基于激光雷达测量技术的输电线路优化设计

§6.3　基于激光雷达测量技术的输电线路优化设计

6.3.1　输电线路优化选线

1.总体思路概述

输电线路建设的成本主要包括杆塔、电线等的本体造价，对现有环境破坏造成的赔偿费用(如房屋拆迁、林木砍伐等)，线路勘察、设计、施工的费用等。优化选线设计的主要目的就是尽量使路径走向更合理、杆塔布置更经济，同时减少对现有环境的影响，从而达到节省工程投资的目的。

由于输电线路穿越空间有着严格的条件限制，因此输电线路的选线是一项极为细致与复杂的工作。一般而言，输电线路选线是先在1∶10000或者1∶50000地形图上初步确定一条较好的路径，结合各重点区域踏勘进行局部变动。设计人员所使用的地形图资料由测量专业工作提供，或从测绘局购买地形图。由于传统的图纸是二维的，三维信息只能依靠等高线或高程注记来表现，产品单一且不直观，设计人员最终提交给业主的设计成果也是图纸及文字说明资料。由于我国现用的小比例尺地形图大多是20世纪70～80年代或更早测绘的，因而无法较精确地反映出当前地形、地物的状况;而测量专业工作采用常规手段所施测地形图，速度慢、工期长，且在现场受到“视野局限性”的客观限制。一些设计单位也开始使用遥感图来做线路的初选，这大大提高了初选线路的准确性和科学性，减少后期改线的几率，提高工作效率。

在施工图阶段，根据电压等级的不同，工作内容有较大区别:对于大部分220kV及以下线路，一般是测量、线路、地质、水文等多专业人员在野外现场进行勘察，并根据经验和一些技术手段选定路径、测量平断面图，然后在室内做详细设计;而对于500kV及以上的超高压线路、部分220kV以上线路，则按照国家相关规范要求，利用航空摄影测量对初选线路一定范围内(一般2～3km宽)的测区进行整体测绘，结合野外调绘，在室内恢复沿线的三维场景，进行路径优化和排杆定位，提交图纸、表格、材料统计、估算造价等设计成果。

由于人工在野外选线的工作很大程度上受制于设计人员的经验和视野，只能尽量保证线路能够走通，很难进行优化;而航空摄影测量技术可以将野外现场较大范围内的三维环境搬到室内，设计人员可以在室内充分了解线路周边环境，相对于工测手段来说，容易做到路径和塔位的优化。

三维激光雷达测量技术相对于航空摄影测量技术，不仅能为设计人员提供更准确、更直观的线路走廊野外真实环境信息，而且这些信息是全数字化的，能被各种常规的软硬件所支持，操作和应用更加灵活方便，所以该技术的应用不仅会大大节约设计、勘测的费用、缩短作业周期，使设计更为合理，而且能将复杂的电力、电网信息快速实现网络化、可视化的管理，可以产生很好的经济效益及社会效益。

2.总体技术流程

基于传统航空摄影测量技术的优化选线，是利用航片(或卫星图片)影像为主要数据源，将其处理后生成数字地面模型、数字正射影像和三维景观图等各种数字化产品，借助相关软件支持，使之适合于输变电工程需要，包括电力线路的路径优化、杆塔排位优化、线路走廊和场站地质解译、发电厂厂址优化、变电所所址优化、数字化电网建设等。

图6-2为基于传统航空摄影测量技术的架空送电线路设计流程示意图。

图6-2　基于传统航空摄影测量技术的架空送电线路设计流程示意图

尽管基于航空摄影测量的选线手段相对于人工选线来说是一项较大的技术突破，但是这种选线手段仍然存在着作业流程复杂、外业工作量大、平断面精度不高、数据不直观、软件平台不易用等缺点，从而导致工程设计效率低、工期长。

