LIDAR技術在林(lín)區(qū)輸電線路工程中的(de)應用(yòng)

發布日期：2018-06-26 00:00 浏覽量：8285

　　1 緒論

　　1.1 研究背景

　　1.1.1 LIDAR技術簡介

　　機載激光(guāng)雷達技術（Airborne Light Detection and Ranging），簡稱LIDAR技術，是一種主動式遙感對(duì)地觀測的(de)新興技術，集激光(guāng)測距技術、計算(suàn)機技術、慣性測量單元（IMU）/DGPS差分(fēn)定位技術三種技術于一體，能夠直接得(de)到高(gāo)精度的(de)三維坐(zuò)标信息。機載LIDAR主要用(yòng)于獲取地形、地貌數據，是地形圖測繪的(de)全新手段，具有強大(dà)的(de)生命力和(hé)良好的(de)發展前景，被認爲是對(duì)傳統的(de)攝影(yǐng)測量方法的(de)巨大(dà)挑戰。

　　1.1.2 LIDAR技術的(de)特點和(hé)優勢

　　首先，由于LIDAR技術采用(yòng)主動發射測量信号的(de)工作方式，能夠全天候實施對(duì)地觀測，使它在災害監測、環境檢測、資源勘察、軍事等方面的(de)應用(yòng)具有獨特的(de)優勢。其次，激光(guāng)掃描儀發射的(de)激光(guāng)脈沖具有很強的(de)穿透能力，能部分(fēn)地穿透樹林(lín)遮擋，直接獲取真實地面的(de)高(gāo)精度三維地形信息，它是目前唯一能測量森林(lín)覆蓋地區(qū)地面高(gāo)程的(de)可(kě)行技術。最後，它能進行輸電線路測量外業作業困難地區(qū)（如采石場(chǎng)、大(dà)型垃圾堆、懸崖峭壁等）的(de)測圖工作，不受地域地形限制。所以基于以上論述，我們可(kě)以肯定LIDAR技術對(duì)于森林(lín)地區(qū)的(de)輸電線路測量有明(míng)顯的(de)自身優勢。

　　1.1.3 傳統輸電線路勘測定位方法在林(lín)區(qū)的(de)局限

　　随著(zhe)電網建設的(de)發展，線路規劃走廊的(de)位置确定愈加困難，常常需要穿越植被覆蓋十分(fēn)密集的(de)森林(lín)地區(qū)，這(zhè)對(duì)輸電線路的(de)測量工作帶來(lái)了(le)很大(dà)的(de)困難。傳統的(de)工程測量方法中山區(qū)路?工作強度大(dà)，費用(yòng)高(gāo)，返工率高(gāo)，一直是輸電線路測量工作的(de)難點。目前輸電線路的(de)測量主要是用(yòng)航空攝影(yǐng)測量、無人(rén)機航拍(pāi)攝影(yǐng)測量等技術來(lái)輔助傳統的(de)全野外人(rén)工測量。各測量手段内外業形式不同并相互補充，仍以航空攝影(yǐng)測量爲主。但是，航空攝影(yǐng)測量在森林(lín)地區(qū)作業時(shí)面臨著(zhe)諸多(duō)困難，如外業控制困難、加密選點困難、影(yǐng)像匹配困難、立體測圖困難等。由于影(yǐng)像遮蔽，立體測圖編輯時(shí)往往用(yòng)人(rén)工估計的(de)方法，造成這(zhè)些地方的(de)精度很低，以至于無法滿足要求。因此，本文主要研究的(de)森林(lín)地區(qū)高(gāo)精度數字高(gāo)程模型的(de)獲取對(duì)于林(lín)區(qū)輸電線路測量有著(zhe)重要的(de)實踐意義和(hé)價值。

　　1.2 技術要點

　　1.2.1 系統工作原理(lǐ)

