無人機(jī)載激光測量系統(tǒng)在電力上的應(yīng)用

彭勁松，許 俊，李 娟

(1. 湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005； 2. 武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430023)

電力系統(tǒng)的完善建設(shè)為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要一環(huán)。目前中國的輸電網(wǎng)規(guī)模越來越大，設(shè)備越來越多，且大多數(shù)位于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、遠(yuǎn)離交通干線、人煙稀少的高山大嶺地區(qū)，為保障輸電線路安全穩(wěn)定的運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路的缺陷和隱患，電力部門需要定期對電力系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)測檢測。傳統(tǒng)人工巡檢的模式存在工作強(qiáng)度大、工作效率低、工作環(huán)境惡劣等問題，并且最終的巡檢結(jié)果難以達(dá)到現(xiàn)階段輸電線路運(yùn)維方面對缺陷及隱患的精準(zhǔn)檢測。本文以西昌500KV欖普二線一段線路為例詳細(xì)論述基于海達(dá)數(shù)云ARS-100機(jī)載激光移動(dòng)測量系統(tǒng)在電力選線上的應(yīng)用。

1 ARS-100機(jī)載激光測量系統(tǒng)

ARS-100為由武漢海達(dá)數(shù)云技術(shù)有限公司研發(fā)、生產(chǎn)的機(jī)載激光測量系統(tǒng)，主要包括激光器、MEMS慣導(dǎo)、GPS、同步控制器、板卡計(jì)算機(jī)及配套的激光點(diǎn)云處理軟件等構(gòu)成。主要有以下特點(diǎn)：

(1) 全視角掃描測量、速度快、精度高。

(2) 主動(dòng)測量方式。與光學(xué)遙感相比，機(jī)載激光技術(shù)不限于單一光照，不受陰影與太陽高度角的影響，在傳統(tǒng)攝影測量無法進(jìn)行的山區(qū)與植被等陰影地區(qū)，不會影響測量數(shù)據(jù)的精度。

(3) 同步獲取點(diǎn)云和高分辨率影像。ARS-100機(jī)載激光測量系統(tǒng)集成了2010萬像素的高清數(shù)碼相機(jī)。獲取的照片可應(yīng)用于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的附色和三維模型的紋理貼圖。

(4) 外業(yè)操作簡單、智能化程度高。ARS-100設(shè)備上具有wifi模塊，可進(jìn)行遠(yuǎn)程連接操控。操控界面包含系統(tǒng)各個(gè)部件的狀態(tài)，調(diào)節(jié)參數(shù)簡單。

(5) 功能齊全的專業(yè)后處理軟件。

2 技術(shù)路線

2.1 制定飛行計(jì)劃

飛行之前，進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，確定航高、航速、激光器掃描頻率、相機(jī)的分辨率等參數(shù)。

2.2 地面GPS基站

在航攝過程中，可有一臺或多臺地面GPS接收機(jī)在已知點(diǎn)上工作，基站數(shù)據(jù)用于后差分解算，為飛機(jī)提供精確的GPS航跡信息。

2.3 激光掃描

激光回波測距的原理為由激光器發(fā)射激光并接收回波，由計(jì)時(shí)器記錄發(fā)射激光和接收激光的時(shí)間點(diǎn)，由于光速恒定已知，通過公式即可得到測距距離。激光的傳播時(shí)間可轉(zhuǎn)換為激光器對距離的測量。結(jié)合激光器的高度和激光掃描的角度，從GPS定位模塊獲得激光器的位置，從慣導(dǎo)定姿模塊獲得激光發(fā)射方向和角度，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的坐標(biāo)X、Y、Z。

2.4 數(shù)據(jù)存儲

相機(jī)在無人機(jī)勻速飛行時(shí)，進(jìn)行等時(shí)間間隔曝光，影像被壓縮存儲在可移動(dòng)存儲介質(zhì)上，激光數(shù)據(jù)和定位定姿數(shù)據(jù)也被保存在硬盤中。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)在電力巡線上的應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)在已建電網(wǎng)中的應(yīng)用，包括電力巡線(危險(xiǎn)點(diǎn)、線路交跨)、線路資產(chǎn)管理及電力專業(yè)分析3部分。

