激光雷達是什么？

激光雷達，Light Detection And Ranging（LiDAR），即激光探測與測距，結合了激光技術與現代光電探測技術，以激光器為發射光源，向探測目標發射高頻率激光脈沖來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、全球定位技術（GPS）和慣性測量技術（IMU），能夠直接、快速、主動、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。基于這些數據獲取優勢，激光雷達與成像光譜技術、成像雷達技術并列為對地觀測領域的三大前沿技術。

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、科學試驗等，如美國 NASA 2003年發射 ICESat-1 衛星上搭載的 GLAS （Geoscience Laser Altimeter System）、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，這為數字電網建設和線路安全巡檢等提供了強有力的技術支撐，其應用可覆蓋前期的電網線路規劃、勘測、設計施工，乃至后期的數字化管理、安全運營和維護等。

下面我們具體來看看機載激光雷達是如何為數字電網建設和輸電線路安全巡檢提供技術支撐的。

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建設和輸電線路安全巡檢中的應用，同時介紹該團隊開發的我國首套免費激光雷達點云數據處理軟件“點云魔方”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發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，經過處理生成高密度的三維空間坐標，即點云。激光點云數據的每個點不僅具有 x 、 y 平面坐標信息，還具有高程信息，即 z 值，同時還可從不同視角對這些點云進行三維顯示、量測，計算點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遙感和微波遙感數據的最大優點。圖2是某高壓輸電線路走廊的原始激光點云數據。

圖1 機載 LiDAR 系統工作原理示意圖

圖2 某高壓線走廊原始機載激光點云數據（側視）

2、地物點云分類

輸電線路走廊是電網的最主要部分，走廊內地形、地貌、地物（植被、建筑等）、電塔、掛線點位置等是電網建設和管理極為關注的對象。但是一次飛行任務獲取的原始點云包括了輸電線走廊內的所有地物目標，而實際應用中需要將不同類型地物目標的激光點分離出來，即進行濾波分類。濾波即將原始點分為地面點和非地面點(圖3)，地面激光點經過插值或構網可得到走廊的數字地形模型（DEM），而非地面點可經過進一步處理提取各類地物點。圖4展示了某段輸電走廊電力線點云分類結果，圖5~圖9為各電力要素的點云提取結果。

圖3 濾波結果（上圖：原始點云，下圖：數學形態學濾波得到的地面點）

圖4 電力走廊點云分類側視圖

圖5 電力線點云提取（上圖：原始點云，下圖：提取的電力線點）

電塔空間位置識別

T型電塔提取過程

V型電塔提取過程

門型電塔提取過程

圖6 不同類型電塔的激光點云提取過程

圖7 建筑物點云提取結果（上圖：原始點云，下圖：建筑點云提取結果）

圖8 道路激光點云的提取結果（上圖：濾波后的地面點，下圖：提取的道路點）

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

3、電力走廊重建

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

四分裂導線點云數據（前視圖）

俯視效果

聚類分析

導線建模

局部放大

圖10 電力線分股與重建流程

4、電力線路安全巡檢

電力線走廊數字化重建后，即可得在電腦中直觀立體顯示電力線、電塔的位置、與走廊地物的空間關系；結合桿塔上安裝的溫度、濕度、風速等監控設備傳回的數據，即可在三維數字化電網基礎上進行各種電力作業分析，如預測與模擬不同溫度、風速、覆冰下弧垂變化情況，模擬樹木生長情況等。圖11中紅色點表示某些狀態下可能會對電力線安全構成威脅的植被點，圖12中藍色點表示樹木在生長一段時間后可能會對電力線安全產生威脅的植被點（PLS-CADD）。

圖11 危險植被點分析

圖12 輸電線路上危險植被點檢測

5、機載激光雷達電力應用軟件

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

圖13 王成研究員團隊開發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：電力走廊激光點云數據三維渲染模塊、點云數據分類模塊、電力線模擬分析模塊和人工交互模塊。軟件在實現海量電力線走廊激光點云數據三維渲染的同時，兼具電力走廊點云高效自動分類功能，目前可分六類地物（電力線、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三維重建功能，還具有對實時工況和模擬工況的分析功能，以交跨點、危險點分析報表和電力行業橫斷面輸出為載體，助力電力巡檢行業的數字化進程。

以上僅僅是機載激光雷達在數字電網建設與巡檢中最基本的工作流程。事實上，激光雷達在電力中的應用面非常廣，如架設線路選址、砍伐樹木與土方量計算、地質災害監測、走廊變化檢測（如違章建筑、樹木生長情況等），還可以結合地面三維激光掃描技術（Terrestrial Laser Scanning technology, TLS）進行數字變電站建設；融合點云和高分辨率的光學數碼影像，實現輸電線路走廊真三維數字重建；結合多期點云和影像數據，通過點云濾波、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題變化圖，快速、直觀地了解線路上的異常情況，并采取相應應對方案。

作者系中國科學院遙感與數字地球研究所研究人員