输电线路三维设计中激光雷达技术的运用

摘 要：　输电线路施工设计对通道内地物高程精度要求较高，在初设阶段传统的摄影测量无法满足三维设计对交跨的要求。以江苏某500 k V输电线路工程为实例，介绍了采用地面架站式激光雷达对线路沿线三处重要交跨进行三维激光扫描，并通过对点云的处理、建模，总结分析了激光雷达技术在线路交跨测量及输电三维设计等方面的应用。

　　关键词：　激光雷达; 输电线路; 三维设计;

　　Abstract：　The construction design of transmission lines requires high accuracy of elevation of objects in the channel,and the traditional photogrammetry in the preliminary design stage can not meet the requirements of three-dimensional design for cross-over. Taking a 500 k V transmission line project in Jiangsu province as an example,this article introduces the three-dimensional laser scanning of three important intersections in the line by using ground-based station LiDAR,and summarizes and analyses the application of lidar technology in line intersection measurement and transmission three-dimensional design by processing and modeling point clouds.

　　Keyword：　LiDAR; transmission line; three-dimensional design;

　　0、 引言

　　近年来，电网建设飞速发展，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。运用激光雷达技术可直接获取地物高精度点云数据，经处理后可导入三维平台，方便设计专业进行输电线路优化选线，减少野外工作量。

　　激光雷达技术(Li DAR)是指激光探测及测距系统，利用激光光波进行类似雷达的主动式遥感技术。Li DAR可快速、精确地测量探测器至物体的距离，通过数据处理生成精确的数字地面模型和正射影像[1]，还可以直接提取所需的交叉跨越、房屋等地物信息。地面架站式Li DAR可以在不接触目标地物的条件下直接获取地物表面的三维坐标，并具有较高的采样率和测量精度[2]。相较于传统摄影测量和卫星测量，Li DAR具有受天气影响小、外业工作量少、无需通过立体像对量测直接获取目标点三维坐标，且数据处理自动化程度高、信息丰富、精度高等优势[3]。

　　今年，我院承接了江苏省内首个国网500 k V三维设计试点工程———500 k V茅山～斗山输电线路工程。本工程全线使用飞马固定翼无人机航飞，并通过使用架站式三维激光雷达对线路沿线三处重要交跨进行了扫描建模，使得线路可研初设阶段即可在三维平台进行路径比选，准确判断“三跨”对线路的影响，对输电线路三维设计推广具有一定意义。


　　1、 项目应用分析

　　1.1、 项目概况

　　500 k V茅山～斗山输电线路工程位于江苏省境内，其功能主要是为了满足江苏电网“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45.5 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

　　1.2 、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 k V和110 k V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[4]。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[5]。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。

　　自动分类结束后，还应采用人工辅助分类的方式对点云进行精细分类，一些无法根据回波信息、高程信息及周边点关系区分的部分线路设备元件等需进行手动提取，并对地表植被、建筑物等构筑不规则三角网反复修正，剔除大部分错误。最后用处理后的高精点云导入三维平台，对交跨处进行提取分析[6,7]。

　　1.3、 项目应用

　　本工程途经三处重要跨越段，以大转角跨越京沪高铁段为例，此段需在徐霞客大道、界河、500 k V泰兴—斗山线路之间的三角地跨越京沪高铁，且跨越高度较高，转角角度大。故需对该处跨越方案进行精细设计，从而确保工程技术方案的可行性，以及技术经济指标的优越性。

　　图2 大转角跨越京沪高铁段路径

　　图3 跨越的京沪高铁

　　图4 三维场景叠加LAS点云数据及跨越方案

　　京杭运河、沪宁高铁与京沪高铁均在本次线路的途经范围内(见图2，图3);此外，线路途经的武南路段有四条重要交跨，分别为三条220 k V与一条110 k V。因此，对于线路必经之地，高压线以及铁路、河流等重要跨越段对线路的影响尤为重要，通过三维激光扫描获取导、地线的准确高度，以及一些危险地物具体空间位置，也可直接提取坐标信息，来判断其对线路的影响。在三维平台中，设计人员可结合影像及点云数据进行杆塔排位及重要点位的量取，对路径进行优化，确保合理可行，将外业现场搬至室内操作，节省了人力(见图4)。

