LiDAR技术在电力线路勘测设计中的应用研究.pdf

57LiDAR技术在电力线路勘测设计中的应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 速广泛应用于测绘地理信息、防震减灾与巡查、农业、水利电力等领域1-9。电力线路建设在高差较大、植被茂密的山区，前期无人机搭载影像镜头模块对于线路工程作业效果较差，因此无人机的发展在电力线路工程勘测设计中使用普及十分有限。随着能DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.012LiDAR技术在电力线路勘测设计中的应用研究令晓博，袁宗兴，郭中华(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610000)摘要：针对传统电力工程线路勘测外业测量工作量大、作业环境复杂、危险性高且周期较长的特性，提出在线路工程勘测设计过程中引入 LiDAR 技术的作业方法。以飞马 D2000+D-LiDAR2000 为研究对象，首次将LiDAR 技术引入西南院在云南某 500kV 线路工程，探究其对测量外业的工作替代方法。研究发现：LiDAR 可完全满足平断面图测量需求；对塔基地形、塔基断面测量可部分取代；对高等级交叉跨越方案制定具有极大优势，大大提高室内方案制定的准确性，降低外业难度水平。关键词：LiDAR；D2000+D-LiDAR2000；线路工程；勘测设计中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-57-05Application of LiDAR Technology in Power Line Survey and DesignLING Xiaobo,YUAN Zongxing,GUO Zhonghua(Southwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Chengdu 610000,China)Abstract:Aiming at the characteristics of heavy workload,complex working environment,high risk and long period of field survey in traditional power engineering line survey,the operation method of introducing LiDAR technology into the process of line engineering survey and design is proposed.Taking the Pegasus D2000+LiDAR2000 as the research object,the LiDAR technology was introduced into a 500kV line project in Yunnan for the first time to explore its alternative method for field surveying.It is found that:LiDAR can fully meet the requirements of plane section survey;Topography and section survey of tower foundation can be partially replaced;It has great advantages in the formulation of high-level crossing and spanning plans,greatly improves the accuracy of indoor plan formulation,and reduces the difficulty level of field work.Keywords:LiDAR;D2000+D-LiDAR2000;line works;survey and design*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：令晓博(1991)，男，硕士，工程师，主要从事电力工程勘测设计等工作。0 引言随着科学技术、多学科融合的发展，无人机技术在远程遥控、智能化控制、电池、导航定位能力得到了进一步发展，使其轻量化、灵活、易操作、稳定性强的特点得到进一步释放。