激光雷达，Light Detection And Ranging（LiDAR），即激光探测与测距，结合了激光技术与现代光电探测技术，以激光器为发射光源，向探测目标发射高频率激光脉冲来获取目标的空间位置等信息。激光雷达系统通常集成了激光测距技术、全球定位技术（GPS）和惯性测量技术（IMU），能够直接、快速、主动、精确地获取目标的三维空间信息，而且获取的数据密度高、分辨率高。基于这些数据获取优势，激光雷达与成像光谱技术、成像雷达技术并列为对地观测领域的三大前沿技术。

        机载激光雷达以无人机、直升机等为平台，RIEGL具有独有的全数字化回波功能，能够穿透茂密植被冠层，获取植被地形信息，非常适于狭长区域、植被覆盖、地形复杂区域的三维信息获取，这为数字电网建设和线路安全巡检等提供了强有力的技术支撑，其应用可覆盖前期的电网线路规划、勘测、设计施工，乃至后期的数字化管理、安全运营和维护等。

RIEGL MiniVUX-DL电力巡线系统

全波形穿透植被示意图（绿色: 初次完全回波；黄色: 初次回波；淡蓝色: 中间回波；深蓝色：最终回波）

        下面我们具体来看看机载激光雷达是如何为数字电网建设和输电线路安全巡检提供技术支撑的。

机载激光雷达工作原理与流程是什么？

        机载激光雷达的工作方式和原理（如下图），即激光测距系统向探测目标主动发射高频率的激光脉冲，直接获取地物表面的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，经过处理生成高密度的三维空间坐标，即点云。激光点云数据的每个点不仅具有 x 、 y 平面坐标信息，还具有高程信息，即 z 值，同时还可从不同视角对这些点云进行三维显示、量测，计算点云所表达目标的表面积、体积等，这也是激光雷达区别于传统光学遥感和微波遥感数据的最大优点。

机载LiDAR系统工作原理示意图

        下面以中科院遥感与数字地球研究所王成研究员团队的部分研究成果为例，展示机载激光雷达在数字电网建设和输电线路安全巡检中的应用。

地物点云的分类

        输电线路走廊是电网的最主要部分，走廊内地形、地貌、地物（植被、建筑等）、电塔、挂线点位置等是电网建设和管理极为关注的对象。但是一次飞行任务获取的原始点云包括了输电线走廊内的所有地物目标，而实际应用中需要将不同类型地物目标的激光点分离出来，即进行滤波分类。滤波即将原始点分为地面点和非地面点，地面激光点经过插值或构网可得到走廊的数字地形模型（DEM），而非地面点可经过进一步处理提取各类地物点。

点云地物分类示意图

电力线点云提取及电塔空间位置识别

电力走廊重建

        走廊三维重建也即输电线路本体建模，这是输电线路安全分析的基础。目前，除DEM等可自动重建外，走廊内的很多地物主要还是依赖于人工勾绘和第三方软件，如AutoCAD等。

局部放大与导线建模

电力线路安全巡检

        电力线走廊数字化重建后，即可得在电脑中直观立体显示电力线、电塔的位置、与走廊地物的空间关系；结合杆塔上安装的温度、湿度、风速等监控设备传回的数据，即可在三维数字化电网基础上进行各种电力作业分析，如预测与模拟不同温度、风速、覆冰下弧垂变化情况，模拟树木生长情况等。右图中红色点表示某些状态下可能会对电力线安全构成威胁的植被点，下图中蓝色点表示树木在生长一段时间后可能会对电力线安全产生威胁的植被点（PLS-CADD）。

植被危险点分析                                               输电线路上危险植被点检测

        以上仅仅是机载激光雷达在数字电网建设与巡检中最基本的工作流程。事实上，激光雷达在电力中的应用面非常广，如架设线路选址、砍伐树木与土方量计算、地质灾害监测、走廊变化检测（如违章建筑、树木生长情况等），还可以结合地面三维激光扫描技术（Terrestrial Laser Scanning technology, TLS）进行数字变电站建设；融合点云和高分辨率的光学数码影像，实现输电线路走廊真三维数字重建；结合多期点云和影像数据，通过点云滤波、空间差值，以及影像配准和灾前灾后的差值计算，提取地形变化或者其他专题变化图，快速、直观地了解线路上的异常情况，并采取相应应对方案。