在掌握激光雷达测量技术的基础上，结合输电线路选线作业流程要求，经过摸索尝试和提炼创新，形成如图6-3所示的基于激光雷达测量技术的架空送电线路设计流程。

图6-3　基于三维激光雷达测量技术的架空送电线路设计流程示意图

如图6-3所示流程关键环节描述如下:

(1)首先，以1∶10000或1∶50000的地形图数据或卫星遥感影像数据为参考，初步确定一条较好的输电线路路径，完成线路初选并输出路径成果。如图6-4、图6-5所示。

图6-4　基于卫星遥感影像的线路初选图

图6-5　基于地形图数据的线路初选图

(2)基于初选线路路径，采用机载激光雷达测量系统进行全线航摄，航带宽度通常为2～3km，如图6-6所示。对采集的激光雷达数据进行加工处理，得到数字正射影像、数字高程模型和分类后的激光点云数据，并将这些数据提供给线路勘测设计部门进行路径优化。如图6-7所示。

(3)线路勘测设计部门专业技术人员利用激光雷达数据输出调绘图，并进行外业调绘。

(4)结合激光雷达数据、调绘成果数据和其他辅助数据，设计人员在专门定制开发的输电线路优化选线设计软件(如后面章节介绍的OnePLD软件)中，进行线路路径优化、预排塔位，并输出路径成果、平断面图、影像路径图、三维景观等选线设计成果。

图6-6　输电线路走廊激光雷达航摄航带设计示意图

图6-7　激光雷达测量系统采集的输电线路走廊数据成果索引示意图

(5)利用选线设计成果到现场进行终勘定位和施工放样。

(6)选线的测量设计成果也可以为后期电网三维可视化管理提供数据基础。

3.技术优势

与传统航空摄影测量优化选线技术相比，机载激光雷达测量技术在输电线路优化选线设计业务中许多方面具有明显优势，主要表现如下:

(1)激光雷达测量技术利用机载GPS和IMU形成的POS系统联测，只需极少的外业布控，通常几十公里一个布控点，这相对于传统航测方法来说，外业布控点数据大大减少。

(2)激光雷达测量技术能直接获取数字化的成果数据，而目前传统航测大多使用胶片相机，需要进行胶片扫描才能形成数字化成果。

(3)激光雷达测量技术获取的激光点云数据是三维的，数据精度高，地形细节表现更好。

(4)激光雷达测量技术获取的信息更丰富，处理得到的高精度、高分辨率的DEM数据、DOM数据以及激光点云数据，使得对地形地物的判读、空间信息的量测(面积、距离、角度、坡度等)与获取更加准确和便捷，有利于在选线过程中对一些重要地物的避让，譬如公路、村庄、规划区、庙宇、榕树、矿区等，大大减少外业调绘工作量。

(5)基于激光雷达测量技术，线路断面可从DEM数据中自动提取，平面数据可以通过DOM进行快速人工采集，一些诸如房高、树高、塔高等信息则利用激光点云数据自动提取，避免了传统航测作业中由内业人员逐点进行立体量测的繁琐过程，与航空摄影测量优化选线技术相比较，应用机载激光雷达优化选线技术进行平断面采集作业效率可以提高75%左右。至于平断面精度，绝大部分机载激光雷达断面点高程误差在0.5m以内，因此，机载激光雷达平断面精度不仅完全能够满足线路设计的需要而且远优于传统航测平断面精度。

(6)激光雷达测量技术生产的DOM和DEM生成的三维场景操作更方便，效果更逼真，可以方便进行全线漫游以及多视角观察，便于设计人员从整体上把握线路路径。

(7)机载激光雷达路径优化选线平台无需配备航空摄影测量所需的专业立体观测设备，可以非常方便地安装在便携机上，因此设计人员可以在野外现场进行选线，并根据即时断面数据进行预排杆，大大提高改线作业效率。

(8)选线的测量设计成果可以非常方便地为后期电网三维可视化管理提供数据基础，更有利于数字电网的实现。

4.已完成工程项目

广西电力工业勘察设计研究院是国内最早引进激光雷达测量技术进行架空送电线路优化选线设计的单位，结合自主开发的架空送电线路三维优化选线平台OnePLD，先后开展并已完成如下工程项目:

