机载三维激光雷达(LIDAR)扫描测量技术在长输管道测量中的应用

激光雷达在输电线路巡检中的关键技术及应用刘姝含发布时间：2021-08-23T08:33:24.323Z 来源：《中国科技人才》2021年第15期作者：刘姝含[导读] 如今电网结构日益复杂，线路长度不断增长，采用传统人工巡检不但耗时耗力，而且无法做到及时发现隐患、排除隐患。

国网山东省电力公司桓台县供电公司山东淄博 256400摘要：如今电网结构日益复杂，线路长度不断增长，采用传统人工巡检不但耗时耗力，而且无法做到及时发现隐患、排除隐患。

机载激光雷达技术作为一种新型对地观测技术，能够快速进行探测，获取目标探测物的三维空间信息，并利用点云数据构建真三维模型，还原输电线路走廊地貌，弥补了人工巡检的不足，无疑成为输电线路巡检技术未来探索和发展的方向。

关键词：激光雷达；输电线路巡检；关键技术；应用1我国输电线路系统管理的普遍问题目前架空输电线路运维过程中面临的问题有自然环境的影响，包括雷击、鸟害、风害、覆冰、山火、树障等，还有面对人类活动的影响，包括外力施工、车辆运输、漂浮异物等。

随着城市建设的加快，城乡建设的铺开，修路、建桥、住宅建设、管道开挖、农田改造、水利等各施工都给线路运维带来诸多考验，这么多年以来，输电专业运维人员不仅与自然环境在斗法，也需要时刻提防着各类建设带来的风险。

春季需及时清理通道内的隐患树竹，防止线路树障放电；夏季需提防强对流天气带来的雷电、大风引起的线路接地故障；秋季需及时清理杆塔上的隐患鸟窝，同时需要防范干燥山火引起的线路放电故障；冬季守着覆冰区域，防范导线、绝缘子覆冰引起线路短路、倒塔、短线等；一年四季，周而复始的重复工作给线路运维工作带来了重大考验。

面对各种难题，各个供电公司都会指定比较详细的管理制度，例如安排周期性的人工巡视、开展针对性的检测工作、定期开展检修等。

然而，很多问题也同时暴露出来：巡视人员现场责任心不强，部分杆塔未巡视到位，导致危急缺陷未发现，引起线路故障，造成供电中断；巡视人员主观判定缺陷不准确，导致需要紧急处理的缺陷记录为一般缺陷，错时了停电消缺的最好时机，导致发生重复停电，造成供电中断；巡视人员由于现场路径不熟悉，走错了杆段，记录错误信息导致缺陷遗漏；现场作业人员记录的纸质缺陷回去缺陷丢失、现场检修人员发现缺陷记录与现场不符等，各类问题频繁出现，传统的运维管理方式已不满足现阶段的运检工作，研究设计出高效可靠的管理系统显得尤为重要。

机载激光雷达技术在水利水电测绘工程中的应用摘要：随着社会经济的欣欣向荣和我国城市建设快速发展，水利水电工程行业取得蓬勃发展。

机载激光雷达技术被我国逐渐引进并应用于水利水电测绘工程中。

该技术由于集成了GPS系统以及激光测距系统、INS系统，因而在地球空间信息的获取方面有良好的应用效果。

为提高水利水电工程测绘工作的质量与效率，当前应加强对各类先进测绘技术与产品的应用。

机载激光雷达技术的出现，能够在较短的时间内完成三维空间地理信息的采集，进而极大地提高了水利水电工程测绘工作的效率。

此外，在电力工程、交通运输行业以及国土资源调查等工作中，亦有该技术的应用。

关键词：机载；激光雷达技术；水利水电；测绘工程；应用引言机载激光雷达(ＬｉＤＡＲ)测量技术集成定位、惯性导航、激光测距和摄影测量功能为一体，不仅具有航摄技术的优点，相比传统测绘，还有全天时作业、生产效率高、较大程度克服植被覆盖的影响、更好地实现勘测设计一体化等突出优势，被誉为遥感技术领域的一场革命，受到业界的广泛关注。

1机载激光雷达机载激光雷达是将激光雷达搭载在飞机上进行数据采集的。

机载平台包括无人机和有人驾驶的飞机，目前工程中应用较广泛的是无人机激光雷达测量系统，具有结构设计美观、集成化和自动化程度高、机身小巧易携带作业等优势，适合多种地形测绘、地籍测量项目。