3.1 電力巡線與風(fēng)險(xiǎn)排查

海達(dá)數(shù)云ARS-100無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為輸電線路監(jiān)護(hù)人員提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)施設(shè)備異常和隱患、線路走廊中被跨越物對線路的威脅。利用機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取的高精度點(diǎn)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(yùn)行規(guī)范。三維點(diǎn)云測量分析如圖1所示。

圖1 三維點(diǎn)云測量分析

3.2 線路資產(chǎn)管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

利用激光點(diǎn)云對電力走廊范圍的地物建立三維模型，與地形景觀共同組成電力線路資產(chǎn)管理平臺。根據(jù)已知的電力資產(chǎn)信息建立資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫，增加三維模型的拓?fù)潢P(guān)系和詳細(xì)的資產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)電力資產(chǎn)的三維可視化管理，如圖2所示。根據(jù)電塔上的監(jiān)控設(shè)備傳回?cái)?shù)據(jù)，在三維數(shù)字化電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種專業(yè)電力分析，如預(yù)測模擬不同溫度、風(fēng)速、覆蓋條件下的弧垂發(fā)化情況，模擬樹木生長情況，為線路管理決策提供有力支撐。

圖2 電力線通道可視化

通過巡線采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理成標(biāo)準(zhǔn)的DEM，結(jié)合分類后的點(diǎn)云可以實(shí)現(xiàn)電力線路的三維數(shù)字化，恢復(fù)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，成為實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理的重要依據(jù)。

利用建模軟件，可將獲取的電塔、電線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化、模型化，同時(shí)能1∶1地還原電力設(shè)施本身的面貌，如圖3所示。

圖3

3.3 電力專業(yè)分析

不管是基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)后進(jìn)行數(shù)字化移交簡稱的三維數(shù)字化電網(wǎng)，還是通過巡線手段建立的三維數(shù)字化電網(wǎng)，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高，場景還原度高，無論地形、樹木、塔桿模型、電線弧垂及線路交叉跨越等，都是最大限度的數(shù)字化再現(xiàn)。

電力數(shù)據(jù)處理流程分為點(diǎn)云處理、巡檢報(bào)告的生成兩大塊。

3.3.1 電力分檔

將獲取的欖普二線3基塔數(shù)據(jù)分為二檔數(shù)據(jù)，并對每一檔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢測。在電力平臺軟件中閾值設(shè)置為10 m時(shí)，識別出樹線矛盾如圖4所示。

圖4 10 m閾值整體與局部示意圖

3.3.2 電力報(bào)告

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類和電力線的自動(dòng)擬合技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電力線的快速生成。同時(shí)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，區(qū)分出地面與地表，從而可以準(zhǔn)確計(jì)算電力線距離地面和地表的距離。危險(xiǎn)分析為基于已經(jīng)生成的擬合導(dǎo)線和分類的點(diǎn)云對導(dǎo)線進(jìn)行對地安全距離分析。最后輸出實(shí)時(shí)工況三跨及樹障危險(xiǎn)點(diǎn)分析報(bào)告，危險(xiǎn)點(diǎn)分析報(bào)告見表1。樹障危險(xiǎn)分析報(bào)告主要內(nèi)容分為4部分，由巡檢概況、巡檢平面圖、缺陷點(diǎn)明細(xì)表與缺陷點(diǎn)平斷面圖構(gòu)成。

4 結(jié) 語

利用機(jī)載激光測量技術(shù)不僅能夠自動(dòng)、快速、非接觸地獲取電力線、電塔及地形表面海量的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而且通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的電力危險(xiǎn)點(diǎn)報(bào)告的生成與高仿真模型的構(gòu)建，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以滿足電力各種工程的應(yīng)用。與此同時(shí)機(jī)載激光測量技術(shù)現(xiàn)在仍處于一個(gè)不斷發(fā)展、完善、更新的階段。隨著機(jī)載激光測量系統(tǒng)硬件及軟件功能的提升必將使其在電力上的應(yīng)用更加深入，使電力巡檢更加智能、高效，這也是機(jī)載激光測量技術(shù)未來發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。

表1 危險(xiǎn)點(diǎn)分析報(bào)告

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