机载LiDAR在电力行业中的应用--以A-pilot三维激光扫描仪为例
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机载LiDAR在电力行业中的应用--以A-pilot三维激光扫描仪为例(2013-08-13 14:28:58)
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1.简介
随着我国经济的发展、高速铁路的建设，对电力的需求也呈高速增长，相应地对电网建设的需求也越来越高。
国家在十二五期间也投入了1.7万巨额资金用于电网的建设，新增线路1.32万公里，直流线路1.22万公里。
计划到2020年底，中国将建成覆盖华北、华中、华东地区的特高压交流同步电网，建成800千伏向家坝－上海、锦屏－苏南、溪洛渡－株洲、溪洛渡－浙西等特高压直流工程15个，包括特高压直流换流站约30座、线路约2.6万公里，输送容量达9440万千瓦。
面对如此大规模的电力网络，如何进行高效地管理，保证电网正常运行，确保输电安全，显得尤为重要。
任何停电事故不仅会对电力企业造成经济损失，而且会对整个社会和电力用户造成严重影响。
机载激光雷达测量技术是继GPS技术之后在遥感测绘领域的又一场技术革命。
它可以同步采集高精度激光点云数据和高分辨率影像数据，结合地理信息技术可大大提高电网建设的水平与效率。
机载激光雷达测量集成了激光扫描仪和高精度数字相机两种最主要的探测传感器，利用激光测距原理和摄影测量原理，快速获取大面积地球表面的三维数据，具有测量速度快、精度高，穿透性好，受外界环境影响小，自动化程度高等特点，最大程度地反映地表真实状况，可快速生成DEM、DSM和DOM.。
对于规划电网线路，通过机载激光雷达测量技术采集和处理的规划沿线数据，为电力线路优化，外业勘测，设计施工提供数据支持与指导。
对于已建设电网线路，利用机载激光雷达测量技术采集和处理的电网沿线数据，可以恢复电线实际形状，自动测量电线到地面的距离和相邻电线间距，计算垂曲度、跨度等，实现危险点预警，以便及时调整与维修线路。
2.机载激光雷达测量技术在电网中的应用
2.1作业模式
传统的电网建设，包括规划、线路设计、杆塔排位、外业施工等。
所需的数据基本都是采用人工测绘或者航空摄影测绘的方式，主要的缺点就是数据不直观，精度低，再利用程度低。
机载激光雷达用于输电线路优化设计包括数据获取、数据处理、优化设计等工作内容。
（1）原始数据获取
航飞之前需要制定相关飞行计划，安装机载激光雷达测量系统（包括三维激光扫描仪、数字相机、惯性导航系统、GPS接收机等），并对系统进行测试，测试正常后进行飞行采集数据。
（2）基础数据处理
机载激光雷达测量系统采集的数据需要进行一定的处理之后才能使用，可分为预处理和后处理。
预处理包括导航数据解算和激光数据预处理。
后处理包括点云分类、坐标匹配、影像定向、正射纠正和镶嵌、三维模型建立。
（3）线路优化设计
以高精度的点云数据、DEM和DOM为基础，结合实际架设线路的业务需求，采用多人协同设计，实现线路路径优化设计、电力塔优化选址等。
航线规划设计软件飞行导航软件
设备状态监控软件激光点云解算软件
2.2应用特点
（1）以数字高程模型（DEM）、数字地面模型(DSM)、数字正射影像（DOM）等成果为基础直接基给定的基本参数，自动进行断面数据采集，实现内业路径的快速、有效优化。
（2）基于断面及真三维环境下进行塔位优化，根据塔位坐标数据、塔基断面数据、树木高度及分布位置、房屋拆迁分布图，对线路的各项指标进行统计。
（3）直接在数字高程模型、数字地面模型、数字正射影像等数据构建的高精度环境中进行快捷的优化设计，包括线路路径、空间测量、农田、建筑物的绕行、拆迁量计算等，可以对选线区域的房屋拆迁、树木砍伐等工程量进行快速智能评估，并作出最优决策。
