论文部分内容阅读
摘要：机载激光雷达测量技术，是继全球定位系统以来在遥感测绘领域的又一场技术革命， 其同步采集高精度激光点云和高分辨率数码影像数据，与地理信息技术结合，在电网建设和管理中具有广泛的用途。对于已建电网线路，利用机载激光雷达测量技术，高精度地恢复线路和走廊，可自动量测地物到电线的距离，实现危险点预警，也可实现线路三维可视化管理和各种专业分析。本文首先对机载激光雷达测量技术进行了概述，分析了其技术优越性，然后从五大方面详细探讨了机载激光雷达测量技术在电力测量中的应用要点，最后对其应用前景做了展望。
关键词：机载激光雷达；电力测量；优化选线；点云；精度
Abstract: airborne laser radar measurement technology, the global positioning system (GPS) since is a technology revolution in the field of remote sensing mapping, its synchronization acquisition high accuracy laser point cloud and high resolution digital image data, combined with geographical information technology, has a wide range of USES in the power grid construction and management. For existing power network, the use of airborne laser radar measurement technique, accurately restore lines and corridors, the distance can be automatically measured object to wire, implement a hazard warning, also can realize 3 d visualization management and professional analysis. This article first to the airborne laser radar measurement technology are reviewed, analyses its technical superiority, then from the five aspects discusses the airborne laser radar measurement technology application in electric power measurement points, and finally the application prospects were discussed.
Key words: airborne laser radar; Electric power measurement; Optimization of line selection; Point cloud; Accuracy of the
中圖分类号：TN958.98文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
机载激光雷达测量技术概述
（一）机载激光雷达系统组成
激光雷达在英文中称之为Lidar(光探测与光测距)。激光雷达的基本原理系通过采用激光器向被探测目标发射激光脉冲，经过被探测目标的反射或散射后，激光脉冲返回激光器，通过对返回激光脉冲进行分析来探知被探测目标。根据具体原理的不同，激光雷达可分为测距激光雷达、多普勒激光雷达以及差分吸收激光雷达。测距激光雷达根据作业平台的不同可分为地面激光雷达和机载激光雷达，而机载激光雷达又可分为机载地形测绘激光雷达和机载海底地形测绘激光雷达(或称之为机载海洋激光雷达)。通常机载地形测绘激光雷达 又被直接称为机载激光雷达, 或者lidar。本文中的机载激光雷达即是指机载地形测绘激光雷达。
机载激光雷达系统通常主要由以下四部分组成: 飞行平台、激光扫描仪、定位与惯性测量单元以及控制单元。其中飞行平台既可以是固定翼飞机也可以是直升飞机，定位与惯性测量单元则由惯性测量装置(Inertial Measurement Unit简称IMU)以及差分GPS(DGPS)等组成。
图1 机载激光雷达示意图
（二）机载激光雷达的工作原理
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。
机载激光雷达测量技术的优越性
机载激光雷达的优越性主要有：
（一）可以24小时全天候工作
激光雷达是主动探测，不受光照的影响，可以全天候工作。
（二）能够穿透植被的叶冠，同时测量地面点和非地面点
激光波长较短，可以穿透植被叶冠，形成多次回波，获取的数据信息更丰富。
（三）能够探测细小目标物体
激光的波长较短，能够探测细小的目标，如电力线，而传统的摄影测量和雷达都不能够探测到细小的电力线。
（四）获取数据速度快、精度高
