編者按：輸電線(xiàn)路定期巡檢，能夠有效消除可能的隱患或損失，保障電網(wǎng)運行安全。但是人工巡線(xiàn)勞動(dòng)強度大、效率低，在高壓線(xiàn)路檢查作業(yè)時(shí)存在危險，并且對于穿越荒山野嶺、深溝峽谷的輸電線(xiàn)路無(wú)能為力。這時(shí)，機載激光雷達就派上用場(chǎng)，大顯身手，近幾年逐漸被電力部門(mén)接受并推廣應用。究竟激光雷達是什么？工作原理與流程又是什么？能夠在哪些領(lǐng)域發(fā)揮作用？

激光雷達是什么？

激光雷達，LightDetectionAndRanging（LiDAR），即激光探測與測距，結合了激光技術(shù)與現代光電探測技術(shù)，以激光器為發(fā)射光源，向探測目標發(fā)射高頻率激光脈沖來(lái)獲取目標的空間位置等信息。激光雷達系統通常集成了激光測距技術(shù)、全球定位技術(shù)（GPS）和慣性測量技術(shù)（IMU），能夠直接、快速、主動(dòng)、精確地獲取目標的三維空間信息，而且獲取的數據密度高、分辨率高?；谶@些數據獲取優(yōu)勢，激光雷達與成像光譜技術(shù)、成像雷達技術(shù)并列為對地觀(guān)測領(lǐng)域的三大前沿技術(shù)。

激光雷達按照搭載平臺的不同可以分為星載、機載和地基激光雷達。

星載激光雷達主要用于航天、科學(xué)試驗等，如美國NASA2003年發(fā)射ICESat-1衛星上搭載的GLAS（GeoscienceLaserAltimeterSystem）、我國2007年在嫦娥一號上搭載的激光測高儀等。

地面激光雷達則主要用于地物三維精細建模，適于小尺度應用。

機載激光雷達以無(wú)人機、直升機等為平臺，高頻率激光脈沖具有一定穿透性，能夠穿透茂密植被冠層，獲取林下地形信息，非常適于狹長(cháng)區域、植被覆蓋、地形復雜區域的三維信息獲取，這為數字電網(wǎng)建設和線(xiàn)路安全巡檢等提供了強有力的技術(shù)支撐，其應用可覆蓋前期的電網(wǎng)線(xiàn)路規劃、勘測、設計施工，乃至后期的數字化管理、安全運營(yíng)和維護等。

下面我們具體來(lái)看看機載激光雷達是如何為數字電網(wǎng)建設和輸電線(xiàn)路安全巡檢提供技術(shù)支撐的。

機載激光雷達工作原理與流程是什么？

我們以中科院遙感與數字地球研究所王成研究員團隊的部分研究成果為例，展示機載激光雷達在數字電網(wǎng)建設和輸電線(xiàn)路安全巡檢中的應用，同時(shí)介紹該團隊開(kāi)發(fā)的我國首套免費激光雷達點(diǎn)云數據處理軟件“點(diǎn)云魔方”中的電力巡檢模塊。

1、機載激光雷達工作原理

機載激光雷達的工作方式和原理（如圖1），即激光測距系統向探測目標主動(dòng)發(fā)射高頻率的激光脈沖，直接獲取地物表面的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，經(jīng)過(guò)處理生成高密度的三維空間坐標，即點(diǎn)云。激光點(diǎn)云數據的每個(gè)點(diǎn)不僅具有x、y平面坐標信息，還具有高程信息，即z值，同時(shí)還可從不同視角對這些點(diǎn)云進(jìn)行三維顯示、量測，計算點(diǎn)云所表達目標的表面積、體積等，這也是激光雷達區別于傳統光學(xué)遙感和微波遙感數據的最大優(yōu)點(diǎn)。圖2是某高壓輸電線(xiàn)路走廊的原始激光點(diǎn)云數據。

圖1機載LiDAR系統工作原理示意圖

圖2某高壓線(xiàn)走廊原始機載激光點(diǎn)云數據（側視）

2、地物點(diǎn)云分類(lèi)

輸電線(xiàn)路走廊是電網(wǎng)的最主要部分，走廊內地形、地貌、地物（植被、建筑等）、電塔、掛線(xiàn)點(diǎn)位置等是電網(wǎng)建設和管理極為關(guān)注的對象。但是一次飛行任務(wù)獲取的原始點(diǎn)云包括了輸電線(xiàn)走廊內的所有地物目標，而實(shí)際應用中需要將不同類(lèi)型地物目標的激光點(diǎn)分離出來(lái)，即進(jìn)行濾波分類(lèi)。濾波即將原始點(diǎn)分為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)(圖3)，地面激光點(diǎn)經(jīng)過(guò)插值或構網(wǎng)可得到走廊的數字地形模型（DEM），而非地面點(diǎn)可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理提取各類(lèi)地物點(diǎn)。圖4展示了某段輸電走廊電力線(xiàn)點(diǎn)云分類(lèi)結果，圖5~圖9為各電力要素的點(diǎn)云提取結果。