机载激光雷达获取地面目标点三维地理信息数据具有快速、高精度、高密度、控制点少的特点。

该技术是对传统航空摄影测量技术很好的补充，在复杂地形测绘中具有独特的优势。

目前，机载激光雷达技术被广泛应用于林业、电力等领域，也逐渐在水利水电工程测绘应用中取得较理想的效果。

2机载激光雷达技术在水利水电测绘工程中的应用2.1控制点基站的布设机载激光雷达系统利用机载动态未知GPS数据与架设在地面已知基站的GPS数据构成的差分全球定位系统DGPS联合解算出其在任意时刻的空间三维坐标信息，然后将此信息与惯性测量单元IMU、激光测距数据组合，最终获取得到地面物体的三维坐标信息。

LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用朱士才（江苏省测绘工程院南京 210013)摘要：LIDAR是一种集激光、全球定位系统(GPS）和惯性导航系统(INS）三种新技术于一身的系统，用于获得高精度、高密度的三维坐标数据，并构建目标物的三维立体模型。

该技术在基础测绘DEM、DOM、DLG生产、精密工程测量、数字城市建设等领域具有广泛的应用前景，它代表了测绘技术又一个新时代的到来，。

关键词:LIDAR 数字高程模型测绘一、LIDAR的技术原理1、前言激光雷达技术是根据英文Light Detection And Ranging 的翻译而命名的专业术语,简称为LiDAR。

该技术可以实现空间三维坐标的同步、快速、精确地获取，并根据实时摄影的数码像片，通过计算机重构来实现大型实体或场景目标的3D数据模型，再现客观事物的实时的、真实的形态特性，为快速获取空间信息提供了简单有效手段。

因此被有些专家称为，继GPS以来在测绘领域的又一个技术革命.根据载体的不同,LiDAR技术主要分地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术两大类，目前这两类系统在国内外都得到了成功的运用.顾名思义,地面三维激光扫描系统的空间载体是地面，类似于传统的地面近景摄影测量。

它将激光扫描仪直接与数码相机、GPS相结合，对目标物进行扫描成像，获取激光反射回波数据和目标表面影像，并在软件支持下构建三维数字模型和纹理的精确贴加，从而达到目标物快速、有效、精确的三维立体建模。

经过改装,地面三维激光扫描系统不但可以安置在固定设备上，也可以装载在运动的汽车上，进行连续的三维场景和目标形态的空间数据采集。

机载激光雷达系统则是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备，该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU(Inertial Measurement Unit，惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实现对目标物的同步测量。

测量数据通过特定方程解算处理，生成高密度的三维激光点云数值，为地形信息的提取提供精确的数据源。

机载激光雷达在地形测绘中的应用研究摘要：机载激光雷达（(LIDAR-Light Detection and Ranging）技术是一种高精度、高分辨率的地形测绘工具，已经广泛应用于地理信息系统、地质勘探、城市规划和环境监测等领域。

本论文旨在系统地探讨机载激光雷达技术在地形测绘中的应用，包括原理、数据采集、数据处理以及在各个领域的具体应用案例。

关键词：机载激光雷达；地形；测绘；应用1引言地形测绘是地理信息科学中的一个重要分支，对于土地规划、自然资源管理和灾害预测等具有关键性作用。

本论文旨在深入研究机载激光雷达技术在地形测绘中的应用，分析其优势和局限性，为相关领域的研究和应用提供参考。

2机载激光雷达技术原理2.1 原理概述机载激光雷达利用激光束测量地表特征，通过测量激光脉冲的飞行时间来计算地形高程。

该技术基于激光测距原理，即激光束在大气中以光速传播，当遇到地表或其他目标时，部分光会被反射回来。

通过测量激光脉冲的往返时间，可以计算出激光束与目标之间的距离。

2.2 传感器组成机载激光雷达系统通常由激光发射器、接收器、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）组成。

激光发射器负责发射激光束，而接收器则接收反射回来的光信号。

GPS用于提供飞机的位置信息，而INS则提供飞机的姿态和运动信息。

这些组件共同工作，实现对地表特征的高精度测量。

2.3 数据采集原理机载激光雷达的数据采集过程包括激光束的发射、反射和接收。

首先，激光发射器发射一束脉冲激光，该激光束以高速传播，并在遇到地表或其他目标时被反射回来。

接收器接收反射回来的光信号，并测量激光脉冲的飞行时间。

根据光速和飞行时间，可以计算出激光束与目标之间的距离。

通过在飞机上安装GPS和INS，可以获取飞机的位置、姿态和运动信息，将这些信息与激光距离数据结合起来，可以生成地形高程数据。

这些数据可以用于制图、地形建模和土地资源管理等应用领域。

3机载激光雷达在地理信息系统中的应用3.1 土地规划机载激光雷达在地理信息系统中的应用在土地规划方面具有巨大潜力。

激光雷达技术在输电线路三维设计中的应用摘要：近年来，我国电网建设发展较快，传统的航空摄影测量技术由于受空域、天气等因素的影响且数据精度偏低，无法直接准确获取对建设成本和后期运维有极大影响的林木以及高压线、高铁等交跨物的高度。

