LiDAR在四川某地电力选线项目中的应用
韩立11，余代俊1，何延龙2
（1.成都理工大学地球科学学院，成都 610066）
（2.绵阳天眼激光科技有限公司，绵阳 621000）
摘要：机载激光雷达（LiDAR）技术的快速发展为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段。笔者在某市电力选线项目中利用机载激光雷达技术，获得高精度点云，从而根据点云建立三维模型，并通过大量外业采集的数据以检核精度，最后将生成产品导入电力选线软件中，实现了电力选线工作的室内完成。实验表明，在电力选线项目中，利用机载激光雷达技术能大大提高作业效率，具有广阔的应用前景。
关键词：机载激光雷达、电力选线、精度评价
中图分类号：P237
The application of LiDAR of Route choice of Electric power
program in a certain area of sichuan
Han Li1, Yu Dai-jun1, He Yan-long2
(1.College of Earth Sciences of Chengdu University of Technology, Chengdu, 610066)
(2.Mianyang Tianyan Laser Company ,Mianyang, 621000)
Abstract: The rapid development of the LiDAR technology provides a new technical means for obtaining high space-time resolution of earth space information. Author used LiDAR technology to obtain high accuracy point cloud ,which based on point cloud to set up 3D model, checked the accuracy through a lot of data from the
field, put the products into the power line selection software and completed route choice of electric power indoor in a certain area of Sichuan. Experimental results show that using LiDAR technology can improve the working efficiency greatly and has wide application prospects in route choice of electric power.
Key words:LiDAR; Route choice of Electric power ; Precision evaluation
一引言
随着我国工业化、城镇化深入推进，国民经济平稳较快的发展带动电力需求持续增长，大规模的电网建设仍是未来电力行业的主要任务。四川盆地山地较多、植被覆盖茂盛、地形复杂多变，电力选线因工作环境困难、覆盖范围广等因素，是一项艰巨的任务。在传统电力选线的方法中，由人工采集地形数据时间长、效率低；而利用航拍技术获取影像无法穿透植被等获取地形信息。机载激光雷达技术（LiDAR，Airborne Light Detection And Ranging）的出现，克服了以上问题。
LiDAR集激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元(IMU)及GPS差分(DGPS)定位技术于一体，使传统人工单点数据获取转变为连续自动数据获取，提高了观测的速度和精度，
基金项目：四川省教育厅自然科学重点基金项目（13ZA0061）
作者简介：韩立（1989.04—），男，汉族，四川宜宾人，硕士研究生，主要从事3S技术理论及其应用方面的研究。
Email：hanli186 @https://www.doczj.com/doc/cd6221748.html,
邮编：610066