迅58http:/电 力 勘 测 设 计增刊1源改革、双碳政策的实施，我国正面临传统火电向清洁能源的全面转变，与之配套的输电线路工程落地如井喷式发展，尤其是以四川为核心的水电送出大省，以四川为起点全面向全国甚至世界辐射开来。这也给电力工程勘测设计提出了巨大挑战。探究新的方式方法以提高外业勘测设计的效率、降低人力和物力成本迫在眉睫。电力工程测量高差起伏大、植被茂密，对无人机飞行控制系统和性能要求较高。对市面上常用的无人机加载激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)技术进行了考察，最终选定以“飞马 D2000+D-LiDAR2000”及其软件系统作为本次研究对象。以云南某 500 kV 线路工程勘测设计为基础，首次将无人机加载雷达技术引入勘测设计中，探究其对传统测量分项的可替代性。1 飞马无人机D2000+D-LiDAR2000系统介绍1.1 D2000无人机D2000 无人机系统是飞马全新研发的一款小型、长航时但同时能满足高精度测绘、遥感及视频应用的多旋翼无人机系统，可搭载航测模块、倾斜模块、可见光视频模块、热红外视频模块、热红外遥感模块等，具备多源化数据获取能力。系统标准起飞重量 2.8 kg，标准载荷 200 g，续航时间 74 min。D2000 搭配高精度差分 GNSS 板卡，同时标配网络 RTK、PPK 及其融合解算服务，并支持高精度 POS 辅助空三。配备“无人机管家专业版(测量版)”软件，具备航线规划、三维实时飞行监控、GNSS 融合解算、控制点量测、空三解算、一键成图、一键导出立体测图，提供数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)，数字高程模型(digital elevation model，DEM)，数字地表模型(digital surface model，DSM)，TDOM 等多种数据成果处理及浏览的功能。1.2 D-LiDAR2000模块D-LiDAR2000 模块是飞马机器人公司适配D2000 无人机的 LiDAR 模块，采用 TOF 测距模式。其详细参数见表 1 所列。表1 D-LiDAR2000参数参数数据水平视场角70.4垂直视场角4.5/77.2测距精度2 cm测程190m10%反射率 450m80%反射率点频240 kHz波长905 nm回波数三回波2 线路工程作业流程传统线路工程摄影测量主要包括控制测量、110 000 DOM 制作以及后期进场选线定位工作，其作业流程如图 1 所示。?图1 电力线路工程传统作业流程59LiDAR技术在电力线路勘测设计中的应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 控制测量以传统 GNSS 为主，110 000 DOM 制作依靠无人机获取地面 DOM。随着近些年镜头模组分辨率、光学原件等的不断更新发展，获取的 DOM 质量不断提高，设计人员可根据高清 DOM 很好对地面地物进行了解，从而制定合适的线路路径方案。方案设计完成后，勘测设计专业逐塔基进行现场定线、平断面图测量、检查测量、定位测量、专项测量等，最终获得该线路的勘测设计成品。但是无人机航空摄影对于植被茂密区，尤其是西南地区林密山大沟深的特性，1 10 000 DOM 地形失真严重。线路设计中平断面图和定位测量主要利用 GNSS RTK 结合全站仪测量。2.1 数字地面产品获取针对传统无人机航测获取的 DOM 地形失真的问题，提出底图继续使用无人机正射影像，其等高线数据基于 LiDAR 点云获取。1)航线规划利用飞马无人机 D2000+D-LiDAR2000 对线路区域进行带状航线规划，如图 2 所示，以线路中线为基准，左右各 200 m 设定航测区域。本次飞行选用效果更佳的仿地模式进行。具体飞行参数见表 2 所列。图2 带状航线规划示意图表2 飞行参数项目参数飞机类型D2000载荷类型D-LiDAR 2000旁向重叠率50%航线间隔100 m飞行高度120 m默认速度8 m/s2)数据处理飞行结束后，逐架次获得了 POS 数据、惯导数据和原始点云数据。逐架次计算其轨迹数据；对点云进行处理、平差，坐标转换；去噪、分类等操作；110 000 DOM、DEM 等成果输出。2.2 交叉跨越专项飞行与地面产品获取不同，交叉跨越飞行主要突出获取跨越空中导线位置、高度信息，以供内业设计人员制定跨越方案。要获取已有铁塔及其导线的精确位置高度信息，可以利用常规平飞或仿地飞行，这 2 种方法的优势是作业简单、效率高，但缺点是飞行高度偏高、效果差、飞行安全难以保证。基于此缺点，本次飞行采用逐航点编辑飞行，以采集 AB 两个塔及其之间所有线的位置和高度为例，作业方法为：1)利用全站仪获取要飞行的 2 个塔头 A 和B 的经纬度和高度信息。