(中国电建集团青海省电力设计院有限公司 青海西宁 810000)
摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。科技的快速发展，遥感领域也取得革命性成就，其中最为突出的当属机载激光雷达技术，并列入当前最为先进的三维遥感技术之列，本文将机载激光雷达技术作为根本切入点对其组成和原理进行分析。近几年来，随着国民经济不断发展，越来越高的用电需求对国家电网带来了严峻的考验，如何保证电网运输稳定以及电力运输安全也就成了重中之重。本文就机载激光在电力工程的应用展开探讨。
关键词:机载激光雷达技术；优化选线；电力巡线；数字电网
引言
近几年来，随着国民经济不断发展，越来越高的用电需求对国家电网带来了严峻的考验，如何保证电网运输稳定以及电力运输安全也就成了重中之重。
1机载激光雷达技术
1.1机载激光雷达系统组成
机载激光雷达测量系统以飞机作为观测平台，激光扫描测距系统为传感器，实时获取地球表面的三维空间信息。机载激光雷达测量系统主要由5部分构成：激光雷达测距系统、动态差分GPS、INS姿态测量系统、数码相机、计算机。其中，激光雷达测距系统用于测定传感器到地面点的距离，激光器主动发射激光脉冲，激光到达地面经地面物体反射回来的激光被扫描镜收集，然后通过激光的传播速度和时间间隔就可以确定扫描镜到地面物体的距离；动态差分GPS技术广泛应用于确定车船、飞机等动态载体的实时位置，它由若干个地面基准站和一个空中流动站组成，基准站GPS接收机和空中流动站GPS同步而连续地观测GPS卫星信号，通过后期GPS数据处理，就可以准确获取飞机实时精确的位置；INS姿态测量系统是LIDAR的一个重要组成部分，主要负责提供飞行器的瞬时姿态参数，INS姿态测量系统不仅可以为飞行员提供飞行姿态参考，也为后续激光数据处理提供基础数据；数码相机主要用来同步对地面物体进行拍摄，拍摄的照片主要为后期制作DEM和进行激光点分类作参考；计算机是机载激光雷达测量系统各单元分工协作的中心控制单元，用来协调和控制各个工作部件的正常工作。
1.2机载激光雷达系统工作原理
在机载激光雷达系统中，我们会凭借着飞机做为一个观测平台，而传感器则采用一种实时传输数据的激光扫描仪。通过不断的向地球表面发射一束束的激光脉冲，再通过激光脉冲来回所经历的时间来确定激光扫描仪中心距离地球表面激光光斑之间的距离，后根据GPS来确定激光扫描仪精确的空间三维坐标(X，Y，Z)，并且利用IMU测出扫描仪实时的空间姿态参数。根据几何参数和空间几何关系，可以把每一个地面激光点的三维坐标计算出来。相比于传统的遥感技术，机载激光雷达技术具有自动化程度高、作业成本低、实时的数据支持等许多优点，对于跟随国家经济共同发展的电网建设有着很大的技术优势。大体的计算步骤:第一，将激光扫描仪发射和接受激光脉冲的瞬时时刻记录下来;第二，通过光速恒定原理将发射和反射时间转化为斜距进行测量;第三，可以通过传感器实时传输回来的位置和方向来计算出地球反射表面任何一点的三维坐标。
2机载激光技术在电力工程中的应用
2.1电力优化选线
电力优化选线的主要目的是路径更加合理、经济，同时尽量减少对线路周围环境的影响，从而达到节约建设和使用成本的目的。利用机载激光雷达技术进行架空送电线路优化选线的方法大致如下：首先，利用现在已经拥有的小比例尺地形图或者卫星遥感影像数据，初步选择一条较好的输电线路路径，完成初步路径选择；其次，根据初选路径，采用机载激光雷达测量系统进行全线测量，并对数据进行处理且进行实地调绘；最后，结合激光雷达数据、调绘成果和其他成果，设计人员在输电线路设计软件中进行线路路径优化并输出路径成果、影像路径图、平面图、断面图等设计成果图。
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2.2电力巡线
