無人機激光雷達技術在輸電線路通道的應用

徐海

摘要：目前，無人機裝備有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、可見光錄像機等動力巡檢設備。在飛行過程中，他們可以觀察通過路線，獲得線路走廊的可見光、紅外視頻和圖像數(shù)據(jù)。該方法最大的優(yōu)點是數(shù)據(jù)采集成本低。但隨著技術的不斷投入使用，其缺點是這些技術的空間定位精度不高，而且，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)展和成本的降低，可以解決空問定位和測量精度的問題，因此將無人機機載激光雷達技術應用于電力線巡邏具有良好的應用前景。

關鍵詞：無人機激光雷達技術;輸電線路;通道應用

一、前言

隨著無人機技術的不斷發(fā)展，更多的新技術被應用于輸電線路通道之中，通過將無人機激光雷達應用與輸電線路通道之中并對輸電線路通道進行巡檢，運用點云數(shù)據(jù)技術對輸電線路通道中的物質進行提取，之后通過真實三維技術，來重建輸電線路，這樣一來，能夠實現(xiàn)輸電線路通道的形態(tài)、位置、模型、地表附著物等進行恢復，從而能夠更加準確地測量建筑物、跨越物、植物等之間的距離，通過將無人機激光雷達技術應用于輸電線路通道，能夠在實現(xiàn)線路資產(chǎn)管理的同時提供了決策支持。

二、無人機激光雷達技術在輸電線路通道功能

（一）線路資產(chǎn)管理

將無人機在進行巡查過程中采集到的影像數(shù)據(jù)以及點云進行處理，之后通過運用三維技術對電力線路進行建模。能夠恢復輸電線路的地表形態(tài)、地面構成以及線路塔的具體位置等等，這樣一來能夠通過依靠這些參數(shù)實現(xiàn)線路資產(chǎn)的有效管理。

（二）距離測量

通過將無人機激光雷達技術應用于輸電線路通道，能夠為線路工作人員提供了準確的數(shù)據(jù)基礎，及時的發(fā)現(xiàn)工作過程中設備的異常并進行管理。與此同時，還在很大程度上減少了線路運輸過程中跨越物對線路產(chǎn)生的威脅，通過充分的運用無人機激光雷達技術能夠及時的檢測障礙物與輸電線路之間的距離是否在安全距離內。

三、無人機激光雷達技術在輸電線路通道的應用

（一）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。

（二）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”（PointsCloud）。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。

（三）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。

（四）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。

（五）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。

（六）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。

參考文獻：

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