一種基于激光雷達的輸電線路通道樹障檢測方法研究

曾雅君 姚文燦 王亮

摘要：我國輸電線路分布具有地形復(fù)雜、點多、面廣的特征，傳統(tǒng)的手持激光測距儀進行樹障距離測量的方法已不能滿足當前輸電線路巡檢的需求，為此介紹了一種基于激光雷達的輸電線路通道樹障檢測方法，可高效、準確地檢測到輸電線路的樹障情況，值得大力推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：輸電線路;激光雷達;樹障

0 引言

架空輸電線路由導(dǎo)線、避雷線、桿塔、相應(yīng)附件及附屬設(shè)施等組成。運行中的輸電線路會因通道內(nèi)有植被、違章建筑等而威脅線路的安全運行，尤其是在灌木生長茂盛的山林中，輸電線路存在的安全隱患更為突出。我國高壓架空輸電線路總長度超過了115萬km，其中跨越復(fù)雜植被的輸電線路長度達到了51.4萬km。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，在輸電線路安全隱患成因中，樹障占比50%～60%，違章施工及建筑物占比10%～15%，鳥害占比10%～15%，山火占比6%～8%，漂浮物占比7%～10%。由此可見，樹障是造成輸電線路安全隱患的最主要原因。

傳統(tǒng)手持激光測距儀進行樹障距離測量的方法，因?qū)Ь€細小難以瞄準、樹冠遮擋無法獲取樹障最高點等，無法有效測量線樹距離，測量結(jié)果不準確。同時，在很多地形復(fù)雜、樹木叢生的地方，測量人員難以到達，影響線樹距離的測量準確性，采用傳統(tǒng)的樹障距離測量方法效率極低。

隨著無人機在電網(wǎng)輸電線路巡檢領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及激光雷達技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機搭載激光雷達系統(tǒng)進行樹障檢測成為輸電線路巡線的新手段。

1 基本原理

輸電線路巡視人員采用帶有RTK模塊的無人機搭載激光雷達對線樹進行掃描，激光掃描測距雷達通過測量無人機與樹頂端的距離及角度、無人機與導(dǎo)線的距離及角度，利用三角函數(shù)關(guān)系計算線樹距離，并自動將距離與不同等級電壓的安全距離標準進行比較，在線樹距離小于安全距離的區(qū)域進行樹障危險預(yù)警。

1.1 ? ?激光雷達測距原理

脈沖方法激光測距是在激光雷達發(fā)射激光束后，一部分激光被反射回障礙物，并被激光雷達的接收器接收。同時，雷達可以記錄激光發(fā)射到接收器接收之間的時間間隔，并可以根據(jù)光速計算要測量的距離。

由激光發(fā)射器發(fā)射出的激光脈沖入射到物體表面引起散射，其中一部分光波會經(jīng)過反射返回到激光雷達的接收器中，它將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栍涗浵聛?，激光雷達組成如圖1所示。同時，由所配備的計時器記錄同一個激光脈沖信號由發(fā)射到被接收的時間間隔。由于光速是已知的，傳播時間間隔即可被轉(zhuǎn)換為測量的距離。激光測距計算公式如下：

式中：r為激光發(fā)射器到反射點之間的幾何距離;c為光速;t為激光脈沖由發(fā)射到被接收的時間間隔。

1.2 ? ?三角函數(shù)計算線樹距離原理

無人機搭載激光雷達可以獲得高壓線與樹木的距離。抽象測距模型如圖2所示，將無人機、導(dǎo)線、樹頂?shù)奈恢每闯梢粋€三角形的3個頂點，分別為A、B、C。通過激光測距原理可獲得無人機到導(dǎo)線、無人機到樹頂?shù)木嚯x分別為b、c，激光以0°～360°的角度不斷進行掃描，可以得出AC與AB之間的夾角。根據(jù)三角函數(shù)公式a2=b2+c2-2bccos A，即可求出線樹距離a。

無人機搭載激光雷達靠近導(dǎo)線，360°旋轉(zhuǎn)激光測距掃描儀掃描豎直二維截面，實時測算該截面內(nèi)最小線樹距離。無人機沿導(dǎo)線飛行，測量多個連續(xù)二維截面的數(shù)據(jù)，即可測得目標區(qū)域線樹距離，并自動計算最小線樹距離。將最小線樹距離與不同電壓等級的線樹距離標準進行對比，當檢測到的線樹距離小于標準距離，則判定為存在樹障隱患，如圖3所示。

2 實際應(yīng)用

無人機搭載激光測距雷達，可實時掃描無人機到下導(dǎo)線的距離，實時計算并顯示樹障距離，并快速出具樹障隱患報告。樹障檢測具體實施步驟：起飛前檢查→設(shè)定參數(shù)→自動巡航→自動返航→現(xiàn)場產(chǎn)生報告?；诩す饫走_的輸電線路通道樹障檢測方法實際運用到某500 kV輸電線路的巡檢效果如圖4所示，報告如圖5所示。

3 結(jié)語

大部分輸電線路所處環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的手持激光測距儀進行樹障距離測量的方法已不能滿足需求，為此，本文介紹了一種基于激光雷達的輸電線路通道樹障檢測方法，將其運用于某500 kV輸電線路巡檢中，結(jié)果表明該方法可高效、準確地檢測到輸電線路的樹障情況，值得大力推廣應(yīng)用。

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收稿日期：2020-09-04

作者簡介：曾雅君（1987—），男，湖南婁底人，助理工程師，研究方向：無人機搭載激光雷達對輸電線路巡檢的數(shù)據(jù)處理。