圖3濾波結果（上圖：原始點(diǎn)云，下圖：數學(xué)形態(tài)學(xué)濾波得到的地面點(diǎn)）

圖4電力走廊點(diǎn)云分類(lèi)側視圖

圖5電力線(xiàn)點(diǎn)云提?。ㄉ蠄D：原始點(diǎn)云，下圖：提取的電力線(xiàn)點(diǎn)）

電塔空間位置識別

T型電塔提取過(guò)程

V型電塔提取過(guò)程

門(mén)型電塔提取過(guò)程

圖6不同類(lèi)型電塔的激光點(diǎn)云提取過(guò)程

圖7建筑物點(diǎn)云提取結果（上圖：原始點(diǎn)云，下圖：建筑點(diǎn)云提取結果）

圖8道路激光點(diǎn)云的提取結果（上圖：濾波后的地面點(diǎn)，下圖：提取的道路點(diǎn)）

圖9輸電走廊植被點(diǎn)提取結果（上圖：剔除電力線(xiàn)、電塔和建筑點(diǎn)后的非地面點(diǎn)；下圖：植被激光點(diǎn)，其中深綠色為高植被，淺綠色為低植被，棕黃色為地面點(diǎn)）

3、電力走廊重建

走廊三維重建也即輸電線(xiàn)路本體建模，這是輸電線(xiàn)路安全分析的基礎。目前，除了DEM等可自動(dòng)重建外，走廊內的很多地物主要還是依賴(lài)于人工勾繪和第三方軟件，如AutoCAD、3DMax等。此處以電力線(xiàn)建模為例，展示該團隊自動(dòng)或半自動(dòng)的建模結果。

四分裂導線(xiàn)點(diǎn)云數據（前視圖）

俯視效果

聚類(lèi)分析

導線(xiàn)建模

局部放大

圖10電力線(xiàn)分股與重建流程

4、電力線(xiàn)路安全巡檢

電力線(xiàn)走廊數字化重建后，即可得在電腦中直觀(guān)立體顯示電力線(xiàn)、電塔的位置、與走廊地物的空間關(guān)系；結合桿塔上安裝的溫度、濕度、風(fēng)速等監控設備傳回的數據，即可在三維數字化電網(wǎng)基礎上進(jìn)行各種電力作業(yè)分析，如預測與模擬不同溫度、風(fēng)速、覆冰下弧垂變化情況，模擬樹(shù)木生長(cháng)情況等。圖11中紅色點(diǎn)表示某些狀態(tài)下可能會(huì )對電力線(xiàn)安全構成威脅的植被點(diǎn)，圖12中藍色點(diǎn)表示樹(shù)木在生長(cháng)一段時(shí)間后可能會(huì )對電力線(xiàn)安全產(chǎn)生威脅的植被點(diǎn)（PLS-CADD）。

圖11危險植被點(diǎn)分析

圖12輸電線(xiàn)路上危險植被點(diǎn)檢測

5、機載激光雷達電力應用軟件

在國家電網(wǎng)公司科技項目支持下，王成研究員團隊在激光雷達點(diǎn)云數據處理軟件“點(diǎn)云魔方”中集成了電力應用模塊，圖13為軟件界面（點(diǎn)擊此后詳細了解該軟件）。

圖13王成研究員團隊開(kāi)發(fā)的機載激光雷達數據處理與電力應用軟件界面

該軟件主要包括四大核心模塊：電力走廊激光點(diǎn)云數據三維渲染模塊、點(diǎn)云數據分類(lèi)模塊、電力線(xiàn)模擬分析模塊和人工交互模塊。軟件在實(shí)現海量電力線(xiàn)走廊激光點(diǎn)云數據三維渲染的同時(shí)，兼具電力走廊點(diǎn)云高效自動(dòng)分類(lèi)功能，目前可分六類(lèi)地物（電力線(xiàn)、電塔、地面、低植被、高植被、建筑和道路）。電力分析模塊不僅具有電力線(xiàn)三維重建功能，還具有對實(shí)時(shí)工況和模擬工況的分析功能，以交跨點(diǎn)、危險點(diǎn)分析報表和電力行業(yè)橫斷面輸出為載體，助力電力巡檢行業(yè)的數字化進(jìn)程。

以上僅僅是機載激光雷達在數字電網(wǎng)建設與巡檢中最基本的工作流程。事實(shí)上，激光雷達在電力中的應用面非常廣，如架設線(xiàn)路選址、砍伐樹(shù)木與土方量計算、地質(zhì)災害監測、走廊變化檢測（如違章建筑、樹(shù)木生長(cháng)情況等），還可以結合地面三維激光掃描技術(shù)（TerrestrialLaserScanningtechnology,TLS）進(jìn)行數字變電站建設；融合點(diǎn)云和高分辨率的光學(xué)數碼影像，實(shí)現輸電線(xiàn)路走廊真三維數字重建；結合多期點(diǎn)云和影像數據，通過(guò)點(diǎn)云濾波、空間差值，以及影像配準和災前災后的差值計算，提取地形變化或者其他專(zhuān)題變化圖，快速、直觀(guān)地了解線(xiàn)路上的異常情況，并采取相應應對方案。

作者系中國科學(xué)院遙感與數字地球研究所研究人員柴油發(fā)電機組