为什么选择RIEGL

        RIEGL公司自1978年创立以来，始终专注于激光测量技术，每年向全球供应超过1000套激光雷达系统，来始终坚持激光雷达技术的创新。

        RIEGL miniVUX-DL——为电力巡线而生

        每秒10万点发射功率集中在激光器正下方46°圆形范围，保证超高点密度，保证数据获取的有效性和高效性。

                                                                            扫描角度示意图     飞行速度18m/s，相对地面高度80m时点密度示意图

点密度最低部分每平方米52个点，最高部分高达每平方米316个点

        鉴于电力巡线行业应用的特殊性，RIEGL miniVUX-DL选择了圆形扫描。圆形扫描点云分布均匀，且激光头正下方点云最稀疏（以18m/s飞行速度，相对高度80m时，最稀疏部分点密度仍高达每平方米52个点），边缘部分最密集（高达每平方米316点）。因为电力巡线时飞行器不能飞在电力线正上方，所以一般作业时多选择飞在电力线正上方偏移一段距离飞行，在这样的飞行条件下，越靠边缘点密度越高，可以充分保证电力线和电力塔的点密度。

小结

        RIEGL miniVUX系列可以与大疆M600 pro直接集成，系统简单易用。

        miniVUX-DL 具备可穿透植被、点密度高、点密度分配适用于电力巡线以及作业效率高等优点，可以提高电力巡线效率。配合当下各种专业软件（以王成研究员团队开发的巡线魔方为例），可以轻松做到：

数据输入输出与格式转换

        ❖ 多种格式（LAS、ASCII、PCD等）三维点云浏览、量测分析；

        ❖ 影像数据导入：支持JPG、bmp、tif等常规影像数据的导入；

        ❖ 三维模型数据导入：支持3ds、obj、osgb、shp等格式的三维模型数据导入；

        ❖ 数据格式转换功能：支持不同点云数据格式间的数据转换功能；

        电力走廊地物自动/半自动分类

        ❖ 根据不同算法支持对地面、树木、杆塔、线路、建筑物、道路自动分类；

        ❖ 一键式全自动分类；

        ❖ 支持手动分类；

激光点云架空线路数据分析

        ❖ 输电线路通道危险点检测：通过设置输电线路的限距（线路的最小安全距离）分析故障点位置（水平距离、垂直距离、净空距离、对地距离等），类型（树木、房屋、线路等）等；

        ❖ 输电线路工况模拟：可模拟大风、高温、覆冰工况下的线路弧垂，并进行危险点分析，找到危险点位置和类型；

        ❖ 架空输电线路的交叉跨越识别：支持交叉跨越提取及分析功能，可获取交叉跨越物分析，分交叉跨越位置（垂直距离、净空距离等）、类型（建筑物、公路铁路、河流湖泊、线路）等

        ❖ 杆塔倾斜和位移：支持测量杆塔倾斜和位移变化

        ❖ 不同时期点云数据分析:通过对不同时期的点云数据对比展示，发现变化的点云数据

报告自动打印

        ❖ 危险点报告打印：分析获取架空线路通道中构成输电线路危险点的位置、类型，并可以形成危险点分析报表，打印危险点分析报告

        ❖ 交跨点报告打印：识别导线与导线的交叉跨越点，并形成交叉跨越分析报表，打印交跨点分析报告

        ❖ 支持定档、分档打印线路横断面图报告

        ❖ 支持导线信息分析报告的打印

        ❖ 支持杆塔倾斜、变化监测分析报告的打印

        整套解决方案着力解决输电线路巡检、三维可视化及运维管理等过程中的难题，为电力行业提供更加高效的解决方案，从而为电力线路的规划设计、运行维护提供高精度测量数据成果，为输电线路的设计、运行、维护、管理提供更快速、更高效和更科学的手段。