联系电话：135********
为地理实体的空间信息获取提供了全新的技术手段[1]。由于LiDAR所具备的高时效性，它已被广泛用于各行业中，如：叶松等（2010）实现了机载激光雷达技术在土地调查中的应用[2]，喻雄等（2011）基于LiDAR技术完成了山区高速公路的勘测工作[3]；刘圣伟等（2012）利用LiDAR技术实现了长江三峡工程库区滑坡灾害调查和监测[4]；。笔者在参加四川某地电力选线项目时，利用LiDAR系统获取的点云数据建立区域数字高程模型（DEM），并对同轴影像做正射纠正等处理，以获取区域的数字正射影像（DOM）。最后在DEM上叠加DOM，制作区域的三维模型。将三维模型导入电力选线软件中完成电力选线工作，既高效，又精确。二电力选线项目需求以及难点
传统的电力选线项目工作步骤通常为：地形资料的搜集——室内路线选取——现场勘查——室内修改——输出成果[5]。总的来说，电力选线最重要的准备工作便是在设计之初细致了解范围内相关地形地貌信息，植被、建筑物等分布情况。因此，传统选线方法主要存在以下几点不足：（1）选线设计之前，需要收集相应比例尺地形图。已有地形图资料时常因时效性较差，不能反映测区地形地貌最新信息，若安排测量专业人员实地测量，则速度慢、工期长。（2）传统地形图高程信息单一且不直观，导致线路设计过程中立杆以及线路走向容易受到地物高度以及周边因素的影响，特别是四川盆地等地形复杂多变区域影响更是严重，初步设计完成后现场勘察与修改设计时常反复进行，影响工作效率。（3）设计人员现场勘察时，时常穿越地形恶劣偏远地区，人身安全不稳定性增加。
LiDAR穿透率高，能部分穿透植被和云层，实时快速精确得到实地地表的三维信息，内业通过对LIDAR数据进行处理可得到DEM、数字表面模型（DSM）、DOM等产品[6]。通过对比DSM和DEM，可了解测区植被以及建筑物分布情况。同时，DOM正射影像既具有三维信息，又具有色彩，能直观反映地形地貌，可准确了解实地情况。最后生成三维真实场景导入相关电力系统选线软件，使设计人员快速方便地在室内完成电力选线的初步设计，设计结果可实现合理避让障碍物，优化排杆、节省杆塔用量，减少植被砍伐等技术经济指标[7]；还可通盘考虑沿线地形地貌对交通运输、线路维护等各方面的影响；极大提高了电力选线项目的工作效率，同时减少设计人员外出工作量。
三LiDAR在电力选线工程项目中的运用
本项目为四川某市高压线路选线项目，涉及线路带状区域面积约60平方公里，测区地形包括山地、平原，山坡植被茂密，覆盖率高，测区内多苗圃、园林；平原地区有大面积房屋建筑，包括居民区、厂区，地形地貌复杂多变，对使用机载激光雷达技术在地形复杂地区完成电力选线工作很具有代表性。工作流程大致如图1所示：
准备工作
图1 LiDAR 运用与电力选线作业流程
（一）外业数据采集
机载激光雷达测量系统，通过在飞机上搭载激光扫描设备，沿着飞行方向对地物实现激光航线方向的纵向扫描；同时，通过利用GPS 定位系统提供的飞行精确方位数据和INS 惯性导航系统提供的飞行姿态数据，从而获得大范围带状区域内的地物点云数据[8]。本次项目产品制作精度要求以《中华人民共和国国家标准1:1000地形图航空航空摄影测量数字化测图规范》为准，为保证数据精度，数据采集使用自行组装机载激光雷达测量系统SK-700，飞行前做好航线设计、范围规划等工作。项目数据采集过程中系统工作正常，全程系统工作时长56分钟，相机触发506次，与照片数对应，无丢失情况；采集原始数据大小正常，初步检查数据采集成功，可以继续后续处理。 （二）内业数据处理
数据预处理中，地面控制点数据通过三台GPS 同步测量所得，经基线解算、平差处理后得到WGS 84坐标，最终成果转换到当地城建2000坐标系。点云数据获取过程中，航迹解算使用IE8.40最新版本软件，使用上述控制点WGS-84坐标解算，解算为双天线模式。航迹解算过程中调整收星截止角、惯导初始化模式、数据采集频率，获取最佳状态下的数据成果。结果显示姿态精度总体都在预期2弧分（1度=60弧分）以内，位置精度略差，有小部分超过15cm ，但90%以上依然在预期的10cm 以内，根据激光点云坐标计算公式，可算得扫描带地区的激光脚点坐标：
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?