相对于传统摄影测量，机载激光雷达可直接获取目标的三维坐标，数据获取速度大大提高，并且获取数据精度较其他航测技术要高。
机载激光雷达测量技术在电力测量中的应用要点
（一）架空送电线路优化选线
激光雷达可穿透植被，快速获取地表的三维信息，在电力选线工程中有着越来越广泛的应用趋势。通过对机载激光雷达数据及其同时拍摄的影像数据进行一系列处理，可以得到高精度的DEM、DSM、DOM,等高线以及植被分类图等丰富的地表信息，结合DSM和DOM可得到真实的三维场景图，参考三维场景图进行电力选线，可从不同视角观看线路周围的地物、地貌信息，使设计人员在室内即可高效地完成图上选线及线路优化工作。机载激光雷达数据产品在电力选线工程中的应用优势包括如下5个方面：
1、线路及立杆点的优化设计
通过对激光点云的处理可以得到高精度的DEM和DSM，在此基础上应用摄影测量软件对影像进行正射纠正，得到高几何分辨率的DOM。结合DSM和DOM可生成高分辨率的真实三维场景图,可以多视角地观看线路周围的地貌、地物等丰富的细节信息，通过放大、缩小、漫游还可以看到全线程的地形条件，可综合考虑沿线的交通运输、施工和运行维护的难易程度、对地物的影响及受地形的影响等，从而使设计的立杆点位、线路更合理更经济，对附近环境和居民的影响降低到最小。
2、估算需砍伐树木的面积
利用激光雷达点云完成地面滤波后，参考地面点按不同高度对植被进行分类处理，得到全线范围内的植被分布区域。从植被分布区中可直观地判断需砍伐植被的位置，应用面积查询工具可估计需砍伐植被的面积，从而避免了不必要的植被砍伐，减少了建设输电线路对环境的破坏。
3、估算房屋拆迁数量及赔偿费用
房屋赔偿费用在输电线路建设成本中占有一部分比例，根据高分辨率的三维真实景观图，可清晰地查看设计线路走廊内房屋状况，包括房屋建筑结构、层数及占地面积，根据这些细节可准确地计算需拆迁房屋数量，估算赔偿费用，使输电线路建设成本预算更科学。
4、树高、房高测量
应用激光雷达的点云数据，可以方便快捷地测量设计线路走廊内植被的高度、房屋的高度等，避免了传统航测作业中由内业人员逐点进行立体量测的繁琐过程。图2所示为已完成分类的地面及不同高度植被测量。
图2 地面及不同高度植被测量
5、实时获取断面
利用LIDAR点云数据可以快速获取不同方向、不同深度的断面图，可方便地观看设计电力线与周围地物在空间上的关系，如交叉线路在高程上的差异、设计线路与走廊范围内植被的高差等，有利于设计线路及杆塔的高度。
（二）电力巡线
电力巡线是电网运营维护管理部门需要进行的一项工作。为了确保电力线路的运营安全，通常需要定期对线路进行巡检，以便及时发现和排除安全隱患。譬如，随着线下植被的生长，树木顶端至线路的安全距离不够，抑或是居民在线下新盖了房子等，都是一些可能存在的安全隐患。传统的电力巡线起初是采用人工方式，巡线人员作业强度大，作业周期长，且对于一些地形复杂地区，难以进行巡线工作，之后开始基于传统航空摄影测量技术进行直升机电力巡线，但是其后续的数据处理复杂。
采用机载激光雷达技术可直接获取线路走廊内的大量高精度激光点云数据，且同时亦可获取高分辨率航空数码影像。基于机载激光雷达数据可进行线路走廊地形以及线路的三维建模，在三维模型中即可进行线间距离以及地物至电力线间的距离量测，据此，可确定线路存在的安全隐患以及间隔棒的订做规格等。
（三）数字电网建设
数字电网建设的一项重要内容是进行三维建模。利用机载激光雷达技术可方便实现线路走廊地形以及线路的三维建模。线路走廊地形可通过将机载激光雷达数据处理为DEM和DOM来实现。而线路的三维建模则可通过高密度激光点云数据进行提取，包括铁塔等。随着数字电网建设的逐步开展，相信机载激光雷达技术将发挥重要的作用。
（四）线路资产管理
通过巡线采集的高精度激光点云和高分辨率数码影像数据，处理成标准的DOM、DEM，结合分类后的点云，可以实现电力线路三维建模，恢复线路走廊地形地貌、地表附着物(树木、建筑等)、线路杆塔三维位置和模型等，辅以线路设施设备参数录入，可实现线路资产管理。
（五）电网专业分析
不管是基于激光雷达数据设计后进行数字化移交建成的三维数字化电网，还是通过巡线手段建立的三维数字化电网，由于数据精度高，无论地形、树高、杆塔模型、电线弧垂及交叉跨越等，都是尽最大可能对现实电网在电脑中的数字化再现。结合从在杆塔上安装的温度、湿度、风速等监控设备传回的数据，可以在三维数字化电网基础上进行各种电力专业分析， 如预测模拟不同温度、风速、覆冰下弧垂变化情况，模拟树木生长情况等，为线路管理决策提供有力支撑。
机载激光雷达测量技术的应用前景分析
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。
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。
结语
综上，机载激光雷达技术作为一项先进的三维航空遥感技术，随着其数据处理技术以及相应的行业应用平台的逐步完善成熟，其必将成为航空遥感领域的主流技术。而机载激光雷达技术在电力线路测量中的应用也将随着机载激光雷达技术的发展而逐步普及。
参考文献
[1]吴华意，宋爱红，李新科.机载激光雷达系统的应用与数据后处理技术[J].测绘与空间地理信息，2006.6.