因此，激光雷达技术在输电线路三维设计中的应用具有重要意义。

下面笔者就对此展开探讨。

关键词：激光雷达技术；输电线路；三维设计；应用；一、项目应用分析1.项目概况220kV 无锡—上海输电线路工程位于江苏省境内，其功能主要是为了满足我国中线电网“西电东送”、苏南电网负荷增长需要和各种运行方式的潮流输送的需求。

线路总长72.9 km，路径沿线有沪蓉高速，京沪高速，国道G312，S229 省道等，通道内比较拥挤，“三跨”及房屋等障碍物较多(见图1) 。

图1 线路路径2.输电线路点云数据获取及可视化处理本工程使用架站式ＲIEGL 激光扫描仪对线路沿线跨京杭运河、沪宁高铁、京沪高铁以及武南路新建段被跨越的 220 kV 和110 kV 电力线等重要交跨段进行了扫描，扫描范围为线路两侧各50 m，电力线、高铁两侧 100 m 范围。

需扫描的最高塔全高约为75 m，部分路段植被密集。

由于三处交跨分布在线路沿线的三个不同位置，因此分三处分别布设测站进行扫描，外业扫描满足CH/Z 3017—2015 地面三维激光扫描作业技术规程要求，约耗费2 d 时间。

输电线路三维点云数据主要包括通道内的地形地貌点云数据以及输电线路设备元件的点云数据两种。

设计专业可根据线路通道内的地形和通道内老线杆塔，导、地线以及绝缘子、金具的情况来进行杆塔排位及塔型设计。

外业扫描完成后，需要对原始点云进行配准、滤波、分类、缩减、建模等处理，来提取出原始点云数据中的有效信息，确定数据点之间的空间拓扑关系和邻域信息。

将获取的点云数据使用自带的内业处理软件对点云进行数据预处理，对地表、水系、植被等经过抽稀、滤波除噪后进行粗略自动分类，点云自动分类流程如下:激光点云数据→分离多次回波的首次回波和中间回波点→分离低点→分离空中点→分离地面点→分离低于地面点→自动分类后的点云数据。

LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用作者：陈亚仙来源：《华夏地理中文版》2015年第11期摘要：LIDAR是一种集激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种新技术于一身的系统，可以根据得到的高精度、高密度的三维坐标数据来还原目标物的三维立体模型。

该技术目前主要运用于基础测绘DEM、DOM、DLG生产、精密工程测量、数字城市建设等多个领域，文章主要是介绍了LIDAR的技术原理和在测绘的应用。

关键词：LIDAR；技术原理；测绘；应用一、LIDAR的技术原理（一）系统原理。

LIDAR，激光雷达技术。

该技术可以通过三维坐标数据和实时摄影的数码影片，对实体或是场景进行3D模型的还原，使事物呈现出真实的形态。

以载体为依据，LIDAR技术可以分为两大类，分别是地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术。

地面三维激光扫描技术的载体是地面，与传统的地面近景摄影测量相似，是通过激光扫描仪、数码相机和GPS，对目标物进行扫描，以获得激光反射回波数据和目标表面影像，然后利用相关软件，构件三维数字模型，并将目标表面影响贴加到模型表面，使目标物更加的精确。

对地面三维激光扫描系统进行改装之后，即可在固定设备上使用，同时也可以安装在汽车上，对行程中的场景和空间进行数据采集。

机载激光雷达系统是一款由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成的航空测量设备，具有高速度、长距离、高性能的优点，可以对目标物进行同步测量。

数据处理方式是利用特定的方程进行计算，最终产生的高密度的三维激光点云数值作为提取地形信息的数据源。

（二）测量原理。

相较于普通光波，激光的方向性、单色性、相干性都比较好，并且受到大气环境太阳光线的影响较小，激光测距的数据更为准确。

激光射到一个物体的表面反射回去的回波信号被系统接收器接收之后，仪器会计算出从激光射出到接收的时间，记为t，计算激光器到反射物的距离的公式为：距离（d）=光速（c）×时间（t）/2。

