激光雷达在电力线路工程勘测设计中的应用.pdf

岩土工程?勘测激光雷达在电力线路工程勘测设计中的应用*收稿日期:2006?07?10?作者简介:陈功(1979?),硕士,现从事电力勘测设计工作。激光雷达在电力线路工程勘测设计中的应用陈?功,程正逢,石克勤,张?健,龙?维(中南电力设计院,湖北?武汉?430071)摘?要:现阶段采取传统的航空摄影测量方式的超高压电力线路测量,仍存在无法穿透植被覆盖地区直接获得地面高程,也不能准确测量植被高度的问题。激光雷达是 20世纪最重要的技术之一。由于激光雷达能够穿透植被覆盖层,而且有的激光系统集成 GPS、I MU等设备,可以快速获取地形、地貌数据,获取植被高度数据,是工程测绘的全新手段。中南电力设计院于 2006年 5月在罗平至百色二回 500kV 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。关键词:激光雷达;断面;全球定位系统;惯性制导仪?中图分类号:P2?文献标志码:B?文章编号:1671?9913(2006)05?0053?04TheApplication ofLIDAR in Surveying and Design ofPower LineCHEN Gong,CHENG Zheng?feng,SH IKe?qin,ZHANG Jian,LONGW ei(Central SouthernE lectricPower Design Institute,Wuhan?430071,China)Abstract:In these years,the surveying of po wer line mainly adopts the air photogra mmetry?But there are someproblems unresolved that vegetarian can not be penetrated and the infor mation ofheight can not be gotten?LI DAR isone ofmost i mportant inventions in 21st?Because LI DAR can penetrate the vegetarian and reach the groundwhich in?tegrate GPS,I MU,it can fastget the allkind geography infor mation?Recently,many experts focus on how tomakeLI DAR work in the design of po werlines?The CSEPDImakes experi ment inM ay,2006,and the result indicate theexcellentperfor mance and potentiality?K ey words:LI DAR;profile;GPS;inertialmeasurement unit?1?激光雷达测量系统基本原理1?1?激光雷达测量原理激光雷达使用的是由激光器发射的红外线,或可见光、紫外光。激光是以 3 108m/s的速度传播的。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时,其中一部分的光会被反射回去,被激光雷达配备的接收器所接收。当仪器计算出光由激光器射出并返回到接收器的时间 2t后,那么,激光器到反射物体的距离=光速(c)时间(2t)/2,即距离=ct,再结合激光扫描仪的姿态数据,即可得到测点的三维坐标。如果物体的表面高低不平,在地面使用三维激光扫描仪,可获得反射物体的表面形貌图;使用机载激光雷达系统时,可以获取高精度的数字高程模型。53激光雷达在电力线路工程勘测设计中的应用岩土工程?勘测1?2?激光雷达系统构成机载激光雷达系统通常由以下几个部分组成:激光器,光学系统(通常为摆动扫描系统或转动扫描系统),接收器(通常使用光电倍增管),GPS,I MU(InertialMeasure m ent Uni,t 惯性制导仪),飞行计划和管理系统,数据采集和存储系统。激光器对地面进行扫描,获得距离数据,是整个系统中的关键部分。