　　機載激光(guāng)雷達測量系統一般以飛(fēi)機或直升機作爲飛(fēi)行平台，通(tōng)過激光(guāng)測距獲取地表高(gāo)程信息。其工作原理(lǐ)爲：當機載LIDAR航攝飛(fēi)行時(shí)，激光(guāng)掃描儀發射、接收激光(guāng)束，對(duì)地面進行線狀掃描，與此同時(shí)，動态GPS系統确定傳感器的(de)空間位置（經緯度），IMU測量飛(fēi)機的(de)實時(shí)姿态數據，即滾動、仰俯和(hé)航偏角。由于系統的(de)幾個(gè)部分(fēn)同步工作并集成于一體，GPS和(hé)IMU的(de)數據融合極爲方便，所以經計算(suàn)機對(duì)獲取的(de)數據經過匹配計算(suàn)等内部處理(lǐ)後，即可(kě)獲取地面的(de)三維數據。

　　1.2.2 濾波和(hé)分(fēn)類的(de)思路及目前主流的(de)分(fēn)類方法

　　LIDAR獲得(de)的(de)數據是在三維空間中呈随機離散且不規則分(fēn)布的(de)點集，即點雲。數據處理(lǐ)的(de)基本思路是将點雲數據進行分(fēn)解，将地面點及非地面點如房(fáng)屋、植被等分(fēn)開，得(de)到數字地面模型DTM。研究如何從DSM中分(fēn)離出DTM點子集以及區(qū)分(fēn)不同地物(wù)子集，就是所謂的(de)數據濾波和(hé)分(fēn)類。

　　目前用(yòng)于機載LIDAR數據濾波的(de)方法主要概括來(lái)講大(dà)緻有形态學濾波法；移動窗(chuāng)口法；線性預測法；基于地形坡度濾波；移動曲面拟合濾波法等。由于單純的(de)激光(guāng)點雲數據有一定的(de)盲目性，加之自然界複雜(zá)的(de)地形決定了(le)所有的(de)濾波和(hé)分(fēn)類算(suàn)法都是一個(gè)複雜(zá)的(de)算(suàn)法且都需要反複叠代進行，在實際應用(yòng)過程中要針對(duì)不同的(de)地形和(hé)應用(yòng)目的(de)選擇合适的(de)算(suàn)法。

LIDAR技術在林(lín)區(qū)輸電線路工程中的(de)應用(yòng).jpg

　　2 工作流程

　　2.1 原始點雲數據采集

　　2.1.1 航帶設計

　　輸電線路的(de)航飛(fēi)設計，應遵循安全、經濟、周密、高(gāo)效的(de)原則。以初設審查後的(de)路徑方案爲導向，以1/5萬、1/1萬比例尺地形圖爲底圖，連續布設若幹個(gè)有一定重疊度的(de)航帶，導出飛(fēi)行路徑文件提交航飛(fēi)單位。航飛(fēi)單位須按照(zhào)航飛(fēi)路徑向相關地區(qū)部門申請空域航飛(fēi)權，由于LIDAR系統通(tōng)常帶有CCD相機，航飛(fēi)單位在航飛(fēi)權期間需選擇合适的(de)天氣進行航飛(fēi)以保證影(yǐng)像質量。

　　2.1.2 航飛(fēi)數據質量檢查驗收

　　對(duì)于航飛(fēi)單位提交的(de)成果數據需進行檢查驗收，确保航帶之間沒有出現空缺遺漏，所有航帶範圍内點雲數據沒有漏洞，且對(duì)影(yǐng)像清晰度、色調、有無雲影(yǐng)遮擋等影(yǐng)像質量進行檢查。另外，對(duì)航飛(fēi)單位一并提交的(de)項目完成情況、飛(fēi)行質量報告等附件進行核查，确保航飛(fēi)資料的(de)完整性。

　　2.2 林(lín)區(qū)LIDAR點雲數據的(de)濾波和(hé)分(fēn)類處理(lǐ)

　　有時(shí)候濾波和(hé)分(fēn)類是同時(shí)進行的(de)，尤其是在地物(wù)類型比較單一的(de)地區(qū)，如本文研究的(de)森林(lín)地區(qū)，激光(guāng)點雲的(de)種類隻考慮三種：地面點、非地面點和(hé)噪聲點。因此如何剔除噪聲，并在濾波的(de)同時(shí)進行分(fēn)類，是LIDAR數據林(lín)區(qū)濾波的(de)重點。

