無人機激光雷達技術在輸電線路通道的應用

吳永利，陳歡

（國網(wǎng)龍巖供電公司，福建龍巖364000）

無人機激光雷達技術在輸電線路通道的應用

吳永利，陳歡

（國網(wǎng)龍巖供電公司，福建龍巖364000）

無人機技術發(fā)展日新月異，利用先進的無人機搭載激光雷達對輸電線路通道進行巡檢，采用點云數(shù)據(jù)技術，對輸電線路通道物征物進行提取，可以實現(xiàn)輸電線路的真實三維重建，恢復輸電通道的沿線地表形態(tài)、地表附著物、線路桿塔三維位置和模型，進而實現(xiàn)對建筑物、植被、交叉跨越物的距離測量，實現(xiàn)線路資產(chǎn)管理，為輸電線路管理決策提供有力支撐。

無人機；激光雷達；點云技術；輸電通道

當前，在無人機電力巡檢中，多搭載紅外線攝像儀、數(shù)碼攝像機、照相機、高分辨率望遠鏡、可見光錄像機等設備，在飛行的同時，可對途經(jīng)線路進行觀測，獲取線路走廊可見光和紅外的錄像、影像等資料。此種作業(yè)方式最大的優(yōu)點是數(shù)據(jù)采集成本較低；但隨著這些技術不斷投入使用，其缺點是這些技術的空間定位精度均不高，更重要的是，通過航空影像數(shù)據(jù)很難精確判斷線路走廊地物（比如樹木等）到線路的距離，而距離不足引發(fā)的線路閃絡最終導致線路跳閘是許多線路安全事故的初始誘發(fā)因素。隨著無人機機載激光雷達技術的發(fā)展及成本的降低，它可以很好地解決空間定位和量測精度等問題，將無人機機載激光雷達技術應用到電力巡線中具有較好的應用前景。

1 國內(nèi)外研究概況

在全國范圍內(nèi)，雖然無人機機載激光雷達在災害性普查和故障點巡查中運用較多，但將無人機機載雷達技術運用到電力生產(chǎn)中，能使其代替直升機完成整線路精細化作業(yè)的應用較少。因此，應將無人機機載激光雷達應用于電力巡檢作業(yè)，實現(xiàn)輸電線路精細化巡檢作業(yè)，對故障和缺陷進行更加準確的判斷和定性，使其成為直升機巡檢的有效輔助手段，實現(xiàn)多維度的立體巡檢，從而引領我國電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢。目前，國內(nèi)相關研究的多是針對基于鐵塔的多層次電力線，而本文研究的輸電線路高度較低，電力線周圍內(nèi)有同高的植被點，這會給輸電線路能道的提取造成困難。本文提出了一種基于激光雷達點云數(shù)據(jù)的輸電通道特征物提取方法，通過在無人機上搭載激光雷達設備及高分辨相機，可以直接采集線路走廊高精度三維激光點云和高分辨率數(shù)碼影像，進而獲得高精度三維線路走廊地形、地貌、地物和線路設施設備空間信息，包括桿塔、掛線點位置、導線弧垂等。該方法能夠自動提取電力線點，并對電力線點進行曲線擬合，形成連續(xù)、完整的電力線路走廊?？蓪崿F(xiàn)的功能包括以下4個：①可以精確、快速地測量線路走廊地物（特別是樹木、房屋、交叉跨越）到導線的距離是否滿足安全運行要求；②高分辨率數(shù)碼影像可以供巡檢人員判讀輸電線路和走廊安全隱患、異常；③利用機載激光雷達測量技術對線路走廊進行數(shù)據(jù)采集和三維建模，巡檢人員可以對造成線路安全問題的隱患和異常進行分析，精確確定線樹距離，進而確定如何進行砍伐和障礙清除；④利用三維建模圖，恢復電力線沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等），線路桿塔三維位置和模型等，并將線路的屬性參數(shù)錄入實現(xiàn)線路資產(chǎn)管理。