在整个激光雷达系统中,GPS的功能有三项:其一,提供组合传感器在空中的准确位置数据,一般是传感器扫描行中心像元成像时刻主光学系统后节点的三维地理坐标。其二,与姿态测量装置(I MU)相结合,构成 INS/GPS组合姿态测量装置,以便进行 GPS和 I NS数据组合滤波,提高三轴姿态量测精度。其三,向导航显示系统提供飞机飞行时的三维位置数据,提高机上自动驾驶仪的领航精度,或使轻型飞机上人工驾驶准确地保持航线,实现高精度导航。姿态测量装置可以实时提供组合传感器主光学系统主光轴的姿态角,即俯仰角、侧滚角和航向角,以便与 GPS定位数据结合起来,对激光扫描以及多波段影像数据(如果该系统集成多波段数码航摄仪)进行快速定位,从而保持各种数据在时空上一致。2?试验以及结果在电力线路设计过程中,地面高程信息对线路杆塔排位影响较大,排位主要依据平断面图,平断面图传统的测量方式是采取工程测量或者航测,工程测量方式耗时长,工作量大,而航测方式则常常受到植被覆盖的影响,无法得到地面的高程。现在利用高精度的 DEM,可以直接获得断面图,精度高、速度快。进一步,可以考虑拓展激光雷达 DE M 的应用,既然能够从 DEM中获得高程,那么获取风偏、塔基断面图也顺理成章,当然这要取决于激光雷达穿透植被的能力,其可行性需要进一步的研究。2?1?实验背景中南电力设计院在 2006年 5月承担了罗平至百色二回 500kV 紧凑型线路勘测设计任务,由广西桂能信息公司提供由激光雷达系统获得的 DEM、DOM数据,中南电力设计院进行实地测量、设计。该工程中采用的激光雷达系统是德国 I GI公司与奥地利 RIEGL 公司联合研制开发的 L iteMapper 5600。根据相关资料,L ite M ap?per 5600使用安全等级为一级的红外脉冲激光器,能进行超低空(30m)和中高空(30m 1600m)飞行,脉冲扫描频率为 100000H z,配备的是具有 2200万相素的哈色数码相机,具备200匝光纤的惯性制导仪以及可接收 256H z的双频道的全球定位仪。在本次实验中,所提供的 DEM 采样间隔为2?0m,DOM 几何分辨率为 0?3m,基本能够满足线路设计的精度要求。2?2?在各种作业过程中的应用本次试验中,利用已有的 DOM、DEM 进行线路初步设计、高程点查询、线路断面图生成、塔基断面图、风偏点检测等作业试验。在工程实施过程中,将这种新的作业方式同传统的作业方式所获得的数据进行了初步的比较。传统的作业方式包括全站仪测量、GPS测量、航空摄影测量方式。其中全站仪采用的是 TOPCON332,GPS采用 Leica530,航空摄影测量采用的航带模型成果生成的平断面图模型数。2?2?1?内业路径优化利用高分辨率的 DEM及 DOM,可以生成真三维景观图,现势性很强,能真实再现作业区域的地貌情况,作业人员凭此能了解作业区域的地形、地物、地貌、植被、房屋分布等情况,并根据实际情况适时调整优化路径方案,快速地提取路径断面供设计进行预排位,使路径设计更快捷,路径走向更加经济合理,真正做到!线中有位,线位结合。2?2?2?任意点的高程查询给出待查询点 P的大地坐标(xp,yp),根据DE M 进行双线性内插获得该点的高程信息。即利用待查询点周围的四个高程点进行内插,见图 1。计算公式如下:Z=dx dy ZI+1,J+1+(1-dx)(1-dy)ZI,J+(1-dx)dy ZI+1,J+dx (1-dy)ZI,J+1(1)54岩土工程?勘测激光雷达在电力线路工程勘测设计中的应用图 1?高程示意图?其中(dx=xI,J-xpD,dy=yp-yI,JD,D 为DEM格网间距)首先来比较单点高程的精度情况。将工程测量的结果(GPS与全站仪测量成果,将其结果作为真实值)同激光雷达数据(单点的高程根据DEM 内插获得,内插方式采用双线性内插)相比较,得到高程残差,其中残差表示激光雷达数据与工程测量结果的差值,见表 1。表 1?高程残差残差个数残差个数(-#,-2?0)0(2?0,+#)0(-2?0,-1?0)0(1?0,2?0)23(-1?0,-0?5)0(0?5,1?0)40(-0?5,0?0)11(0?0,0?5)65经过统计分析,最大的残差为 1?9m,残差主要集中在(-0?5,1?0)之间,残差较大的地方主要是植被覆盖较厚的地方,在裸露区域,高程残差一般在 0?3 m 左右,这表明植被覆盖对DEM的获取有一定影响。