　　2.2.1 濾波和(hé)分(fēn)類預處理(lǐ)

　　在LIDAR原始點雲數據中，由于外界環境因素的(de)影(yǐng)響，獲取的(de)掃描點雲數據内可(kě)能包含不穩定的(de)點和(hé)錯誤的(de)點。這(zhè)些點包括：不屬于地表的(de)極高(gāo)點，一般源自于空中物(wù)體如鳥、低空飛(fēi)行器等；極低點，他(tā)們的(de)出現源自于系統的(de)粗差，一般在水(shuǐ)域比較明(míng)顯。所以，在使用(yòng)這(zhè)些數據之前，應将這(zhè)些極高(gāo)點和(hé)極低點予以剔除。

　　2.2.2 一次分(fēn)類和(hé)二次分(fēn)類

　　對(duì)經過預處理(lǐ)的(de)點雲數據進行一次分(fēn)類，主要目标是分(fēn)出地面點與非地面點。鑒于移動窗(chuāng)口濾波法具有适用(yòng)于各種特征地形、運行穩健、分(fēn)類精度高(gāo)等特點，本次分(fēn)類我們選擇了(le)移動窗(chuāng)口濾波法。移動窗(chuāng)口法基本思路是先定義一個(gè)很大(dà)的(de)窗(chuāng)口（Grid），找出該窗(chuāng)口中的(de)最低點作爲地形點，移動窗(chuāng)口到下(xià)一個(gè)區(qū)域再找出最低點，直到遍曆所有數據。通(tōng)過找出的(de)最低點，拟合一個(gè)曲面或TIN作爲初步的(de)地形模型，并利用(yòng)該DTM于所有測量點之間的(de)殘差進行判斷，将不需要的(de)點剔除，然後調小窗(chuāng)口的(de)尺寸和(hé)判斷的(de)閥值，再遍曆所有數據生成新的(de)DTM進行數據過濾，往複幾次後得(de)到的(de)非常逼近的(de)DTM。

　　一次分(fēn)類完成後，繼續對(duì)非地面點進行二次分(fēn)類，目标是提取出激光(guāng)腳點打到樹頂上反射接收到的(de)植被表面點。采用(yòng)同樣的(de)思路，通(tōng)過尋找移動窗(chuāng)口中的(de)最高(gāo)點作爲植被表面點，移動窗(chuāng)口直到遍曆所有數據，往複幾次後得(de)到逼近真實樹頂的(de)植被表面模型。

　　2.2.3 人(rén)工幹預

　　自然界複雜(zá)的(de)地形決定了(le)不可(kě)能有一個(gè)适應所有地形的(de)算(suàn)法，尤其是對(duì)于帶有植被的(de)粗糙山地時(shí)都會産生一定的(de)錯誤分(fēn)類，尤其是在地形高(gāo)差變化(huà)較大(dà)、或地形不連續的(de)區(qū)域（如深陡坎、陡壁、采礦開挖地帶等），采用(yòng)自動濾波很難達到理(lǐ)想結果，甚至于無法進行，因此人(rén)工幹預是必要的(de)。人(rén)工手動分(fēn)類通(tōng)常應融合影(yǐng)像數據，結合三維立體圖、暈渲圖等，采用(yòng)人(rén)工交互編輯手段來(lái)進行，對(duì)輸電線路沿中心線左右各100m範圍内的(de)線路走廊和(hé)危險點、關注點區(qū)域進行DTM檢查和(hé)手動分(fēn)類，獲得(de)高(gāo)精度的(de)DTM數據。實踐證明(míng)，這(zhè)種方法是行之有效的(de)。