[2]梁欣廉，张继贤，李海涛，阎平.激光雷达数据特点[J].遥感信息，2005.3.
[3]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉: 武汉大学出版社，2007.
关键词：机载激光雷达；电力测量；优化选线；点云；精度
Abstract: airborne laser radar measurement technology, the global positioning system (GPS) since is a technology revolution in the field of remote sensing mapping, its synchronization acquisition high accuracy laser point cloud and high resolution digital image data, combined with geographical information technology, has a wide range of USES in the power grid construction and management. For existing power network, the use of airborne laser radar measurement technique, accurately restore lines and corridors, the distance can be automatically measured object to wire, implement a hazard warning, also can realize 3 d visualization management and professional analysis. This article first to the airborne laser radar measurement technology are reviewed, analyses its technical superiority, then from the five aspects discusses the airborne laser radar measurement technology application in electric power measurement points, and finally the application prospects were discussed.
Key words: airborne laser radar; Electric power measurement; Optimization of line selection; Point cloud; Accuracy of the
中圖分类号：TN958.98文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
机载激光雷达测量技术概述
（一）机载激光雷达系统组成
激光雷达在英文中称之为Lidar(光探测与光测距)。激光雷达的基本原理系通过采用激光器向被探测目标发射激光脉冲，经过被探测目标的反射或散射后，激光脉冲返回激光器，通过对返回激光脉冲进行分析来探知被探测目标。根据具体原理的不同，激光雷达可分为测距激光雷达、多普勒激光雷达以及差分吸收激光雷达。测距激光雷达根据作业平台的不同可分为地面激光雷达和机载激光雷达，而机载激光雷达又可分为机载地形测绘激光雷达和机载海底地形测绘激光雷达(或称之为机载海洋激光雷达)。通常机载地形测绘激光雷达 又被直接称为机载激光雷达, 或者lidar。本文中的机载激光雷达即是指机载地形测绘激光雷达。
机载激光雷达系统通常主要由以下四部分组成: 飞行平台、激光扫描仪、定位与惯性测量单元以及控制单元。其中飞行平台既可以是固定翼飞机也可以是直升飞机，定位与惯性测量单元则由惯性测量装置(Inertial Measurement Unit简称IMU)以及差分GPS(DGPS)等组成。
图1 机载激光雷达示意图
（二）机载激光雷达的工作原理
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。
机载激光雷达测量技术的优越性
机载激光雷达的优越性主要有：
（一）可以24小时全天候工作
激光雷达是主动探测，不受光照的影响，可以全天候工作。
（二）能够穿透植被的叶冠，同时测量地面点和非地面点
激光波长较短，可以穿透植被叶冠，形成多次回波，获取的数据信息更丰富。
（三）能够探测细小目标物体
激光的波长较短，能够探测细小的目标，如电力线，而传统的摄影测量和雷达都不能够探测到细小的电力线。
（四）获取数据速度快、精度高
相对于传统摄影测量，机载激光雷达可直接获取目标的三维坐标，数据获取速度大大提高，并且获取数据精度较其他航测技术要高。
机载激光雷达测量技术在电力测量中的应用要点
（一）架空送电线路优化选线
