試析大型無(wú)人機(jī)電力巡檢LiDAR點(diǎn)云安全距離診斷方法

熊勇良 羅志勇 羅澤雄

摘 要將大型無(wú)人機(jī)當(dāng)成是激光雷達(dá)的承載平臺(tái)，能夠加強(qiáng)線(xiàn)路LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取分析，為線(xiàn)路安全檢測(cè)提供依據(jù)?；诖?，本文結(jié)合電力巡檢LiDAR點(diǎn)云安全距離診斷內(nèi)容，對(duì)基于大型無(wú)人機(jī)的線(xiàn)路LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和分類(lèi)提取問(wèn)題進(jìn)行了探討，提出了相應(yīng)的安全距離診斷方法，為關(guān)注這一話(huà)題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞大型無(wú)人機(jī);電力巡檢;LiDAR點(diǎn)云;安全距離診斷

0 引言

伴隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展，采用人工巡檢方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足電力工作的高效開(kāi)展需求。而大型無(wú)人機(jī)可以用于搭載激光雷達(dá)測(cè)量設(shè)備，高效完成線(xiàn)路點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。用于對(duì)線(xiàn)路安全距離開(kāi)展診斷，能夠及時(shí)完成安全隱患排查，在節(jié)約人力、物力和時(shí)間成本的同時(shí)，滿(mǎn)足線(xiàn)路安全管理要求。因此還應(yīng)加強(qiáng)大型無(wú)人機(jī)電力巡檢LiDAR點(diǎn)云安全距離診斷方法研究，以便為巡檢工作的高效開(kāi)展提供支撐。

1 電力巡檢LiDAR點(diǎn)云安全距離診斷

在電力巡檢中，需要完成線(xiàn)路安全距離診斷。具體來(lái)講，就是對(duì)電力線(xiàn)與周?chē)鷺?gòu)筑物、植被、河流等其他走廊地物間距進(jìn)行計(jì)算，確定是否有地物處于危險(xiǎn)范圍。針對(duì)判定的危險(xiǎn)隱患，需要結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)提交危險(xiǎn)點(diǎn)報(bào)告，確保巡檢人員能夠及時(shí)完成地物清理，保證線(xiàn)路運(yùn)行安全?，F(xiàn)階段，在電力巡檢中將采用激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得電力線(xiàn)的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理完成電力線(xiàn)建模，用于區(qū)分電力線(xiàn)類(lèi)別。在空間中，電力線(xiàn)屬于離散點(diǎn)，需要將點(diǎn)云生成矢量電力線(xiàn)，保存在矢量圖層中。電力線(xiàn)的安全距離與線(xiàn)路電壓等級(jí)和地物類(lèi)型有關(guān)，如在220kV輸電線(xiàn)路安全規(guī)范中，與樹(shù)木應(yīng)保持4.5m垂直距離，與建筑物則要保持6m垂直距離，與公路需要保持8m垂直距離。根據(jù)電力線(xiàn)走廊中導(dǎo)線(xiàn)與地物的安全距離標(biāo)準(zhǔn)，能夠通過(guò)分析矢量圖層完成危險(xiǎn)距離診斷。

2 大型無(wú)人機(jī)電力巡檢LiDAR點(diǎn)云安全距離診斷方法

2.1 線(xiàn)路數(shù)據(jù)獲取

采用大型無(wú)人機(jī)進(jìn)行電力巡檢，按照架空輸電線(xiàn)路運(yùn)行規(guī)程管理要求，導(dǎo)線(xiàn)邊線(xiàn)向外側(cè)水平延伸的一定范圍與地面垂直形成的兩平行面內(nèi)都屬于保護(hù)區(qū)。結(jié)合線(xiàn)路電壓等級(jí)，可以確定保護(hù)區(qū)范圍，然后兩側(cè)各加50-100m寬作為巡檢范圍。66-110kV外邊線(xiàn)距為10m，電壓等級(jí)越高線(xiàn)距越大，750kV線(xiàn)路外邊線(xiàn)距為25m，所以無(wú)人機(jī)巡檢寬度在100-200m范圍內(nèi)[1]。無(wú)人機(jī)掃描帶寬與飛行高通常為0.8：1，在飛行高度達(dá)到100m的情況下，可以對(duì)80m寬范圍進(jìn)行覆蓋。結(jié)合地形高度和激光點(diǎn)云密度，能夠?qū)o(wú)人機(jī)飛行速度、高度等進(jìn)行確認(rèn)。結(jié)合影像拍攝的重疊度要求，可以提前完成拍攝時(shí)間間隔設(shè)定。