2 無人機激光雷達點云數(shù)據(jù)技術

2.1 工作原理

電力巡檢無人機通過激光雷達系統(tǒng)巡線采集、處理電力沿線的激光點云，可以實現(xiàn)電力線路的真實三維重建，恢復電力線的沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等）、線路桿塔三維位置和模型等。此方案可以為輸電線路監(jiān)護人員提供數(shù)據(jù)基礎，了解輸電線路設備設施的結構信息，發(fā)現(xiàn)其中的異常和隱患，以及線路走廊中被跨越物對線路的威脅。該方案收集的線路屬性參數(shù)還可以實現(xiàn)線路資產(chǎn)管理，與智能電網(wǎng)方案結合效果更好。

2.2 機載激光雷達

機載激光雷達掃描技術起源于20世紀90年代后期，它將GPS定位與激光測距相結合，可高效、快速獲取地面物體的高精度三維坐標點。與傳統(tǒng)的攝影測量技術相比，其量測精度更高，地物坐標獲取更加直接，現(xiàn)已被廣泛應用于測繪生產(chǎn)。機載激光雷達掃描儀通過對地面進行掃描，獲取反射回來的激光點數(shù)據(jù)，在三維空間中呈不規(guī)則分布的密集點集，在三維空間的分布形態(tài)呈現(xiàn)隨機離散的數(shù)據(jù)點“點云”（Points Cloud）。激光雷達測量數(shù)據(jù)不僅包含目標點的X，Y，Z坐標信息，還包括物體反射強度等信息?，F(xiàn)階段，比較通用的數(shù)據(jù)格式為ASCII碼純文本和LAS格式，這兩種格式可以相互轉(zhuǎn)化。在這些激光點中，有些點位于真實地形表面，有些點位于人工建筑物（房屋、塔、輸電線等）或自然植被（樹、灌木、草）。通常情況下，從激光點云數(shù)據(jù)中去除掉地物回波點，提取數(shù)字高程模型（DEM）稱為激光數(shù)據(jù)的濾波。而從激光數(shù)據(jù)點云中區(qū)分不同地物，比如植被、房屋、道路等，則稱為激光數(shù)據(jù)的分類，某些時段濾波和分類是同時進行的。

2.3 地物點云分類

輸電線路通道是電網(wǎng)的最主要部分，通道內(nèi)地形、地貌、地物（植被、建筑等）、電塔、掛線點位置等是電網(wǎng)建設和管理極為關注的對象。但一次飛行任務獲取的原始點云包括了輸電線走廊內(nèi)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，即濾波分類。濾波即將原始點分為地面點和非地面點，地面激光點經(jīng)過插值或構網(wǎng)可得到走廊的數(shù)字地形模型（DEM），而非地面點可經(jīng)過進一步處理提取各類地物點。

2.4 激光雷達數(shù)據(jù)的濾波

從激光數(shù)據(jù)點云中提取數(shù)字表面高程模型（DTM/DEM），需要將其中的地物數(shù)據(jù)腳點去掉，這就是所謂的“激光雷達數(shù)據(jù)的濾波”。

如果要進行地物提取和建筑物的三維重建，就需要對激光腳點數(shù)據(jù)點云進行分類（分割），區(qū)分植被數(shù)據(jù)點和人工地物點，以提取數(shù)據(jù)點云系列，這就是所謂的“激光雷達數(shù)據(jù)分類”。針對電力線點的提取工作，也是先通過濾波分離地面點與地物點，然后使用分類方法分離植被點與電力線點。濾波和分類是機載激光雷達數(shù)據(jù)處理的關鍵。一般而言，激光點云數(shù)據(jù)濾波的處理時間大約占全部時間的60%～80%，濾波算法的質(zhì)量直接決定著DEM的質(zhì)量。目前，已經(jīng)有不少國內(nèi)外學者研究了激光點云數(shù)據(jù)的濾波和分類方法。