三维激光扫描技术在隧道断面测量中的应用摘要：地下铁道工程特别是地铁隧道工程因隧道净空一般自身较小，施工地质环境与工艺复杂，特别是采用盾构法施工时，管片间错台错缝变化相对量较大，隧道后期徐变时间长且不可控与逆转，故在贯通后与运营期须进行比公路与铁路隧道更高密度的断面与特征点测量检查，以期保证行车与建筑限界不相互冲突。

随着科技发展，工程建设规模的日渐庞大，三维激光扫描技术逐渐进入地铁隧道检测中。

关键词：三维激光扫描；隧道断面测量各类型隧道工程项目竣工前都必须对项目所建隧道工程进行检查，其中最基本的一条即对隧道断面进行检测（部分顶管法施工除外），以检核其净空尺寸是否满足设计和使用功能要求。

地下铁道工程特别是地铁隧道工程因隧道净空一般自身较小，施工地质环境与工艺复杂，特别是采用盾构法施工时，管片间错台错缝变化相对量较大，隧道后期徐变时间长且不可控与逆转，故在贯通后与运营期须进行比公路与铁路隧道更高密度的断面与特征点测量检查，以期保证行车与建筑限界不相互冲突。

随着科技发展，工程建设规模的日渐庞大，三维激光扫描技术逐渐进入地铁隧道检测中。

本文仅描述三维激光扫描技术在地铁隧道贯通后在隧道断面测量中的这一功能应用，其他不作发散。

工程作业环境介绍：我司监理的某地铁工程某盾构区间贯通已有一年多，经壁后多次注浆加固和堵漏、隧道徐变自稳、隧道管片清洗后，拟准备验收移交，在此之前需再次对隧道净空断面进行测量检查。

车站内后续为移交做准备而布设的控制点已经多方测量，经检查隧道两端车站稳定，隧道贯通后洞内改建的控制点稳定，施工单位已用全站仪采集了设计单位要求测量的断面特征部位数据，第三方测量单位采用美国FARO Focus 3D三维激光扫描仪进行测量检查复核。

一、三维激光扫描技术简介三维激光扫描技术是激光扫描仪通过发射高频激光脉冲，测量每个激光脉冲从发出经被测物体表面返回仪器所需的时间差来计算距离S，以仪器中心为坐标原点，同步测量每个激光脉冲横向角度值α及纵向角度观测值β，获得激光采样点的坐标：图1扫描点位坐标计算原理图与传统的断面检测技术进行比较分析，三维激光扫描检测本身优势相对较为明显。

激光雷达测绘技术在工程测绘中的运用摘要：激光雷达测绘技术可以高精度、全要素、多维度的迅速的获取地物信息，应用越来越广泛。

随着工程技术的发展和工程建设的要求越来越高，BIM三维协同设计、三维实景建模、文物保护、矿山测绘、沉降监测等都对测绘数据提出了密度、维度、精度等方面更高的要求，激光雷达测绘技术的应用正逢其时。

本文通过阐释工程测绘和激光雷达测绘技术，分析了激光雷达测绘技术的基本原理，重点对激光雷达测绘技术在工程测绘中的实际应用进行研究。

关键词：工程测绘；测绘技术；激光雷达随着工程技术的发展和进步，工程测绘中逐渐应用各种先进科技，而激光雷达测绘技术也包含在内。

在工程测绘中应用激光雷达测绘技术有较大优势，其大大的提升了工程测绘的工作水平和工作效率。

与传统的测绘技术相比，激光雷达测绘技术有较高的准确性及精度，能够对工程测绘的效率有效提升，由于激光雷达测绘技术在我国的应用较晚，在处理数据方面仍不够成熟，因此还应通过深入研究，适当进行改进并完善，促使我国工程测绘行业得到有效发展。

1激光雷达测绘技术的简介1.1激光雷达测绘技术测绘主要是指以电子通讯技术、计算机技术等先进技术为前提，以GPS、GIS、RS为核心，利用测量获得被测对象的位置信息和图形信息，通过计算、处理以及搜集数据，为加强工程建设的管理与规划奠定坚实的基础。

激光雷达测量技术是最初由欧美发达国家发展起来并投入商业化应用的一门新兴技术，在三维空间信息的实时获取方面取得了重大突破，为获取高时空分辩率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段，是当今测量业界先进的测绘技术。

激光雷达测绘技术，又称为LIDAR，运用电磁波将信号发送给被测位置，通过将以往发送的信号和接收的信号作对比的过程，将被测对象的高度、宽度、距离以及物体处于静止或者运动的状况进行准确的计算，进而达到勘测和跟踪被测对象的目的。

