机载激光雷达技术在电力线路勘测中的应用

2022-09-10

机载激光雷达 (L I D A R) 技术是一种将激光用于回波测距和定向, 并通过位置、径向速度及物体反射特性等信息来识别目标的技术。它集中体现了激光测距技术、高精度动态载体姿态测量技术、高精度动态G P S差分定位技术和计算机技术的迅速发展, 是近十年来摄影测量与遥感领域革命性的成就之一, 也是目前最先进的三维航空遥感技术。与传统航空摄影测量技术相比, 机载激光雷达技术是一种主动式测量技术, 能够快速获取大面积地表三维数据, 具有可穿透植被、自动化程度高、高精度以及作业成本低等特点。可用于快速生产数字高程模型 (D E M) 、数字表面模型 (D S M) 和数字正射影像 (D O M) , 也可用于城市三维建模、自然灾害评估、资源调查、海洋监测、大型工程测量等各个方面。

近年来, 为了适应国民经济的快速发展, 缓解日趋突出的电力供求矛盾, 我国电力建设正在加速发展。超高压送电线路作为国家主干电网的重要组成部分, 其建设要求越来越高, 传统的和现存的超高压送电线路的测量方法由于存在外业工作量大、断面精度低以及工期比较长等弊端, 已渐渐不能适应这一发展要求。随着机载激光雷达技术的快速发展和日趋成熟, 它开始越来越多地应用于超高压送电线路的工程测量, 它必将像G P S技术和航测技术一样, 给超高压送电线路的测量带来一场新的技术革命。

1 激光雷达测量系统的工作原理和系统构成

1.1 激光雷达测量系统的工作原理

假设三维空间中一点O s的坐标 (X s, Y s, Z s) 已知, 求出该点到地面上某一待定点P (X, Y, Z) 的向量S, 则P点的坐标就可以通过O s的坐标加向量S得到。

在机载激光雷达系统中, 通过记录激光脉冲从发射到经地面目标反射后回到接收器的时间差t, 可以精确测定激光发射器到地面反射点之间的距离, 其中c为光速。与此同时, 惯性测量系统 (IMU) 可以精确测定飞行器的瞬间空间姿态参数, GPS能够精确提供飞行器的瞬间空间三维坐标。结合激光扫描仪测得的斜距、IMU测得的飞行器姿态参数和GPS测得的飞行器三维坐标, 可以解算出每个激光脚点精确的三维坐标 (X, Y, Z) 。通过大量高密度激光脚点的三维坐标, 可以获取高精度的数字高程模型, 从而达到测量地形地物的目的。

1.2 激光雷达测量系统的系统构成

机载激光雷达测量系统一般由以下五个部分构成:激光扫描仪、动态差分G P S、惯性测量系统 (I M U) 、数码相机和中心控制单元。

激光扫描仪:激光扫描仪是L I D A R系统的核心, 一般由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成。它利用激光的单色性好、方向性强、能量高、光束窄等特点, 实现高精度的计量和检测, 如量测长度、距离、速度、角度等等。在机载激光雷达测量系统中, 激光扫描仪用于测定传感器到地面点的距离。

动态差分G P S:机载激光雷达采用动态差分G P S技术, 其G P S组件由两个地面基准站和一个空中流动站组成, 作为空中流动站的GPS与飞机上的LIDAR系统相连, 两台基准站G P S接收机则同步而连续的观测G P S卫星信号, 通过载波相位测量差分定位技术后处理获取扫描装置投影中心的三维坐标。

惯性测量系统:惯性测量系统是L I D A R的一个重要组成部分, 负责提供飞行器的瞬时姿态参数, 包括俯仰角、侧滚角和航偏角三个姿态角, 每秒能测50至200次。该系统不仅可以是飞行员保证飞行姿态, 还可以为后续处理提供数据。

数码相机:高分辨率的数码相机用于同步获取目标区域的数字影像信息。所获取的信息主要有三种用途, 其一是记录目标实况, 以便对后续生成的D E M产品的质量进行评价;其二是作为一种纹理数据源;其三是用于后续的目标分类。这些影像信息可以弥补L I D A R系统在纹理和光谱信息方面的不足, 达到优势互补的目的。因此, 目前越来越多的L I D A R系统中集成了高分辨率的航空数码相机。

中心控制单元:机载L I D A R系统由多个重要硬件组成, 系统内部设备之间的精确同步及控制主要由中心控制单元来完成。中心控制单元一般都采用导航、定位和管理系统严格同步的方式记录I M U角速度、加速度增量以及G P S位置、激光扫描仪和数码相机数据。