　　2.3 利用(yòng)高(gāo)精度DTM數據輔助林(lín)區(qū)輸電線路測量

　　在輸電線路勘測定位過程中，利用(yòng)分(fēn)類後的(de)高(gāo)精度DTM成輸電線路平斷面圖、塔基斷面、風偏等，作爲野外勘測定位的(de)基準數據，在此基礎上進行修測，大(dà)大(dà)減少了(le)外業勘測工作量，縮短了(le)工期，提高(gāo)了(le)工作效率。另外，利用(yòng)植被表面模型通(tōng)過計算(suàn)可(kě)以準确評估線路導線與周邊物(wù)體（在林(lín)區(qū)主要爲交跨樹木(mù)）的(de)最小距離，作爲勘測定位中危險點、關注點修測的(de)依據，避免後期線路運行中發生樹閃等引發停電的(de)安全事故。

　　2.4 外業作業困難地區(qū)地形數據的(de)勘測補充

　　在林(lín)區(qū)勘測定位過程中，有時(shí)會遇到測量人(rén)員(yuán)作業困難甚至無法作業的(de)地區(qū)，如采石場(chǎng)、大(dà)型垃圾堆、懸崖峭壁等。LIDAR數據不受地域地形限制的(de)特點和(hé)優勢，針對(duì)這(zhè)些區(qū)域可(kě)以有效補充，保證了(le)勘測成果的(de)質量。

　　3 工程實例

　　安平至寶山220kVⅡ回線路改造工程，線路全長(cháng)64.87km，線路路徑大(dà)部分(fēn)位于山區(qū)，其中：高(gāo)山30%，山地60%，丘陵10%，沿線地形起伏較大(dà)，區(qū)域海拔高(gāo)程約在140～820m範圍，主要爲山地、高(gāo)山地地形，相對(duì)高(gāo)差較大(dà)。沿線植被發育良好，以松、杉林(lín)爲主；線路沿線規劃區(qū)、保護區(qū)、礦區(qū)等分(fēn)布衆多(duō)，沿線須調查并測量礦區(qū)附近的(de)炸藥庫；測區(qū)勘測定位困難類别定爲：Ⅳ類。在該工程勘測定位階段創新使用(yòng)了(le)LIDAR技術，爲了(le)檢查DTM的(de)精度，在外業定位現場(chǎng)做(zuò)了(le)大(dà)量GPS控制點，将這(zhè)些控制點的(de)工測高(gāo)與濾波和(hé)分(fēn)類後的(de)DTM高(gāo)進行比較，從表中可(kě)以看出絕大(dà)部分(fēn)差值在-0.8～0.8m之間，隻有少數點的(de)絕對(duì)差值超過2m。因此，DTM總體精度是值得(de)肯定的(de)。

　　4 結語

　　作爲一種全新的(de)技術手段，本文探討(tǎo)了(le)LIDAR技術的(de)優勢、工作原理(lǐ)和(hé)組成，對(duì)點雲數據的(de)處理(lǐ)流程做(zuò)了(le)分(fēn)析和(hé)實驗，提出了(le)LIDAR技術在森林(lín)地區(qū)輸電線路工程勘測定位過程中應用(yòng)的(de)可(kě)能性。實測驗證表明(míng)：測量人(rén)員(yuán)提供了(le)可(kě)靠的(de)平斷面、風偏等數據資料，減少了(le)測量外業工作量，大(dà)大(dà)提高(gāo)了(le)工作效率。與傳統的(de)航空攝影(yǐng)測量技術相比，機載LIDAR 測量技術在輸電線路業務中的(de)諸多(duō)方面都具有明(míng)顯的(de)優勢。當然機載LIDAR技術作爲一種新興的(de)技術，在電力行業應用(yòng)領域還(hái)具有很大(dà)的(de)發展潛力，同時(shí)也(yě)存在一些不足，比如在點雲分(fēn)類上還(hái)需要不斷探索和(hé)完善，進而提高(gāo)自動分(fēn)類的(de)準确性；LIDAR獲取的(de)數據源較爲單一，與高(gāo)分(fēn)辨率影(yǐng)像、電子地圖、GIS數據、高(gāo)光(guāng)譜影(yǐng)像等多(duō)源數據的(de)融合匹配等問題還(hái)需要進一步的(de)深入研究。

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