(1)钦州—防城港500kV线路工程项目(2005年，330km);

(2)罗平—百色Ⅱ回500kV线路工程(2006年，292km，与中南电力设计院和西南电力设计院合作);

(3)大新—南宁500kV线路工程项目(2007年，126km);

(4)马山—雷村、雷村—林村220 kV线路工程项目(2007年，109km)。

经过多个项目应用实践证明:机载激光雷达测量技术在输电线路优化选线中应用是完全可行的，与传统选线手段相比较具有明显的优势。OnePLD软件先后荣获“广西科学技术进步二等奖”、“南宁市科学技术进步二等奖”和“中国南方电网公司科学技术二等奖”。

5.架空送电线路三维优化选线平台OnePLD介绍

架空送电线路三维选线平台OnePLD，是广西电力工业勘察设计研究院与广西桂能信息工程有限公司、广西桂能软件有限公司合作，紧密结合输电线路选线业务需求，完全自主开发的专业应用软件平台。该软件平台能充分利用激光雷达、航测、卫星遥感等手段采集处理的数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)等，满足各种电压等级线路在科研、初设、施工图设计各个阶段的选线业务需求。

OnePLD软件采用独有的空间数据引擎，将海量的空间数据进行压缩、存储、管理、索引、快速调度，并提供二维、平断面、三维等多种视图，将野外线路周围的三维实景搬到室内，让设计人员随心所欲地浏览、量测，充分考虑地形、环境等影响因素，进行线路选线设计。

该软件提供的流程化、工程化、协同工作模式和紧贴选线业务的功能设计，可以大大减少线路工程中内外业工作量，提高勘测设计质量，缩短勘测设计周期，降低工程造价，提高招投标和成果汇报质量和效果。

OnePLD软件具有如下特点:

(1)不论在科研、初设还是施工图设计阶段，不论是利用激光雷达测量技术、航空摄影测量技术还是卫星遥感手段采集的数据，该软件都提供简单而又统一的操作模式，只需有基本的电脑操作知识就可以快速学会使用，大大降低学习成本，减轻设计人员劳动强度，为业主和企业提供更优的质量和更低的成本投入。

(2)紧贴选线业务需求，软件提供从海量数据处理、管理、地图浏览和三维量测、路径选择、断面自动提取，平断面采集和比较，到成果输出的全流程、一体化功能设计，可以满足各种设计要求。

(3)具有独有的空间数据引擎，可以将海量数据全部管理起来，形成数据中心，并进行有效压缩、索引和调度，使之快速、无缝的展现在选线平台上;提供二维、平断面、三维等视图，并实现分屏显示，设计人员可以全方位、多角度、随心所欲地观测线路周围的地形地貌和有影响的地物，易于对路径方案进行反复调整、比较，提高设计的精确性和有效性。

(4)利用三维仿真技术，将工程现场搬到室内，设计人员在室内就能充分考虑地形、环境等影响因素，克服了常规工测中容易漏测的缺点，对于边线、危险点有很好的控制方案，减少了勘测差错的发生，优化设计方案。

(5)不像数字摄影测量技术那样需借助特殊设备进行有限制的立体三维观测，OnePLD软件直接利用已管理起来的数据仿真野外三维实景，可以方便的安装在笔记本电脑等轻便设备上，降低用户硬件购置成本。

