激光雷達(dá)是什么？

激光雷達(dá)，Light Detection And Ranging（LiDAR），即激光探測與測距，結(jié)合了激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)，以激光器為發(fā)射光源，向探測目標(biāo)發(fā)射高頻率激光脈沖來獲取目標(biāo)的空間位置等信息。激光雷達(dá)系統(tǒng)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、精確地獲取目標(biāo)的三維空間信息，而且獲取的數(shù)據(jù)密度高、分辨率高。基于這些數(shù)據(jù)獲取優(yōu)勢，激光雷達(dá)與成像光譜技術(shù)、成像雷達(dá)技術(shù)并列為對地觀測領(lǐng)域的三大前沿技術(shù)。

激光雷達(dá)按照搭載平臺的不同可以分為星載、機載和地基激光雷達(dá)。

星載激光雷達(dá)主要用于航天、科學(xué)試驗等，如美國 NASA 2003年發(fā)射 ICESat-1 衛(wèi)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(dá)則主要用于地物三維精細(xì)建模，適于小尺度應(yīng)用。

機載激光雷達(dá)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(qū)域、植被覆蓋、地形復(fù)雜區(qū)域的三維信息獲取，這為數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)和線路安全巡檢等提供了強有力的技術(shù)支撐，其應(yīng)用可覆蓋前期的電網(wǎng)線路規(guī)劃、勘測、設(shè)計施工，乃至后期的數(shù)字化管理、安全運營和維護(hù)等。

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

機載激光雷達(dá)工作原理與流程是什么？

我們以中科院遙感與數(shù)字地球研究所王成研究員團(tuán)隊的部分研究成果為例，展示機載激光雷達(dá)在數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)和輸電線路安全巡檢中的應(yīng)用，同時介紹該團(tuán)隊開發(fā)的我國首套免費激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)處理軟件“點云魔方”中的電力巡檢模塊。

1、機載激光雷達(dá)工作原理

機載激光雷達(dá)的工作方式和原理（如圖1），即激光測距系統(tǒng)向探測目標(biāo)主動發(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)過處理生成高密度的三維空間坐標(biāo)，即點云。激光點云數(shù)據(jù)的每個點不僅具有 x 、 y 平面坐標(biāo)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(jìn)行三維顯示、量測，計算點云所表達(dá)目標(biāo)的表面積、體積等，這也是激光雷達(dá)區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)遙感和微波遙感數(shù)據(jù)的最大優(yōu)點。圖2是某高壓輸電線路走廊的原始激光點云數(shù)據(jù)。

圖1 機載 LiDAR 系統(tǒng)工作原理示意圖

圖2 某高壓線走廊原始機載激光點云數(shù)據(jù)（側(cè)視）

2、地物點云分類

輸電線路走廊是電網(wǎng)的最主要部分，走廊內(nèi)地形、地貌、地物（植被、建筑等）、電塔、掛線點位置等是電網(wǎng)建設(shè)和管理極為關(guān)注的對象。但是一次飛行任務(wù)獲取的原始點云包括了輸電線走廊內(nèi)的所有地物目標(biāo)，而實際應(yīng)用中需要將不同類型地物目標(biāo)的激光點分離出來，即進(jìn)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(jīng)過插值或構(gòu)網(wǎng)可得到走廊的數(shù)字地形模型（DEM），而非地面點可經(jīng)過進(jìn)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(jié)果，圖5~圖9為各電力要素的點云提取結(jié)果。

圖3 濾波結(jié)果（上圖：原始點云，下圖：數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波得到的地面點）

圖4 電力走廊點云分類側(cè)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(jié)果（上圖：原始點云，下圖：建筑點云提取結(jié)果）

圖8 道路激光點云的提取結(jié)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(jié)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(chǔ)。目前，除了 DEM 等可自動重建外，走廊內(nèi)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(tuán)隊自動或半自動的建模結(jié)果。

四分裂導(dǎo)線點云數(shù)據(jù)（前視圖）

俯視效果

聚類分析

導(dǎo)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(shù)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(guān)系；結(jié)合桿塔上安裝的溫度、濕度、風(fēng)速等監(jiān)控設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，即可在三維數(shù)字化電網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行各種電力作業(yè)分析，如預(yù)測與模擬不同溫度、風(fēng)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(tài)下可能會對電力線安全構(gòu)成威脅的植被點，圖12中藍(lán)色點表示樹木在生長一段時間后可能會對電力線安全產(chǎn)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(dá)電力應(yīng)用軟件

在國家電網(wǎng)公司科技項目支持下，王成研究員團(tuán)隊在激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)處理軟件“點云魔方”中集成了電力應(yīng)用模塊，圖13為軟件界面（點擊此后詳細(xì)了解該軟件）。

圖13 王成研究員團(tuán)隊開發(fā)的機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理與電力應(yīng)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(shù)據(jù)三維渲染模塊、點云數(shù)據(jù)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(xiàn)海量電力線走廊激光點云數(shù)據(jù)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(yè)橫斷面輸出為載體，助力電力巡檢行業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程。

以上僅僅是機載激光雷達(dá)在數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)與巡檢中最基本的工作流程。事實上，激光雷達(dá)在電力中的應(yīng)用面非常廣，如架設(shè)線路選址、砍伐樹木與土方量計算、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、走廊變化檢測（如違章建筑、樹木生長情況等），還可以結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)（Terrestrial Laser Scanning technology, TLS）進(jìn)行數(shù)字變電站建設(shè)；融合點云和高分辨率的光學(xué)數(shù)碼影像，實現(xiàn)輸電線路走廊真三維數(shù)字重建；結(jié)合多期點云和影像數(shù)據(jù)，通過點云濾波、空間差值，以及影像配準(zhǔn)和災(zāi)前災(zāi)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(yīng)應(yīng)對方案。

作者系中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所研究人員