實(shí)際在對(duì)電力線(xiàn)路進(jìn)行掃描檢測(cè)時(shí)，如果采用常規(guī)方式僅能獲取桿塔信息。為獲得地物和桿塔導(dǎo)線(xiàn)空間信息，需要采用橢圓掃描方式，對(duì)側(cè)面輪廓與信息進(jìn)行采集，為后續(xù)矢量模型建立提供數(shù)據(jù)支撐。實(shí)際在外業(yè)數(shù)據(jù)采集期間，為滿(mǎn)足電力巡檢的高精度數(shù)據(jù)采集需求，需要在大型無(wú)人機(jī)底部完成激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝，促使其以10～15m/s相對(duì)飛行高度飛行，通過(guò)自動(dòng)化巡檢完成線(xiàn)路通道數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)利用GPS對(duì)信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)的空間位置進(jìn)行確認(rèn)，利用INS完成姿態(tài)參數(shù)測(cè)定，利用激光測(cè)距確定參考點(diǎn)到激光腳點(diǎn)的距離。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)

在LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取方面，還要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到LAS文件，然后利用TerraScan軟件完成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)植被、桿塔等不同地物數(shù)據(jù)的分類(lèi)提取，用于建立矢量模型和完成線(xiàn)路安全距離診斷。在實(shí)際操作中，需要將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Waypoint Inertial Explorer軟件中，通過(guò)處理慣性測(cè)量元件數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)得到OUT格式的航跡文件。與RXP格式激光測(cè)距文件結(jié)合，能夠生成LAS格式激光點(diǎn)云文件。

文件中包含桿塔、植被等各種地物數(shù)據(jù)，同時(shí)也包含灰塵、水汽等外界因素帶來(lái)的噪點(diǎn)，還要通過(guò)去噪處理得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)參數(shù)。由于噪點(diǎn)屬于孤立點(diǎn)，相較于周?chē)c(diǎn)存在高程突變。在對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行濾除時(shí)，需要選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)中高程最低的點(diǎn)作為低點(diǎn)，考慮到這些點(diǎn)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，還要作為初始計(jì)算點(diǎn)完成不規(guī)則三角網(wǎng)模型建立。采用迭代方法在模型中完成新點(diǎn)添加，能夠完成新模型構(gòu)建。多次迭代后，得到的模型將會(huì)接近地面真實(shí)地物分布情況。如在構(gòu)筑物尺寸為60m的情況下，可以認(rèn)為60×60m范圍內(nèi)存在落在地面的最低點(diǎn)。在三角面上，存在目標(biāo)點(diǎn)的投影點(diǎn)，與最接近目標(biāo)點(diǎn)的三角面頂點(diǎn)連線(xiàn)構(gòu)成的角度最大。將三角形較大時(shí)迭代不發(fā)生大幅度跳躍當(dāng)成是條件，可以完成迭代距離的設(shè)置。將地面模型當(dāng)成是基礎(chǔ)，能夠完成地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)。

2.3 矢量模型分析

完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)后，需要對(duì)各種走廊地物到導(dǎo)線(xiàn)距離進(jìn)行量測(cè)，為安全距離診斷提供數(shù)據(jù)支撐。結(jié)合這一目標(biāo)，需要對(duì)導(dǎo)線(xiàn)垂弧坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確提取，完成矢量擬合，為導(dǎo)線(xiàn)到地物的距離分析提供便利。在三維空間中，位于桿塔之間的導(dǎo)線(xiàn)屬于曲線(xiàn)，擁有曲率，不能單純根據(jù)桿塔間距確認(rèn)。在線(xiàn)路分布不均的情況下，采用分段質(zhì)心擬合方法能夠輕松完成點(diǎn)云矢量擬合，但存在段間不平滑問(wèn)題，容易造成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的直線(xiàn)部分缺失[2]。針對(duì)這一問(wèn)題，還要采用連續(xù)光滑的懸鏈線(xiàn)完成導(dǎo)線(xiàn)擬合，精確反映導(dǎo)線(xiàn)弧垂，避免點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失。采用懸鏈線(xiàn)模型，需要利用模型定義方程對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行求解，如式（1），用于實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)矢量重建。