（4）可以直接把三维成果与CAD系统、各种专业计算，包括三维铁塔结构、基础设施等方案设计进行无缝对接，实现双向利用。
DSM
DEM
2.1.3数字化移交
基于点云数据设计的输电线路，最终提交用户的是包含高精度地形数据、线路杆塔设计数据的数字化成果，用户可以直接把这些数字化成果导入到已有的数字化电网管理系统中，进行后期电网运营管理，为用户大大节省了投资。
2.2机载激光雷达测量技术在已建电网线路中的应用
机载激光雷达技术在已建电网中的应用包括电力巡线、线路资产管理和电力专业分析三部分。
2.2.1电力巡线
电力巡线最主要的任务就是检查并发现输电线路中的设施异常与隐患，以及沿线建筑、树木等对电线的威胁。
利用机载激光雷达测量系统获取的高精度点云可以检测建筑物、植被及交叉跨越对线路的距离是否符合规范，线间距是否满足安全运行的要求。
室内人员可以根据获取的高精度同步影像对沿线异常情况进行判别。
2.2.2线路资产管理
通过巡线采集的点云和高清影像数据，处理成标准的DOM、DEM，结合分类后的点云可以实现电力线路的三维建模，恢复电力线沿线地表形态、地表附着物（建筑、树木等），线路杆塔三维位置和模型等，并将线路的属性参数录入，实现线路资产管理。
2.2.3电网专业分析
利用机载数据数字化建成的三维电网实现了三维电网在电脑中的重现。
根据电塔上的安装温度、湿度、风速等监控设备传回的数据，可以在三维数字化电网的基础上进行各种专业电力分析，如预测模拟不同温度、风速、覆盖条件下弧垂变化情况，模拟树木生长情况，为线路管理决策提供有力支撑。
3.应用案例介绍
下面以北科天绘的机载激光电力巡线系统E+AP为例,，介绍介绍机载激光雷达测量技术在电网中的应用情况。
3.1电力优化选线
为了更好地提高成都电网选线的效率，加大新技术应用水平。
北科天绘利用自主研发的机载激光电力巡线系统对成都某地100kV的的电网进行了巡检。
本工程起点成都100kV变电，终点为广西百色变电站。
线路大致走向为从西向东，单回架设，推荐路径方案全长286.1km，采用紧凑型输电技术。
机载激光雷达测量技术为本工程提供了高精、高分辨率的数码影像数据和三维激光点云数据空线路一体化软件平台支撑下完成罗平一百色Ⅱ回100kV线路工程的优化设计工作，对比罗百色Ⅱ回100 k V线路工程初设情况和罗百100k V线路采用传统航测技术优化设计情况，对主要技经指标进行统计分析。
在机载激光雷达航摄提供的高精度数据基础上，通过对线路路径设计、电力塔设计等多方面的严格控制与优化，从实际统计的，罗百Ⅱ回500k V线路工程采用机载激光雷达测量技术达技术达到了优化设计的预期效果，经济性较传统路径优化设计有更大提高，并且环境影响更小。
与罗百Ⅱ回100k V线路初设对比，本体投资节省约783.18万元，每千米节省2.74万元。
利用机载激光雷达测量技术进行线路优化设计达到了路径优化、尽量减少拆迁和树木砍伐、增加环境保护，减少劳动强度、加快设计进度、提高设计质量的效果。
3.2电力巡线
2007年，华北电网网超高压公司一条长308k m的电力线路，突遇50年不遇的暴风雪，造成超高压输电线路的大面积停电，直接影响到首都的用电安全。
华北电网超高压需要在不拉闸断电的情况下，量测出所有间距太近、影响线路安全的位置，进而安装间隔棒，为保护维修工程提供依据。
，通过实践表明，采用直升机载激光雷达技术采集的高精度点云，快速、准确地进行线间距三维量测，测量精度满足5cm要求。
4.总结
在电网建设与管理中的应用实践表明，机载激光雷达测量技术有着其他测绘手段无法比拟的优势，可以贯穿整个电网建设和管理流程。
目前，我国电网建设的手段相对比较落后，2008年的大面积冰灾更加表明了这一点，因此需要积极地引进机载LiDAR等新技术，加快我国数字电网建设的步伐。
