【摘要】由于高压输电线路的跨越范围广，加之沿线地形的复杂性，使摄影测量和RTK技术在工程中的更加困难。无人机（UnmannedAerialVehicle，UAV）在工程测绘、电力巡检等领域有着重要的用途，它通过采用无人机携带的激光雷达，对电力系统中的高压输电线路进行实时的地理信息收集，并通过专用的软件将采集到的数据生成立体图形，从而为工程勘察、电力巡检等领域的工作提供依据。本文结合500kV高压输电线的实际情况，对无人机检测和飞行路线的设计内容、激光点云的数据的整理、DEM和DOM的产生等问题进行了综述，并对无人机激光雷达技术在高压输电线路设计中的应用进行了归纳，为以后的建设工作打下了基础。 关键词：无人机；激光；三维设计
Application of UAV Lidar technology in three dimensional design of high voltage transmission line
Han Zhuping, He Ningan, Zeng Weichao, Lu Wensan
(Nanning Bureau of Ultra-High Voltage Transmission Company, China Southern Power Grid Co., LTD., Nanning 53028, China)
【 Abstract 】 Because of the wide span of high voltage transmission lines, coupled with the complexity of the terrain along the line, photogrammetry and RTK technology in the project is more difficult. UnmannedAerialVehicle (UAV) has important applications in engineering surveying and mapping, power inspection and other fields. It uses the lidar carried by UAV to collect real-time geographic information of the high-voltage transmission lines in the power system, and generates three-dimensional graphics through the collected data with special software. So as to provide a basis for engineering investigation, power inspection and other fields. In this paper, combined with the actual situation of 500 kv high-voltage transmission lines, the content of the design for unmanned aerial vehicle (uav) detection and flight path, laser point cloud data sorting, DEM and DOM production were summarized, and the unmanned aerial vehicle (uav) laser radar technology in the application of high voltage transmission line design has carried on the induction, laid the foundation for later construction work.
Key words: UAV; Laser; 3 d design
0.引言
在高压线路设计阶段，可以根据线路的实际情况，为用户提供线路和地理信息，便于设计人员根据设计意见进行优化调整，从而进一步提高设计方案的可操作性。采用微型无人驾驶的高精密激光雷达透射技术，根据预定的路线获取一定区域的地形信息，并根据测量结果进行立体测绘。在高压输电线的设计中采用这种技术，可以提高设计精度，降低设计难度，值得进一步推广和使用。
1.无人机摄影测量的优点
利用无人机作为航空摄影设备的载体，可以获得高质量、高分辨率的影像数据。因为拍摄距离近，所以在摄影测绘方面，无人机有着传统的卫星遥感难以相比的先天优越性。因而，利用无人机摄影测量技术的技术方案日益得到了摄影、测控等行业的重视，并极大地拓宽了其使用的空间和潜在的客户体，有着很好的发展空间。于立体摄影测量原理，采用多转式微型无人驾驶飞机携带数台数码相机、GPS接收机等，采集了架空输电线路通道
走廊的图像，能够实现架空输电线路通道、地表和杆塔导线的高精度三维重构，通过数字化手段重现架空输电线路走廊的真实场景，具备取代地面人力监控进行精细化运维工作的能力，同时也更加有利于后期的数据分析、管理与综合应用开发。