2?2?3?线路断面图截取根据 DEM,只需要提供耐张的起点与终点坐标,就可以提取该耐张的断面。假设耐张起点 A(xstar,ystar),终点 B(xend,yend),待内插点为 P(xp,yp),其距离起点的距离为 S,那么待内插点的高程计算步骤如下:图 2?内插断面示意图(1)计算线路方位角?=arctan(ystar-yendxstar-xend)(2)?=?当 xstar xend+?当 xstarxend(3)(2)计算 P点大地坐标xp=xstar+s cos?yp=ystar+s sin?(4)(3)内插高程根据公式(1)内插出该点的高程。从图 3中可以看出来,激光雷达数据同工程测量数据基本吻合,断面曲线比较光滑;传统航测方式在有些地方同工程测量数据差距较大,经过分析发现,这些地方是植被覆盖较厚的区域,内业测量人员无法切准地面,从而造成误差。因此,同传统航测方式来比,激光雷达数据测得的断面图精度更高一些。激光雷达数据也可以风偏点查询,而且能够获得塔基断面图,基本原理同上。图 3?不同方式所得的断面曲线比较根据上面的实验结果,各种测量方式在电55激光雷达在电力线路工程勘测设计中的应用岩土工程?勘测力线路设计中的综合比较见表 2。表 2?不同作业模式的性能比较成果类型工程测量航空测量激光雷达测量线路断面图能 完 成,速度 慢,外 业工 作 量 大,测 量点 处精度高能 完 成,速 度 快,外业工作 量小,目前最 常用 的 方 式。植被覆盖稀疏的区域精度高,植被 覆盖茂密的区域精度较差能完成,速度快,外业工作量几乎没有(除去激光扫描阶段),植被影响较小风偏同上同上同上塔基断面精 度 高,速度 慢,外 业工 作 量 大,目 前最 常用的方式可行性不 大,目 前没有采用该方式精度主要取决于植被覆盖程度,值得关注3?结果分析(1)由于采取数字化的方式获取数据,而且是直接测距,机载激光系统获取 DE M 所需时间比摄影测量系统要短得多。而且一些激光雷达系统将数字摄影测量相机、GPS、I MU 集成起来,能够快速获得 DOM。从而大幅度提高作业效率。(2)在森林和植物覆盖物繁多的地域测绘,机载激光系统可获得地形数据,而摄影测量系统做不到。(3)机载激光系统的扫描带较窄,非常适合细长地物目标的测绘。包括道路、电力线及电线塔的测绘,海岸侵蚀监测,水道水系测量,铁道线测绘,光纤通道量测,管道量测等。(4)利用 DEM、DOM 可以生成三维景观图,直观地再现地貌,为设计人员提供依据。(5)建立在成熟的、复杂的技术和算法基础上的摄影测量系统已经历数十年的发展,用户不必依赖服务商,自己就可以进行生产。而机载激光扫描数据成果仍然需要数据提供商的服务。到目前,还没有一个独立的软件系统可以用于激光数据的处理,必须采用数个分散的而且彼此之间通常不能互操作的软件包进行数据处理,软件提供方的有关处理算法也不是透明的。另一方面,没有操作标准或指南,如何完成主要的操作任务,如定标、航带平差、选取控制点等,用户无法掌握所获得的数据质量和可靠性。4?结?语同航测方法相比,激光雷达有非常突出的优点,但同时也存在自身的一些限制,比如相应的数据处理软件的开发,操作标准的制订,数据质量的控制都需要进一步的研究,而且目前激光雷达的数据在电力线路设计中还有巨大的潜力,例如可以将 DEM 与线路模型相结合,进行自动或者半自动三维选线、排位、设计。总体来说,在这次生产实践中,激光雷达测量方式取得了比较理想的结果,展现出了它在电力线路设计中的优势与潜力。参考文献:1 程正逢,王盛才,等?航空激光扫描测量系统在国外工程 中的应 用 J?地理空 间信 息,2003,(3)?2 舒 宁?激 光成像M?武 汉:武汉 大学出 版社,2005?科技信息国产首台 300MW 循环流化床机组初步设计通过审查9月 14日至 16日,中电投江西分宜发电有限责任公司国产首台 300MW 循环流化床机组扩建工程初步设计预审查会在南昌顺利召开。该项目是国家重点科技攻关项目。该项目的开工建设适应国家循环经济发展的战略要求,加快劣质燃料资源的开发和利用,实现经济发展与环境保护的双赢,同时进一步提升国有自主知识产权技术的创新能力,拉近与国际洁净煤燃料发电技术的距离。(www?sp?com?cn)56