电力巡线太危险，激光雷达来帮忙

编者按：

输电线路定期巡检，能够有效消除可能的隐患或损失,保障电网运行

安全。但是人工巡线劳动强度大、效率低，在高压线路检查作业时存在

危险，并且对于穿越荒山野岭、深沟峡谷的输电线路无能为力。这时，

机载激光雷达就派上用场，大显身手，近几年逐渐被电力部门接受并推

广应用。究竟激光雷达是什么？工作原理与流程又是什么？能够在哪些

领域发挥作用？

激光雷达是什么？

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三大前沿技术。

激光雷达按照搭载平台的不同可以分为星载、机载和地基激光雷达。

星载激光雷达主要用于航天、科学试验等，如美国 NASA 2003 年发

射 ICESat-1 卫星上搭载的 GLAS（Geoscience Laser Altimeter System）、我

国 2007 年在嫦娥一号上搭载的激光测高仪等。

地面激光雷达则主要用于地物三维精细建模，适于小尺度应用。

机载激光雷达以无人机、直升机等为平台，高频率激光脉冲具有一

定穿透性，能够穿透茂密植被冠层，获取林下地形信息，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。

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？

我们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，同时介绍该团队开发的我国首套免费激光雷达点云数据处理软件

“点云魔方”中的电力巡检模块。

1、机载激光雷达工作原理

机载激光雷达的工作方式和原理如图 1，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。图 2 是某高压输电线路走廊的原始激光点云数

据。

图 1 机载 LiDAR 系统工作原理示意图

图 2 某高压线走廊原始机载激光点云数据（侧视）

2、地物点云分类

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(图 3)，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。图 4 展示了某段输电走廊电力线点云分类结果，图

5~图 9 为各电力要素的点云提取结果。

图 3 滤波结果（上图：原始点云，下图：数学形态学滤波得到的地面点）

图4 电力走廊点云分类侧视图

图 5 电力线点云提取

（上图：原始点云，下图：提取的电力线点）

电塔空间位置识别

T 型电塔提取过程 V 型电塔提取过程

门型电塔提取过程

图 6 不同类型电塔的激光点云提取过程

图 7 建筑物点云提取结果（上图：原始点云，下图：建筑点云提取

结果）

图 8 道路激光点云的提取结果（上图：滤波后的地面点，下图：提取

的道路点）

图 9 输电走廊植被点提取结果

（上图：剔除电力线、电塔和建筑点后的非地面点；下图：植被激光

点，其中深绿色为高植被，浅绿色为低植被，棕黄色为地面点）

3、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，除了 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、3DMax 等。部分

以导地线建模为例，展示本团队自动或半自动的建模结果。

四 分

裂 导

线 点

云 数

据（前

视图）

俯

视

效

果

图 10 电力线分股与重建流程

4、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。图 11 中红色点表示某些状态下可能会对电力线安全构

聚

类

分

析

导

线

建

模

局

部

放

大

成威胁的植被点，图 12 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）。

图11 危险植被点分析 图12 输电线路上危险植被点检测

5、机载激光雷达电力应用软件

在国家电网公司科技项目支持下，王成研究员团队在激光雷达点云数据

处理软件“点云魔方”中集成了电力应用模块，图 13 为软件界面（点击此

后详细了解该软件

http://www.radi.cas.cn/dtxw/kjyw/201607/t20160729_4646929.html）。

图13 王成研究员团队开发的机载激光雷达数据处理与电力应用软件界面

软件主要包括四大核心模块：电力走廊激光点云数据三维渲染模块、

点云数据分类模块、电力线模拟分析模块和人工交互模块。软件在实现

海量电力线走廊激光点云数据三维渲染的同时，兼具电力走廊点云高效

自动分类功能，目前可分六类地物（电力线、电塔、地面、低植被、高

植被、建筑和道路）。电力分析模块不仅具有电力线三维重建功能，还具

有对实时工况和模拟工况的分析功能，以交跨点、危险点分析报表和电

力行业横断面输出为载体，助力电力巡检行业的数字化进程。

结束语

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。感兴趣的读者可以参阅相关资料。后续，

我们也会进一步介绍相关研究成果。

图/文 遥感地球所数字地球重点实验室 习晓环 王成