(6)软件安装在笔记本电脑上，可以方便的带到野外使用，可以在野外现场根据实际要求进行改线，并快速自动提取新断面，软件还提供了改线时特有的一些线路修改功能。

(7)软件可以充分利用高精度、高分辨率DOM和DEM进行设计，弥补了因为地形图老化而产生的线路设计缺陷，使选线过程和招投标方案评定更加直观。

(8)软件作业模式简单，因而大大提高设计效率，比如在平断面采集时，无需特别熟练人员，同样长度的线路每人可以比航测的立体像对采集模式缩短75%的时间。

(9)软件提供多机协同设计工作模式，网络上不同终端节点的设计人员可以同时进行作业，进一步缩短作业时间。

(10)路径选择完成后，可以对全线路进行自动三维漫游，让设计人员方便地了解设计成果，也可以提高招投标和成果汇报质量和效果。

OnePLD软件具有如下主要功能:

(1)海量空间数据的存储、压缩、管理、索引、检索和调度

如图6-8所示，OnePLD软件能够将TB级的DOM、DEM、矢量数据等入库统一存储管理，利用压缩、索引、快速调度算法，使之能快速、无缝的展现在选线平台上，使选线人员能综合利用各种高精度数据信息，进行优化选线。

图6-8　OnePLD软件的多源数据无缝集成示意图

(2)路径选择

如图6-9所示，OnePLD软件提供集成度高、简单易用的优化选线工具:

图6-9　OnePLD软件的路径选择功能

①选择新线路时，能够实时显示角点号、累距、转角度等，不同路径可以用不同符号表现，有利于线路方案优化比较。

②可以延长线路，打断线路，连接两条现有线路，添加、删除、修改角点。

③路径角点编辑时，可以固定方向移动，也可以支持直接输入转角和距离数值，实现精确定位，利于改线时减少对已定线路的影响。

④创建、延长、编辑线路时，实时显示最后两点的断面图，快速了解所选线路上的地形起伏情况。

⑤路径显示设置:可以设置是否实时显示角点号、累距、左右边线、关注缓冲区边线，也可以设置各种边线宽度、最大转角度限制等。

⑥路径锁定管理:根据线路名称、设计人员名称对所设计的电力线进行锁定，防止平断面采集等工作时对线路路径的误操作。

(3)地物采集与编辑

①OnePLD软件提供了完整的、符合国家标准规范的1∶500、1∶1000、1∶2000符号库，支持所有符号库中地物的采集。

②对一些典型地物，提供了单点、两点、多点采集功能，同时支持在影像图和平断面上采集地物，使平断面采集工作更方便，效率大大提高，更加符合设计人员习惯。

③支持平断面与影像地图的联动。如图6-10所示。

图6-10　OnePLD软件的平断面采集功能

(4)地图浏览

①实现海量地理数据的叠加，大区域的无缝漫游、无级缩放。在选线时，可以真正做到“左顾右盼”、“粗细兼顾”，从而大大地提高选线精度和效率。

②提供强大的图层显示配置管理功能，可以对图层进行分类，可以设置影像的色彩变换，从而增强图像的表现力，在地图上显示原始DOM、DEM等的范围和名称等。

③多视角展现设计成果和野外实景。

④提供二维地图、平断面图、三维地图三种视角，并实现两个显示器的分屏显示，设计人员可以自由地在各个窗口间切换，或同时浏览多个窗口，全方位、多角度地观测线路周围的情况，极大地方便了选线人员进行线路和杆塔微调，避免了单纯使用影像而产生误判的可能性。

⑤如图6-11、图6-12所示，用户可以在OnePLD软件中以侧视、俯视、观测角点、三角网等各种方式进行显示操作，并支持角点的位置调整和风偏、危险点等地物的采集，支持坡度、垂距等的量测。