随着我国经济实力不断提升，对远距离高压的电力输送需求越来越大，要求也越来越高，安全、稳定也逐渐受到了我们的关注。因此对于电力线路的维修也变得越来越重要，为了确保输电线路的运营安全，电网维修管理部门一项非常重要的工作便是电力巡线，往往会投入大量的维修人员定时巡检，从而发现并排除那些隐藏的不稳定因素，避免出现事故。对于传统巡查方式，需要投入大量人力和物力，不仅浪费着很多人力资源，而且作业周期也长，受环境影响较大，当遇到复杂地形时，该情况更为明显，因此我们需要更先进的巡检方式来满足巡检要求。
2.3三维重建
电力线三维重建是机载激光雷达数据处理的关键环节，实际上就是通过选取适当的模型的形式，对电力线的实际状态进行拟合，进而实现机载激光雷达数据的三维可视化表达。后续的研究主要集中在单档电力线、单根电力线的确定以及选择三维重建模型等几个方面。电力线三维重建的精度将直接影响后续各项应用的效果，因此三维重建的关键在于选取高精度的三维重建模型。现行的多种电力线三维重建模型主要包括直线和悬链线结合的模型、直线和拋物线结合的模型、直线和二元多次多项式结合的模型、多项式模型等四种。在这些电力线三维重建模型中，前三种模型通过两个关联部分分别表达电力线机载激光雷达点云在平面以及某一垂直于平面的铅垂面上的投影点，被称为“间接法”;后一种模型直接对电力线机载激光雷达点云进行三维表达，称为“直接法”。无论是“间接法”或是“直接法”，所选模型必将影响重建精度，悬链线模型相较于抛物线方程，不仅模型参数的求解更为复杂，三维重建精度反而较低。此外，选用“间接法”进行三维重建时，铅垂面的选择也将影响重建精度，机载激光雷达点云数据本身的精度、复杂度和粗差均将影响三维重建精度。
2.4数字电网建设
在我国的数字电网建设中三维建模已经成为了一项十分重要的内容，利用机载激光雷达系统可以清楚的获得输电线路走廊地形以及输电线路的三维建模，其次作业人员可以通过将机载激光雷达系统把线路走廊地形处理为DOM和DEM来实现展现，而对于线路的三维建模的提取则通过高密度激光点云数据来获得。随着国家对数字电网不断建设，可以预知机载激光雷达技术将在未来成为必不可少的存在。
3存在的问题
机载激光雷达技术相较于其他测量手段在电力工程方面的应用，尤其是在电力巡(选)线上具有较大的优势。利用机载激光雷达技术可以高效率、高精度地完成电力线路的数据采集和三维建模工作，实现电网信息的三维可视化管理。我国关于机载激光雷达技术在电力工程方面的应用尚处于起步阶段，尤其是关于机载激光雷达点云数据处理，虽然众多学者已开展了积极的研究与探索，但目前仍存在一些问题，包括如何提高复杂地形区域点云数据的滤波方法稳健性，如何实现全自动化的滤波分类，对于不同空间构型、不同复杂程度、存在不规则断裂的电力线点云聚类方法的研究，如何优化三维重建模型，提高三维重建精度等。
结语
机载激光雷达技术已经随着全球科技的发展成为了一种顶尖的三维航空遥感技术，不仅可以方便的获取全球高分辨率信息，也大大提高了观测的精度和整合数据的速度，并让数据的获取和处理逐渐向着自动化方向靠拢。随着该技术不断的进步和成熟完美，市场需求的量不断增加，我们有理由相信机载激光雷达技术将会在国家电网建设和维护过程中发挥着越来越重要的作用，从而成为遥感领域最为先进的三维遥感技术。
参考文献:
［1］董志伟，张伟斌，樊荣伟，李旭东，陈德应，于欣．条纹原理激光雷达成像仿真及实验［J］．红外与激光工程，2016，45(07):100-104．
［2］余飞，余绍淮，陈楚江．机载激光雷达测量技术在高速公路勘察设计中的应用研究［J］．中外公路，2016，36(02):335-338．
论文作者:孙生海,马桂梅,车先华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/17
标签：激光论文; 电力线论文; 技术论文; 模型论文; 电网论文; 系统论文; 测量论文; 《电力设备》2018年第34期论文;