采用上述方法，需要利用區(qū)域生長(zhǎng)法對(duì)電力線(xiàn)路點(diǎn)進(jìn)行分隔，然后利用Levenberg-Marquardt實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算和擬合，經(jīng)過(guò)2-3次循環(huán)迭代分析能夠使算法得到收斂。

2.4 安全距離診斷

根據(jù)得到的擬合曲線(xiàn)，可以完成導(dǎo)線(xiàn)與地物距離測(cè)算。具體來(lái)講，就是通過(guò)分段剖面運(yùn)算對(duì)曲線(xiàn)矢量數(shù)據(jù)和地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將計(jì)算得到的距離與標(biāo)準(zhǔn)安全距離比較。發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)與地物的距離不符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求，將設(shè)定為危險(xiǎn)點(diǎn)，發(fā)出預(yù)警的同時(shí)，提交坐標(biāo)、危險(xiǎn)等級(jí)等信息。以某220kV線(xiàn)路巡檢為例采用Z5大型無(wú)人機(jī)搭載機(jī)載雷達(dá)進(jìn)行線(xiàn)路走廊LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。在完成線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)矢量擬合的基礎(chǔ)上，按照高程完成線(xiàn)路數(shù)據(jù)分割，可以得到條帶狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中包含多個(gè)線(xiàn)路點(diǎn)云子集。與原始點(diǎn)云相比，對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)不相關(guān)的走廊地物進(jìn)行了剔除，并且能夠使地面點(diǎn)得到濾除，促使地物空間分布得到較好反映。如圖1所示，結(jié)合地物空間幾何分布特征，完成了植被、導(dǎo)線(xiàn)和桿塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)分離。由于線(xiàn)路所在區(qū)域處于山區(qū)，因此不存在鐵路、建筑物等地物。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，線(xiàn)路的兩個(gè)桿塔間存在四個(gè)安全隱患點(diǎn)，還要進(jìn)一步與安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，為人員開(kāi)展工作提供依據(jù)。

考慮到桿塔點(diǎn)云密度較大，相鄰桿塔點(diǎn)云密度將減小，可以完成桿塔分割，能夠得到多段數(shù)據(jù)。對(duì)垂直線(xiàn)路走向的剖面進(jìn)行測(cè)算，能夠得到導(dǎo)線(xiàn)與地物的垂直距離、水平距離和凈空距離[3]。采用相同方法，也能完成相鄰桿塔剖面區(qū)段安全距離檢測(cè)，確定周?chē)匚锱c線(xiàn)路區(qū)段的安全距離。如表1所示，為提取得到的四個(gè)安全隱患點(diǎn)的安全距離診斷結(jié)果。通過(guò)人工方式對(duì)樹(shù)障點(diǎn)進(jìn)行查找，然后對(duì)實(shí)際距離值進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，利用采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算得到的安全距離診斷結(jié)果與人工測(cè)量值誤差最大為0.14m，結(jié)果的一致性能夠達(dá)到96.5%，最終可以判定確實(shí)存在安全隱患，能夠達(dá)到巡檢目標(biāo)。

3 結(jié)論

綜上所述，應(yīng)用大型無(wú)人機(jī)開(kāi)展電力巡檢工作，可以利用采集到的空間閾機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)完成線(xiàn)路快速提取，得到精準(zhǔn)矢量模型開(kāi)展安全距離診斷工作。結(jié)合診斷結(jié)果對(duì)超限地物發(fā)出預(yù)警，能夠幫助巡檢人員掌握線(xiàn)路安全狀況，及時(shí)完成線(xiàn)路安全隱患排查，繼而為線(xiàn)路穩(wěn)定運(yùn)行提供有效保障。

參考文獻(xiàn)

[1]李嘯嘯，范寶偉.機(jī)載LiDAR點(diǎn)云電力線(xiàn)數(shù)據(jù)處理及安全檢測(cè)[J].測(cè)繪地理信息，2020，45（01）：110-113.

[2]侯國(guó)瑞.激光LiDAR點(diǎn)云在電力巡線(xiàn)中的應(yīng)用[J].經(jīng)緯天地，2019（04）：19-22.