图6-11　OnePLD软件的多视角表现

图6-12　OnePLD软件支持双屏显示操作

(5)专业量测

丰富快捷的量测工具，长度、角度、坡度、面积、垂距、最近距离，可以方便地得到地物到线路的最近距离等，设计人员可以对线路周边地物的情况了如指掌，如图6-13所示。

(6)地物统计

根据地物国标编码和分类，统计个数、面积等相关信息，设计人员在排杆之前就能大概地把握线路成本，更利于线路方案优化比较。

(7)等高线生成

在指定范围内自动根据DEM生成等高线，叠加到影像地图上，方便在二维地图上了解地形高程信息，可以直接利用设计的调绘图输出范围来生成等高线，更符合出图习惯。

图6-13　OnePLD软件的多种量测功能

(8)平断面图自动提取、比较

①OnePLD软件可以根据所选线路自动提取平断面，用户可以随时查看和比较，对方案进行比较。

②平断面表现完全符合国家规程规范，支持多标尺设置，对于高程相差大的平断面可以更好地表现，支持多项显示配置，表现更加合理。

(9)预排位

如图6-14所示，设计人员可以在平断面图上进行杆塔预排位，可以新增、升高、降低、平移、删除、复制杆塔，可以单独设置每一个档的k值，从而初步判断设计结果是否符合相关要求，并对后一步的杆塔定位提供指导。

图6-14　OnePLD软件的预排位功能

(10)输出调绘图和影像路径图

①方便地定义调绘图的范围，将影像、矢量、等高线、注记等信息输出到统一的调绘图数据库中。

②提供调绘图编辑软件，可以对调绘图进行整饰，并按指定比例尺输出成影像文件，进行打印，如图6-15所示。

图6-15　OnePLD软件输出的调绘图和影像路径图

③调绘图输出时，提供标注叠加自动检测功能，提高图纸整饰的效率和效果。

(11)路径成果和平断面输出

OnePLD软件可以输出和导入路径角点成果，也可以将平断面输出成道亨软件的ORG格式。

(12)三维漫游展示

可以随时对选线成果进行三维漫游展示，让选线人员和客户清楚、全盘地了解线路设计成果和线路周围情况，查询关注的信息，输出视频，提高招投标和成果汇报质量和效果等，如图6-16所示。

(13)符号库管理

OnePLD软件提供了完整的、符合国家标准规范的1∶500、1∶1000、1∶2000符号库，并提供完整、强大的符号库管理工具，完全按照国标符号定制，可以添加、修改、删除符号，如图6-17所示。

图6-16　OnePLD软件选线成果三维展示

图6-17　OnePLD软件专业符号库

6.3.2　输电线路排杆定位

基于激光雷达测量技术采集的平断面精度非常高，线路走廊内的地形、地貌、地物三维信息都可以清晰反映，大大方便了设计人员进行排杆定位。线路设计人员在排杆软件平台中，借助激光雷达测量系统采集的高精度平断面数据，可以进行高质量优化排杆，如图6-18所示。

同时，在外业放线过程中，设计人员可以非常方便地进行现场改线，重新进行排杆定位设计，大大提高了工作效率。据流可计挥用法

对于新建线路，如果在勘测设计阶段采用了激光雷达测量技术，可以基于激光雷达数和线路勘测设计成果制作输电线路三维可视化管理系统。由于目前国内的电网工程建设程中，激光雷达数据只是设计人员使用，没有进入后续的管理、运行、维护阶段，而三维视化管理系统的使用人员却是管理和运行、维护人员，所以我们提出“输电线路勘测设成果数字化移交”的概念，使激光雷达测量数据从设计阶段提交到后续的各个阶段，发更大的作用(解决方案框架如图6-19所示)。

目前航空摄影测量在线路勘测设计中的应用模式，是设计人员基于立体像对方式，利摄影测量软件和工作站构建三维场景，进行优化选线。由于立体配对片在普通电脑上无使用，而且操作不便，所以只限制在设计阶段，由设计人员和软件操作人员配合使用。而激光雷达测量技术采集和处理得到的数据是全数字化的，包括数字正射影像、数字高程模型、三维激光点云等，这些数据直接提交给选线设计人员，在普通的PC等硬件设备上就可以仿真三维场景，无需配备航空摄影测量所需的立体观测设备，因此除了在设计阶段可以很方便地使用外，也可以在输电线路招投标、施工、运行、维护、管理各个环节重复利用。

图6-18　排杆定位功能示意图