2)以 A 和 B 的坐标设置航线范围，以 A和 B 的高度增加 30m 设置在 AB 点上的飞行高度；AB 之间的所有航点删除；采用由 A 向 B的平飞模式；飞行高度及其速度取决于跨越线的粗细。3)如图 3 输入参数进行带状规划：以 AB连线在两侧对称各规划 1 条(共 2 条)，或在AB 连线正上方再增加 1 条(共 3 条航线)，本次飞行为 3 条。4)点云处理，提取塔位及其线上点，原始点云如图 4 所示。图3 航点编辑示意图60http:/电 力 勘 测 设 计增刊1图4 原始点云示意图3 数据处理及其精度检验3.1 平断面图平断面图测量利用分类地面点后的点云生产 DEM 模型，在 DEM 模型上生产断面、边线、风偏数据。将其与传统 RTK 测定的塔位坐标高程成果差值作为本次断面测量精度的评价标准。对已定的 164 基塔进行了逐基统计，发现最大差距为1.54 m，且差值大于1 m的有6基塔，差值最小为 0 m，中误差为 0.31 m。对差值大于 1 m 的地方进行了核查，发现 4 基塔是因为树林太密，激光穿透性差造成；2 基塔是由于塔位紧贴坎底或坎边，激光对于坎上坎下的微地形识别有限造成误差。3.2 塔基断面塔基断面测量以塔位中心桩高程为 0 m，测量 ABCD 四条塔腿与中心桩之间的距离和高差。如图 5 所示给出了利用 LiDAR 数据获得的塔基断面与利用传统 RTK 测量成果叠加。图5(a)和图 5(b)分别选取了旱地、点云密度较大的树林成果，图 5(a)与传统测量成果高度吻合，最大差值仅为 0.31 m，可满足塔基断面测量需要；图 5(b)可以看出，对于点云密度较大的树林，其点云成果对于细微坎子等地形识别更加细腻，则更能真实反映地形信息。图 5(c)和图5(d)分别给出了点云穿透性较差两个塔位成果。图 5(c)由于中心桩位于陡坎附近，点云未能获得准确的中心桩高程，导致了塔基断面错误，但在图 5(d)中又得到了较好的结果，可以看出，点云成果对于有植被区域的陡坎识别具有随机性，对于植被茂密区陡坎的无法识别或者部分识别均可能导致塔基断面错误。10121416182022?4?6?8?10?12?14?16?18?20?22468?2?4?6?8?10?12?141?1?1 200?1 200 2022?16?22468101214162(a)旱地扫描结果10121416182022?4?6?8?10?12?14?16?18?20?22468?2?4?6?8?10?12?142?2?1 200?1 200 2022?16?22468101214162(b)密林扫描结果(1)10121416182022?4?6?8?10?12?14?16?18?20?22468?2?4?6?8?10?12?1415?54?1 200?1 200 2022?16?22468101214162(c)密林扫描结果(2)10121416182022?4?6?8?10?12?14?16?18?20?22468?2?4?6?8?10?12?1445?156?1 200?1 200 2022?16?22468101214162(d)密林扫描结果(3)图5 塔基断面测量成果61LiDAR技术在电力线路勘测设计中的应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 3.3 交叉跨越提取将提取后的塔高、线高输入到线路断面数据库中，与传统全站仪测量数据进行对比，以220 kV 和 500 kV 为例，结果如下：空心圈为全站仪测量结果，实心圈为点云成果。可以看出，500 kV 地线上原始点云密度远大于 220 kV，点云位置高度与全站仪测量结果基本在一条直线上，为了验证两者对于同一点处高程的差值，利用内插法，分别内插出同偏距上点进行对比，发现(累距，高程)差值基本在 0.2 m 和 0.5 m范围内。线上点云厚度主要取决于雷达性能。(a)220 kV交叉跨越(地线)(b)500 kV交叉跨越(地线)图6 平断面图交叉跨越展点图4 结论本文以线路工程测量各个环节作为研究对象，探究了无人机 LiDAR 技术应用于线路工程测量中的关键技术和方法。发现：LiDAR 可完全满足平断面测量需要，但应加强植被茂密区危险点的校测工作；LiDAR 技术对塔基断面测量的取代性有限，尤其是植被茂密区，易造成错误；LiDAR 交叉跨越的提取完全满足内业设计需要，但由于低等级线路导线较细，LiDAR数据采集效果一般。可以看出，LiDAR 技术应用于线路工程提高了现场方案设计的可靠性、解决线路工程中工作量最大、困难系数最高的平断面图测量等工作，极大提高了工作效率。参考文献1 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