　　1.4、 点云精细化建模

　　在输电线路三维设计过程中，用倾斜摄影的方式对杆塔及电力线建模会产生空洞且效果不佳，而采用地面三维Li DAR技术获取高精度海量点云以及影像数据，对通道内已有的杆塔及线路进行建模，不仅可以保证铁塔及其零部件等信息的准确性，还记录了铁塔各部位的三维坐标信息，方便结构专业进行各种距离的量测作业，进行精准设计。

　　1.5、 平断面量测

　　在施工图阶段，需要根据设计提供的最终线路路径在立体大场景模型中进行输电线平断面测量工作(见图5)。根据无人机航测制作的正射影像、数字高程模型可直接在软件中绘制平断面图，而通过激光雷达采集的高精度交跨点云数据可在软件中自动提取交叉跨越的高程，摆脱了传统航测需要佩戴立体眼镜的立体测图模式。精度方面完全符合线路工程中平面1∶5 000、断面1∶500的测图要求，满足输电线路优化选线以及平断面图数据采集的要求。

　　2、 精度分析

　　为了检验基于架站式的三维激光雷达生产的输电线路平断面图中的交跨能否满足规范要求，本工程在终勘定位阶段利用网络RTK及全站仪采集了24个特征点进行校核。其中平面最小误差为0.02 m，最大误差为0.10 m，距离相对误差最大为1/1 250;高程最小误差为0.02 m，最大误差为0.09 m。根据GB 50548—2010 330 k V～750 k V架空输电线路勘测规范的要求，线路平断面比例尺宜采用水平1∶5 000，垂直1∶500，对有影响的平行接近电力线，应测绘其位置、高程和杆高，必要时宜施测1∶1 000或1∶2 000的平行接近线路相对位置平面分图。且交叉跨越点相对于邻近直线桩测量允许偏差为:高程限差不应大于0.3 m，距离相对误差为1/200。结果表明激光雷达对三跨的测量能够应用于三维设计且精度较高，能满足本工程勘测设计的需要。

　　图5 线路工程局部平断面

　　3、 结语

　　本文以江苏地区国网首个三维设计试点项目500 k V茅山～斗山线路工程为例，介绍采用地面架站式激光雷达技术在输电线路三维设计中的应用。三维激光扫描的高精度点云数据可对线路及周边的建筑、设施、地形地貌等三维信息进行模拟和再现，对武南河边连续跨越多条电力线高塔段，连续跨越京杭运河、沪宁铁路、沪宁高铁段，大转角跨越京沪高铁段进行多方案精确排杆定位，确定最佳跨越方案、准确塔型、呼高及占地范围，从而确保工程技术方案的可行性，技术经济指标的优越性，极大地减少施工图阶段现场工作量。同时也提高了线路沿线的平断面精度，减少了航测野外调绘的工作量与劳动成本，从长远来看，对智能电网的优化与管理提供了精准有效的手段。

　　参考文献

　　[1] 马金玲，高井祥，张书毕．数据分析与测量数据处理[M]．徐州:中国矿业大学出版社，1984.　　[2] 顾波．地面Li DAR技术在规划核实中的应用研究[J]．北京测绘，2017(1):130-132.　　[3] 戴升山，李田凤．地面三维激光扫描技术的发展与应用前景[J]．现代测绘，2007,32(4):11-12.　　[4] 黄晓明．500 k V同塔多回输电线路带电作业的可视化研究[D]．成都:电子科技大学，2014.　　[5] 王永波，盛业华．基于三维激光扫描技术的超高压输电线路巡线技术研究[J]．测绘科学，2011,36(5):59-61.　　[6] 张继贤，林祥国，梁欣廉．点云信息提取研究进展和展望[J]．测绘学报，2017,46(10):1460-1469.　　[7] 王宗跃，马洪超，徐宏根，等．Li DAR点云数据的分布式组织及其并行获取方法[J]．武汉大学学报(信息科学版)，2009,34(8):936-939.