激光雷达测绘技术可以在同一时间获得三维的空间坐标，使其能够达到同步进行的效果，利用RealWorks、Pointools、3dsMax等点云处理、建模软件实现一套完善的数字模型。

机载激光雷达(LiDAR)测量在公路三维测设中的应用探究机载激光雷达（LiDAR）测量技术融合了多种先进技术，在公路三维测设中发挥着更大的作用。

基于此，本文分析了机载激光雷达（LiDAR）测量的技术的使用优势，阐述了辅助地面控制测量、采集参数的选择、横断面的采集、DOM、DEM、DLG的制作这些机载激光雷达（LiDAR）测量技术在公路三维测设中的应用。

标签：机载激光雷达（LiDAR）测量;公路;三维测设作为一种新型的空间测量技术，机载激光雷达（LiDAR）测量技术融合了全球定位系统（GNSS）、激光扫描、摄影测量、惯性导航系统（IMU）等技术，能够更加准确的、快速的完成地表三维空间信息的收集。

可以说，机载激光雷达（LiDAR）测量技术是继GPS技术后的又一次三维测绘技术进步。

经过实践能够发现，机载激光雷达（LiDAR）测量技术能够更加高效的获取地面精密数字地面模型，在公路三维测设中发挥着重要的作用。

一、机载激光雷达（LiDAR）测量的技术分析（一）机载激光雷达（LiDAR）测量技术的使用优势分析对于机载激光雷达（LiDAR）测量技术来说，其融合的多种先进技术，在公路三维测设中有着更好的使用有优势。

机载激光雷达（LiDAR）测量技术主要有以下几种使用优势：第一，数据密度相对较高。

机载激光点云的采集间距相对较小，一般在0.8-1.2米之间。

结合实际的需求该间距可以更小。

在这样的采集条件下，数据密度显著提升，在真实地面高程模型的建立中有着极大的优势。

而在传统的DTM测量中，平均点的间距在25米左右。

可知，机载激光雷达（LiDAR）测量技术有着更高的数据密度。

第二，精确度相对较高。

对于机载激光点云数据来说，其获取都是激光测量直接完成的。

理论上，机载激光雷达（LiDAR）测量技术的高程精度可以达到0.1米;平面精度可以达到0.15米。

而在传统的航测中，理论上的高程精度为0.3-0.5米。

第三，空三定位更为先进。

激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用摘要：随着社会及科学技术的快速发展，在工程测绘领用淘汰了一些传统落后的工程测绘技术，引进了一些先进工程测绘技术，激光雷达测绘技术就是其中之一，本文阐述了激光雷达技术测绘原理并就其应用在工程测绘中进行了探讨。

关键词：激光雷达；测绘技术；工程测绘；应用1、激光雷达测绘技术激光雷达测绘技术的英文简称是 LIDAR，激光雷达测绘技术主要是由激光发射机技术、空间扫描技术、终端信息处理技术以及高灵敏度接收机设计技术等四个部分组成。

激光雷达测绘技术能够同步、准确、高效的获取空间三维坐标信息，同时可以随时把摄影获得的像片利用计算机重组技术构建实物的3D数据模型，提高获取空间信息的效率。

下面本文激光雷达测绘技术进行简要分析：1.1激光发射机技术目前的激光雷达发射机选用的光源有两种，分别是半导体泵浦固体激光器与气体激光器。

半导体激光器一般都是小型化有十几种工作物质的激光器。

半导体激光器的激励方式一般有高能电子束、电注入式、电泵式，目前使用的大多数是电注入激励的。

随着电子技术、电子产品的快速发展，半导体激光器发展的速度也非常快。

半导体泵浦固体激光器具有质量轻、稳定性好、体积小方便携带、使用寿命长等诸多优点，是一个具有很好发展前景的激光器。

气体激光器是目前种类最多的激光器，也是应用最广的激光器，具有的优点是性能稳定、光速质量好。

1.2空间扫描技术空间扫描技术的方式分为扫描体制及非扫描体制，扫描体制是我国普遍选用的扫描方式。

1.3终端信息的处理技术终端信息的处理系统不但要对扫描机、传动结构、信号处理电路和激光器进行同步协调处理，而且要对接收机送出的信息进行整合处理。

在当前通常使用计算机与大规模的集成电路来实现终端信息处理系统，在单元测距方面使用FPGA技术来完成。

1.4高灵敏度接收机设计技术高灵敏度接收机设计的接收单位是由光学系统、光电探测器与回波检测处理电路组成，高灵敏度接收机设计技术的基础要求是接受灵敏度高、虚警报率低和回波探测概率高。