wǎng)，110kV以上輸電線路已達(dá)50多萬千米。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國每年電力行業(yè)整體投資約為1000億元，其中硬件設(shè)施為73%，說明輸電設(shè)備在國家電網(wǎng)建設(shè)上比重越來越大。隨著電網(wǎng)的日益擴(kuò)大，巡線的工作量也日益加大，平均每100km的巡線工作需要20個(gè)巡線人員工作一整天才能完成。因此，傳統(tǒng)的巡線方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的廣泛需求，使用多種不同類型的無人機(jī)（多旋翼、固定翼、直升機(jī)）進(jìn)行不同任務(wù)的電力巡線任務(wù)已經(jīng)成為了新的趨勢。

電力巡線是電網(wǎng)日常運(yùn)營和管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容，定期或不定期對輸電線路進(jìn)行巡檢、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除安全隱患是確保電力線路運(yùn)營安全的重要保障。無人機(jī)執(zhí)行電力巡線任務(wù)時(shí)，載荷的選擇也非常重要。機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)成為重要的對地觀測與建模表達(dá)技術(shù)手段，為地理空間環(huán)境研究提供了高精度豐富數(shù)據(jù)源。電力巡線任務(wù)中高電壓、長距離電力線走廊遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和交通干線，其監(jiān)測和管理需要克服傳統(tǒng)實(shí)地測量巡查等方式的缺陷，機(jī)載LiDAR直接、高效、高精度和全天候的數(shù)據(jù)獲取方式，以及三維直觀的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，使其在電網(wǎng)應(yīng)用中具有傳統(tǒng)航測技術(shù)不可替代的優(yōu)勢。特別是機(jī)載LiDAR的高頻率脈沖能部分地穿透植被獲取高壓線下的地形信息，解決人工和傳統(tǒng)航測存在植被遮擋“盲區(qū)”的問題，而且由于直升機(jī)受天氣以及地理環(huán)境因素影響較小，可全天候、全地域?qū)旊娋€路進(jìn)行巡檢。

案例概況

無人機(jī)電力巡線是要為輸電線路監(jiān)護(hù)人員提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)施設(shè)備異常和隱患，以及線路走廊中被跨越物對線路的威脅。利用機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取的高精度點(diǎn)云可以檢測建筑物、植被、交叉跨越等對線路的距離是否符合運(yùn)行規(guī)范。

通過巡線采集的點(diǎn)云和高清影像數(shù)據(jù)，處理成標(biāo)準(zhǔn)的DOM、DEM，結(jié)合分類后的點(diǎn)云可以實(shí)現(xiàn)電力線路的三維建模，恢復(fù)電力線沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等），線路桿塔三維位置和模型等。

解決方案

（1）載荷平臺(tái)

載荷平臺(tái)選用北京七維航測科技股份有限公司的SDI-600LD機(jī)載LiDAR系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由激光掃描儀、2000萬像素迷你相機(jī)、適配POS系統(tǒng)以及該公司自主研發(fā)控制單元組成的超輕型LiDAR系統(tǒng)，是一款超低空小面積快速獲取地表模型的理想設(shè)備。

（2）飛機(jī)平臺(tái)

飛行平臺(tái)選用盧龍一號(hào)交叉雙槳無人直升機(jī)。該機(jī)型為單發(fā)無人直升機(jī)系統(tǒng)，體積小、轉(zhuǎn)場方便，人員及平臺(tái)只需一輛運(yùn)輸車。支持自主垂直起降、航線飛行；所需作業(yè)人員少，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組由3人組成，包括平臺(tái)操作人員、載荷操作人員和運(yùn)輸車司機(jī)。起降要求低，起降場地大小只需25m2（5m×5m），起飛準(zhǔn)備時(shí)間小于15min。盧龍一號(hào)的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可抗5級(jí)來風(fēng)，可在小雨環(huán)境中飛行，還具有起飛前自動(dòng)檢測、故障定位發(fā)動(dòng)機(jī)油水分離、電池模塊化設(shè)計(jì)、防誤操作等可靠性設(shè)計(jì)。

（3）機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采集

機(jī)載LiDAR在數(shù)據(jù)采集前需進(jìn)行準(zhǔn)備工作，主要包括空域申請、航線規(guī)劃和基準(zhǔn)站的布設(shè)等。

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖所示。

（4）機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)后處理流程如圖所示。

應(yīng)用優(yōu)勢

在三維激光點(diǎn)云可視化平臺(tái)中提取電力線關(guān)鍵信息，分析所采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，基于點(diǎn)云進(jìn)行量測與分析，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式的危險(xiǎn)點(diǎn)排查，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)測危險(xiǎn)區(qū)域，最終保障電力運(yùn)營安全。

三維激光點(diǎn)云可視化平臺(tái)中，以電力走廊內(nèi)的關(guān)鍵對象—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。