2.工程概况
该工程为500kV高压线路，其设计长度为38.1公里，采用了双回线的结构设计，其输电线路走廊宽184m。沿途地貌比较复杂，有山地、丘陵、沟壑等各种地貌，横跨5条大河，海拔1864米，植物密度比较大。由于工程的地质特征，如果选择摄影测量和RTK技术，不仅工作量大，而且无法保证特殊复杂地段的数据准确性，所以采用无人机进行地面测绘，以获得沿线路的地理信息，从而为线路的选线和优化设计等技术支撑。
2利用无人机激光雷达采集原始数据
2.1检验方案的设计
选择一处地形开阔、周边有建筑物、公路或河流的区域作为校验场。在晴朗无风天气下进行航空摄影。该项目选用了大疆经纬M300 RTK搭配大疆禅思L1。检查飞行计划，确定无
人机航程、拍摄范围等细节，并将其传输到无人机的控制终端中，保证无人机在预定路线上进行自主拍摄。在电力系统的传输线上设置多个接地控制节点，并在传输线的中心轴上布置相应的控制节点。在高程面精确的控制点上，选取了某些高耸的建筑或树的顶端。
2.2航线方案设计
在规划中，应该坚持“全面覆盖，突出重点”的方针。在测量区域中，除建筑、道路等关键部位外，要尽可能地避免重复路径，以提高航测效率。依据尺度和地形资料的复杂性，决定航摄比例，划分航摄区域。此外，航速、航向间距等基础指标，也要按照实际场景和摄影要求来调整。在做好以上各项工作后，根据预定的飞行路线和设置的控制点位，由无人机自动完成数据采集工作。
3激光点云及影像数据处理
3.1点云去噪
尽管通过机载雷达采集到的海量点云数据可以很好的显示出电力系统中的一些区域的地形信息，但如果进一步研究的话，就会发现点云数据存在较多的粗差、系统误差，不能直接
用于生成数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）或数字表面模型（DigitalSurfaceModel，DSM）。为了保证点云数据的使用效率，保证数值建模的准确性，对大量点云数据进行降噪处理。选取误差较小且接近平均值的数据点为参考，其它显著大于或小于此参考的资料，则称为“噪声点”，并进行综合过滤。从而保证剩余点云的资料均符合DEM产生所需的基础条件。点云资料的归类是基于这些特征的。
3.2自动分类
从Lidar点云数据中分离出反映地面真实起伏、落于裸地表面的点，也就是地面点。在DEM产生以前，必须先排除掉建筑物和植被等反映地形地貌特征的非地面点位。采用TerraScan技术进行电力系统的自动分选，其主要工作包括：通过测量区域内已有的影像资料、地形图等资料，使设计者可以对输电线路周边的地形地貌等地理特征有一个大概的认识；以河流、公路等典型资料作为划分的依据，并进行了初步的划分；在对分类数据进行多次调整的同时，对分类点的云状剖面进行了观察，直至达到了分类要求，才能进行参数调整。根据以上的分析，对沿高压传输线的全部点云数据进行了测试。
3.3手动分类
点云数据的自动化处理可以大大减少设计者的工作负担，但有时也会出现一些错误。此时，就要求设计者手工进行精细的分类。在对图像进行连续、完整、符合分级要求的前提下，对分类指标进行调整，并对地面图像进行观测。
3.4生成DEM
通过对点云数据的自动和人工分类，可以获得具有较高精度的地面点。通过对地面上的数据进行分析，可以得到一个数字高程模型（DEM）。此时DEM尚有一些不足之处，如地貌不完全或内插有缺陷。为了进一步改善DEM的准确性，必须对有缺陷的地区增加特征线，以改善其模型的准确性。采用“双线性内插法”，利用修正后的坐标进行插值，形成网格，弥补了地貌的缺点和插补的缺点，使DEM的整体转换更加流畅，且接缝的偏差符合设计的需要。
3.5空中三角测量
尽管DEM可以更全面地反映出地表影像的情况，但其准确性与实际应用仍存在着较大的差距。这就要求采用“空三法”进行DEM的进一步优化。该方法的基本思想是通过求解DEM上
的象点坐标和地表上的控制点坐标的对应，从而准确的调节它们的拓扑结构，从而达到修正坐标和提高精度的目的。空三测量的操作步骤如下：采用点特征提取算子，在图像交迭区域中选择具有显著的均一性的特征点；对图像上的每个特征点进行了自动的旋转，以发现并消除了可能出现的误差。通过测量与控制点相匹配的图像，得到高分辨率的图像定向要素。
3.6生成DOM
完成空三次测量后，需要对DEM资料进行高准确度的归类，从而获得多个图像片段。将图像按一定的次序进行组合，然后再进行正向修正，从而获得一幅数码正向图像。目前，单一的DOM有颜不均匀，道路变形等问题，没有太多的借鉴意义。所以，必须对单一DOM进行正向成像修复，不仅要确保图像的彩和光度均匀，而且要解决局部模糊、重影、公路扭曲、杆塔变形等问题。在对上述问题进行了全面的分析后，得到了画面清晰，调正常，接边过渡自然的DOM结果。
3.7精度检查及生成三维地理场景
同时，在DOM图像中，也要进行准确度检验，即：选择DOM图像中的多个检测点，划分为两种类型。一类用来检查LiDAR点云生成的DEM高程精度，另一类用来检查DOM平面精度。如发现有误差，应进行校验、修正。通过将DOM与DEM相组合，达到了高电压传输线等高分辨率的实时立体地形。通过对立体图的分析，可以对辐射路径、排位档位等进行合理的规划，从而使该方案更具实用性。