激光雷达可穿透植被，快速获取地表的三维信息，在电力选线工程中有着越来越广泛的应用趋势。通过对机载激光雷达数据及其同时拍摄的影像数据进行一系列处理，可以得到高精度的DEM、DSM、DOM,等高线以及植被分类图等丰富的地表信息，结合DSM和DOM可得到真实的三维场景图，参考三维场景图进行电力选线，可从不同视角观看线路周围的地物、地貌信息，使设计人员在室内即可高效地完成图上选线及线路优化工作。机载激光雷达数据产品在电力选线工程中的应用优势包括如下5个方面：
1、线路及立杆点的优化设计
通过对激光点云的处理可以得到高精度的DEM和DSM，在此基础上应用摄影测量软件对影像进行正射纠正，得到高几何分辨率的DOM。结合DSM和DOM可生成高分辨率的真实三维场景图,可以多视角地观看线路周围的地貌、地物等丰富的细节信息，通过放大、缩小、漫游还可以看到全线程的地形条件，可综合考虑沿线的交通运输、施工和运行维护的难易程度、对地物的影响及受地形的影响等，从而使设计的立杆点位、线路更合理更经济，对附近环境和居民的影响降低到最小。
2、估算需砍伐树木的面积
利用激光雷达点云完成地面滤波后，参考地面点按不同高度对植被进行分类处理，得到全线范围内的植被分布区域。从植被分布区中可直观地判断需砍伐植被的位置，应用面积查询工具可估计需砍伐植被的面积，从而避免了不必要的植被砍伐，减少了建设输电线路对环境的破坏。
3、估算房屋拆迁数量及赔偿费用
房屋赔偿费用在输电线路建设成本中占有一部分比例，根据高分辨率的三维真实景观图，可清晰地查看设计线路走廊内房屋状况，包括房屋建筑结构、层数及占地面积，根据这些细节可准确地计算需拆迁房屋数量，估算赔偿费用，使输电线路建设成本预算更科学。
4、树高、房高测量
应用激光雷达的点云数据，可以方便快捷地测量设计线路走廊内植被的高度、房屋的高度等，避免了传统航测作业中由内业人员逐点进行立体量测的繁琐过程。图2所示为已完成分类的地面及不同高度植被测量。
图2 地面及不同高度植被测量
5、实时获取断面
利用LIDAR点云数据可以快速获取不同方向、不同深度的断面图，可方便地观看设计电力线与周围地物在空间上的关系，如交叉线路在高程上的差异、设计线路与走廊范围内植被的高差等，有利于设计线路及杆塔的高度。
（二）电力巡线
电力巡线是电网运营维护管理部门需要进行的一项工作。为了确保电力线路的运营安全，通常需要定期对线路进行巡检，以便及时发现和排除安全隱患。譬如，随着线下植被的生长，树木顶端至线路的安全距离不够，抑或是居民在线下新盖了房子等，都是一些可能存在的安全隐患。传统的电力巡线起初是采用人工方式，巡线人员作业强度大，作业周期长，且对于一些地形复杂地区，难以进行巡线工作，之后开始基于传统航空摄影测量技术进行直升机电力巡线，但是其后续的数据处理复杂。
采用机载激光雷达技术可直接获取线路走廊内的大量高精度激光点云数据，且同时亦可获取高分辨率航空数码影像。基于机载激光雷达数据可进行线路走廊地形以及线路的三维建模，在三维模型中即可进行线间距离以及地物至电力线间的距离量测，据此，可确定线路存在的安全隐患以及间隔棒的订做规格等。
（三）数字电网建设
数字电网建设的一项重要内容是进行三维建模。利用机载激光雷达技术可方便实现线路走廊地形以及线路的三维建模。线路走廊地形可通过将机载激光雷达数据处理为DEM和DOM来实现。而线路的三维建模则可通过高密度激光点云数据进行提取，包括铁塔等。随着数字电网建设的逐步开展，相信机载激光雷达技术将发挥重要的作用。
（四）线路资产管理
通过巡线采集的高精度激光点云和高分辨率数码影像数据，处理成标准的DOM、DEM，结合分类后的点云，可以实现电力线路三维建模，恢复线路走廊地形地貌、地表附着物(树木、建筑等)、线路杆塔三维位置和模型等，辅以线路设施设备参数录入，可实现线路资产管理。
（五）电网专业分析
不管是基于激光雷达数据设计后进行数字化移交建成的三维数字化电网，还是通过巡线手段建立的三维数字化电网，由于数据精度高，无论地形、树高、杆塔模型、电线弧垂及交叉跨越等，都是尽最大可能对现实电网在电脑中的数字化再现。结合从在杆塔上安装的温度、湿度、风速等监控设备传回的数据，可以在三维数字化电网基础上进行各种电力专业分析， 如预测模拟不同温度、风速、覆冰下弧垂变化情况，模拟树木生长情况等，为线路管理决策提供有力支撑。
机载激光雷达测量技术的应用前景分析
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。
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。
结语
综上，机载激光雷达技术作为一项先进的三维航空遥感技术，随着其数据处理技术以及相应的行业应用平台的逐步完善成熟，其必将成为航空遥感领域的主流技术。而机载激光雷达技术在电力线路测量中的应用也将随着机载激光雷达技术的发展而逐步普及。
参考文献
[1]吴华意，宋爱红，李新科.机载激光雷达系统的应用与数据后处理技术[J].测绘与空间地理信息，2006.6.
[2]梁欣廉，张继贤，李海涛，阎平.激光雷达数据特点[J].遥感信息，2005.3.
[3]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉: 武汉大学出版社，2007.