2.5 三維模型的建立

輸電線路走通道三維重建，即輸電線路本體建模是輸電線路安全分析的基礎。實時三維電力巡線地理信息系統(tǒng)的建立為線路的安全運行提供了決策支持。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)制作中，需要對采集的遙感數(shù)據(jù)進行處理和分析。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)每隔一段時間需要重新采集和更新，所以，必須實時三維重建出電力線通道地表模型及地物模型，包括DEM、電力線、電力塔及周圍的植被等。該系統(tǒng)中應集成輸電線路通道影像、電力線三維拓撲數(shù)據(jù)、輸電線路通道中植被類型數(shù)據(jù)等，比如電力線安全緩沖區(qū)分析、電力線在最大弧垂下與地面的最小距離、電力線在最大弧垂或風偏情況下與周圍樹木之間的距離等。目前，除了DEM等可自動重建外，通道內(nèi)的很多地物主要還是依賴人工勾繪和第三方軟件，比如AutoCAD、3DMax等。

2.6 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系，結合桿塔上安裝的溫度、濕度、風速等監(jiān)控設備傳回的數(shù)據(jù)，即可在三維數(shù)字化電網(wǎng)基礎上進行各種電力作業(yè)分析，比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。

3 實現(xiàn)的主要功能和應用效果

3.1 實現(xiàn)的功能

3.1.1 實現(xiàn)距離測量

為輸電線路監(jiān)護人員提供了數(shù)據(jù)基礎，發(fā)現(xiàn)了輸電線路設施設備異常和隱患，以及線路走廊中被跨越物對線路的威脅。利用機載激光雷達測量系統(tǒng)獲取的高精度點云可以檢測建筑物、植被、交叉跨越等對線路的距離是否符合運行規(guī)范。

3.1.2 線路資產(chǎn)管理

通過巡線采集的點云和高清影像數(shù)據(jù)，處理成標準的DOM、DEM，結合分類后的點云可以實現(xiàn)電力線路的三維建模，恢復電力線沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等）、線路桿塔三維位置和模型等，并將線路的屬性參數(shù)錄入實現(xiàn)線路資產(chǎn)管理。

3.2 應用效果

利用無人機激光雷達技術進行電力巡線是一項先進的技術手段。采用該項技術進行電力巡線，不僅在工作效率上可以大幅度提高，也能大大減少野外工作，降低巡線成本。傳統(tǒng)的巡線工作中，100 km線路需要20個巡線人員工作1 d才能完成，而利用無人機進行巡視，需要4個架次共計2人1 d就能完成，大大提高了巡視效率，且不受地理環(huán)境的限制。無人機激光雷達技術通過對電力走廊上電線塔、電力線、周圍植被等地物的點云數(shù)據(jù)采集、處理，可以實現(xiàn)電線桿塔、電力線的真實三維重建，實現(xiàn)植被與電力線的精確量測，發(fā)現(xiàn)線路存在的安全隱患，為管理者的決策提供了真實、有效的數(shù)據(jù)支持，避免了線路事故停電，挽回了高額的停電費用損失。

4 結束語

綜上分析，無人機激光雷達技術數(shù)據(jù)精度高，無論地形、樹高、桿塔模型、電線弧垂及交叉跨越，都可以最大限度實現(xiàn)電網(wǎng)在電腦中的數(shù)字化再現(xiàn)。不僅能夠獲取線路缺陷，且能對缺陷的位置進行準確的空間定位，確定線路與走廊地物的空間關系，傳統(tǒng)影像信息無法獲得這類信息；可以檢測線路間、線路與地面、線路與鄰近植被的距離，確定建筑物、植被、交叉跨越等對線路的距離是否符合運行規(guī)范，并進行輸電線路磁場干擾分析和安全范圍等分析；配置符合運行規(guī)程的檢測參數(shù)，全自動進行危險地物（特別是樹木、交叉跨越）檢查、報警，并輸出檢測結果表，為沿線的植被管理、植被生長預測、制訂植被砍伐計劃提供依據(jù)；結合在桿塔上安裝的溫度、濕度、風速、覆冰下弧垂變化等監(jiān)控設備傳回的數(shù)據(jù)，可以在三維數(shù)字化電網(wǎng)基礎上進行各種電力分析，為輸電線路管理決策提供有力支撐。

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〔編輯：張思楠〕

TU198

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.158

2095－6835（2017）19－0158－03

吳永利（1987—），男，主要從事輸電線路運行與檢修、電網(wǎng)智能巡檢方面的研究工作。