2 电力线路工程设计的特点及发展

超高压送电线路是国家主干电网的重要组成部分, 随着国家电力建设的加速发展, 其建设要求也越来越高, 目前其建设要求主要呈现出以下三个特点: (1) 线路距离长, 覆盖范围大; (2) 安全可靠性要求高; (3) 建设工期要求越来越短。由于超高压送电线路的建设要求具备以上三个特点, 因此要求所使用的测量方法必须具备与之对应的以下三个特点: (1) 能够获取大面积的地表三维数据; (2) 数据精度要求高; (3) 数据生产周期短。

传统的和现存的超高压送电线路的测量方法有工程测量方法、航测方法及工程测量与航测相结合的方法等。其中传统的工程测量方法由于其外业劳动强度大、选线时难以保证线路走向经济合理、自动化程度低、平断面精度低、出错率高、工期长, 已逐渐被淘汰;现存的线路测量方法主要采用工程测量与航测相结合的方法, 航测方法主要使线路走向经济合理, 测出连续平断面图, 工程测量方法则用来检验修正航测平断面图。现存的线路测量方法虽然克服了传统方法的一些弊端, 但是仍然存在外业工作量比较大, 平断面精度比较低, 对植被及交叉跨越的高度无法确定, 工期比较长等缺点。机载激光雷达技术可以有效地克服这些缺点, 它与传统的和现存的测量方法的优缺点对比如表1所示。

与传统的和现存的测量方法相比, 采用机载激光雷达技术进行电力线路勘测具有如下优势: (1) 由于省去了航外像控测量, 野外调绘工作量大大减少, 作业成本自然降低; (2) 作业期短。无须进行航外像控测量, 野外调绘工作量减少, 内业测图效率提高75%左右; (3) 数据处理自动化程度高; (4) 平断面数据精度高; (5) 选线过程中的辅助信息丰富。借助激光点云数据, 在优化选线过程中可方便地向设计人员提供诸如房高、树高、塔高等信息。另外, 从长远来看, 采用机载激光雷达技术进行电力线路勘测, 有利于业主单位将来实现数字电网, 亦可节约一大笔投资。

3 机载激光雷达技术在电力勘测设计中的应用

我国在应用机载激光雷达技术进行电力勘测设计方面尚处于起步阶段, 中南电力设计院、广西电力工业勘测设计研究院、西南电力设计院等单位先后做了超高压或特高压工程设计的实验, 均取得了成功。陈功, 程正逢等于2 0 0 6年5月在罗平至百色二回5 0 0 k V紧凑型输电线路勘测设计工程中, 运用激光雷达技术进行了生产实验, 并且同常规勘测设计模式进行比较, 实践结果表明激光雷达系统的精度基本能够达到设计要求, 取得了较好的效果。郑小兵, 全晓萍等通过晋东南至南阳特高压工程实践, 摸索出机载激光测量系统在输电工程中的作业模式和达到的实际精度, 并验证了影响精度的有关因素。黄学明等将机载激光雷达技术应用于大新至南宁5 0 0 k V线路, 通过优化线路路径, 优化排杆, 减少森林砍伐、农田占用等使该工程各项技术经济指标明显改善, 证明了机载激光雷达技术在送电线路设计中的运用是成果的, 为节约投资提供了另一种途径。下面以罗平至百色二回5 0 0 k V紧凑型输电线路勘测设计工程为例, 说明机载激光雷达技术应用于电力线路勘测设计的优势。

机载激光雷达技术为罗百二回5 00kV工程提供了高精度、高分辨率的数码影像数据和三维激光点云数据, 在架空线路一体化软件平台支撑下完成罗百I I回500 kV线路工程的优化设计工作, 具体的优化对比效果如表2所示, 其中罗百I回与罗百II回初设均采用传统航测技术进行测量。

就罗百II回优化设计来说, 其路径长度与罗百I回500 kV线路路径长度几乎相当, 但比罗百I I回500k V线路初设路径缩短5.9km, 地形条件得到改善;此外, 相比罗百I I回初设情况, 还减少了林木砍伐和农田占用2%左右, 房屋拆迁量减少2799 m 2, 土石方量单位公里减少223.39m 3, 基础钢材单位用量比罗百I回降低0.27吨, 比罗百II回初设降低0.18吨, 单位塔材用量增加0.94吨。可以看出, 机载激光雷达技术对于用地紧张的、赔偿高的地区进行线路优化设计具有更好、更精确的科学判断。