?????+????????????????????=??????????00032
1
32
1321.Z Y X z y x c c c b b b a a a Z Y X μ （1） （1）式中，a 1、b 1、c 1分别表示R 、P 、H 三个方向的余弦值，x 、y 、z 表示惯导的位
置坐标，X 、Y 、Z 表示激光脚点坐标。可得出激光点云理论平面精度约为±18cm ，高程精度约为±11cm ，精度满足设计要求。数据采集原始影像为IIQ 无损格式，通过去雾、降噪处理，转换为后处理软件可读的JPEG 格式，并用相机事件匹配软件生成相机触发时间列表，数据采集当天天气状况良好，无云雾遮挡，影像清晰度高，可用于后续正射影像纠正。
数据预处理得到激光点云后，利用Microstation 中TerraScan 模块对点云进行过滤以及自动分类，利用Terramodel 模块将分离出的不同类型点提取DEM 和DSM ，用DEM 与外方位元素、原始图像进行正射影像纠正，完成影像拼接，镶嵌匀色过程之后生成正射影像DOM 。通过分类处理还可准确估算出施工范围沿线树木以及房屋分布情况，估算赔偿费用，使输电
线路项目建设更加合理、高效，有利于电力系统信息数据库的建立，为后续工作的开展提供极大便利。
（三）模型与所需精度比较
为保证项目数据精度可靠，通过外业点位采集以检验数据精度。精度评估数据采用RTK 作业方式得到，为保持检测点坐标与激光点云坐标系统一致，以解算激光点云数据的GPS 基站为RTK的基准站进行检测点数据采集，拟采用GPS1、GPS2控制点为基站点采集RTK 数据。本次采集的数据分为三类：高程检测点，平面检测点，点云平面检测点。用这三类点进行精度评价。
3. 1高程精度评价
本次高程精度检测共采集156个高程点，高程点检查使用T-scan自动平差检测，生成激光点云精度报告；图2为高程精度检测示意图，得到的精度评定中平均高差为-0.106m、最小高差为-0.266m、最大高差为0.113m、中误差为0.134m、高差标准偏差为0.163m，将采集所有点高差精度分为7个等级，则各阶段高差所占比例如表1所示：
图2 高程精度检测示意图
表1 高程精度分布值（单位：cm）
差值范围0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30以上
测点/个24 59 37 20 9 2 5
所占比例15% 38% 24% 13% 6% 1% 3%
3. 2影像平面精度评价
在平面检查点中，通常做法是通过选取检测影像规则房角或者屋脊、道路等点状或者线状地物，用以评价正射影像精度。本次检测共采集平面检测点130个，使用ArcGIS软件将实测地物坐标与影像上的地物进行对比，如图2所示。评定结果中平均平面差为0.173m、最小平面差为0.021m，最大平面差为0.355m、中误差为0.222m，130个平面采集点精度分布如表9所示。从统计结果可看出，采集点与影像符合良好，DOM精度较高。
图3 ArcGIS中外业采集点分布
表2 平面采集点精度分布（单位：cm）
差值范围0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30以上
测点/个8 33 32 26 13 12 6
所占比例6% 25% 25% 20% 10% 9% 5%
3. 3点云平面精度评价
由于点云中不容易分辨房屋、桥梁、路等特征地物，且激光在水中不能反射形成回波，池塘、河边等有水的地方将形成空白，因此采用水的边界进行点云的平面精度评估。本次共采集40个点进行精度评估，评定结果中平均平面差为0.202m、最小平面差为0.016m，最大平面差为0.411m、中误差为0.232m。各等级精度分布如表3所示，实测点与激光点云对比结果如下图：
图4 点云检测水面区域
表3点云检测精度分布（单位：cm）
差值范围0-10 10-20 20-30 30-40 40以上
所占比例12 9 14 3 2
所占比例30% 23% 35% 7% 5%
经过外业精度检测可知，本次精度评估中，测区高程及重要地物平面点位误差在2倍中误差以内数据大于95%，点云检测精度较高，数据可信且满足规范要求。将三维真实场景信息导入相关电力选线系统中，该系统可实现三维场景的放大、缩小以及漫游，运用三维真实场景在室内进行选线，不会受到视线范围遮挡的影响便可方便观看设计线路与周边地物在空间上的差异，根据三维信息了解相关地区横纵断面信息，完成相关电力线路设计和更改，生成塔位坐标。
四总结
本文通过介绍LiDAR技术在电力选线项目中的实际运用并提供了精度分析，说明了LiDAR技术在电力选线项目中运用的可行性。目前，LiDAR数据应用还有一些算法、技术问题尚未得到完全解决，特别是激光点云数据还不能实现滤波的完全自动化，事后还需要根据正射影像手动分类，将错误分类点手动改正过来，这些技术在以后的运用中还要不断完善、解决。综合分析，LiDAR技术与电力选线项目结合具有极大的优势，随着激光雷达技术的不断发展，必将得到更加广泛的应用。
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