無人機機載激光雷達在輸電線路巡線中的應用

丁 華 張 輝

（1.貴州電網(wǎng)有限責任公司輸電運行檢修分公司，貴州貴陽550002；2.中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴州貴陽550081）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴大，對于經(jīng)濟發(fā)展較慢的山區(qū)，大規(guī)模的輸電線路長期暴露于雨雪、寒流、高溫高壓等環(huán)境下，給輸電線路造成了巨大損害，如金具銹蝕、導線斷股、絕緣子閃絡等。

為了保證輸電線路的安全穩(wěn)定運行，各電力巡檢系統(tǒng)都需要對輸電線路進行定期巡檢。

傳統(tǒng)輸電線路的巡檢主要依靠人工巡線，存在巡線周期長、效率低、成本高等缺點，已不能滿足大規(guī)模電網(wǎng)的巡線需求，而惡劣的環(huán)境、艱苦的條件也給人工巡檢帶來了很大的限制。

直升機的出現(xiàn)雖然給輸電線路巡檢帶來了極大的便利，但是直升機需要由專業(yè)的技術(shù)人員操作，一般電力巡檢公司均沒有直升機，可操作性不強，同時直升機巡檢需要申請空域，手續(xù)繁多，會浪費大量時間。

因此，輕便的無人機給輸電線路巡檢帶來了質(zhì)的改變，其結(jié)合激光雷達對輸電線路進行點云采集，解決了機載相機無法準確得到輸電線路通道內(nèi)地物至電力線距離的問題[1]。

1 無人機機載激光雷達系統(tǒng)

1.1 無人機系統(tǒng)

無人機是一種可自主飛行或遠程引導、不搭載人員的動力飛行器。無人機因可以搭載相機、定位系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)等硬件而廣泛應用于緊急救災、農(nóng)業(yè)、測繪等領(lǐng)域。

通常情況下，無人機系統(tǒng)除了無人機本體外，還包括飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、任務荷載設備、通信系統(tǒng)、地面監(jiān)控站。

（1）飛行控制系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的核心部位，用于控制無人機的起飛、降落等各種工作狀態(tài)。

（2）動力系統(tǒng)即發(fā)動機及相關(guān)附件設施。

（3）能源系統(tǒng)即為無人機系統(tǒng)提供電能的相關(guān)部件。

（4）任務荷載設備即根據(jù)業(yè)務需求搭載的相關(guān)軟硬件設備，如氣象設備、農(nóng)藥噴灑設備、相機等。

（5）通信系統(tǒng)即數(shù)據(jù)傳輸軟硬件。

（6）地面監(jiān)測站用于控制并調(diào)整無人機飛行的路線、高度、角度等參數(shù)[2]。

1.2 機載激光雷達

機載激光雷達包含了激光掃描儀、GPS、IMU、數(shù)碼相機等光譜成像設備。激光掃描儀可以主動獲取輸電線路通道的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS定位經(jīng)坐標的轉(zhuǎn)換獲得通道內(nèi)地物的三維坐標信息。點云數(shù)據(jù)是離散不規(guī)則的點，其格式主要有兩種，ASCII碼純文本和LAS格式。由于地物復雜多樣[3]，因此需要對點云數(shù)據(jù)進行分類處理以區(qū)別不同的地物。

機載激光雷達技術(shù)獲得的地物精度準確，操作快捷迅速，在測繪行業(yè)具有重要的作用，隨著軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，其已逐步用于地物的自動化分類。

2 輸電線路激光點云的采集及數(shù)據(jù)處理

2.1 激光點云數(shù)據(jù)采集

（1）點云數(shù)據(jù)采集的前期準備工作包括實地踏勘、航線設計等。

1）實地踏勘的目的是詳細了解測區(qū)的情況，如測區(qū)邊界、地形地貌、交通情況等。

2）航線設計遵循高效、經(jīng)濟的原則，在實地踏勘的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有地形圖并按照需求方的要求、行業(yè)規(guī)范及實地具體天氣情況，制定詳細的航飛路線、航飛計劃及人員安排計劃。隨著點云數(shù)據(jù)采集的進行，航飛設計要不斷變化更新，以保質(zhì)保量地完成數(shù)據(jù)采集工作。

（2）點云數(shù)據(jù)的采集包括控制測量、數(shù)據(jù)采集、補測等。

1）控制測量的目的是通過選點埋石、網(wǎng)型的設計及測量、數(shù)據(jù)的解析等建立點云數(shù)據(jù)的坐標基準。

2）數(shù)據(jù)采集包括設備安裝、設備檢查、試飛爬升、自主巡航、返回降落。其中設備檢查是為了確保外業(yè)數(shù)據(jù)采集的順利完成，主要包括無人機設備外形、零部件及性能的檢查以及激光雷達設備的供能設備檢查。

3）補測是在對外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進行檢查的基礎(chǔ)上，對漏飛、點云密度不符合要求的區(qū)域進行補飛測量。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的預處理、數(shù)據(jù)的處理及分析。

（1）數(shù)據(jù)的預處理包含數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、軌跡解算、點云數(shù)據(jù)解算等。

1）數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查主要有檢查機載雷達POS數(shù)據(jù)是否完整、點云數(shù)據(jù)是否有漏洞、前后兩天時間及不同架次數(shù)據(jù)是否無縫拼接等。

2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將地面基站和機載POS系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成通用的數(shù)據(jù)格式。

3）軌跡解算經(jīng)后差分處理獲得飛行平臺的三維坐標。

4）點云數(shù)據(jù)的解算是根據(jù)軌跡解算的結(jié)果與原始點云數(shù)據(jù)獲得輸電線路通道內(nèi)點云數(shù)據(jù)的三維坐標。

（2）數(shù)據(jù)的處理包含數(shù)據(jù)的去噪、點云數(shù)據(jù)的分類、危險點分析、工況模擬分析等。

2.2.1 點云去噪

在無人機飛行過程中，輸電線路通道內(nèi)的地物、輸電線、桿塔等的外形、材質(zhì)以及空中漂浮物會造成點云數(shù)據(jù)存在部分噪聲點。此外，無人機飛行過程中的減速、轉(zhuǎn)彎、地面起伏等因素，也會造成點云數(shù)據(jù)存在部分噪聲點。噪聲點的存在會在一定程度上干擾點云數(shù)據(jù)的分類及危險點的分析。

點云去噪圖如圖1所示，圓圈內(nèi)的點即為噪聲點。

圖1 點云去噪圖

2.2.2 點云分類

激光雷達采集數(shù)據(jù)時，一次性采集通道內(nèi)的所有目標，為了更好地區(qū)分多樣地物，并根據(jù)不同地物點云測算地物至輸電線路的距離與交叉跨越距離，需要進行點云分類。通常情況下，輸電線路的通道點云可以分為電力線、桿塔、高植被、低植被、建筑、道路。為了區(qū)分不同目標，用不同的顏色對分類后的點云加以區(qū)分，分類方法通常采用濾波分類法。點云分類效果圖如圖2所示。

2.2.3 危險點分析

根據(jù)點云分類的結(jié)果分別計算導線間的交叉跨越距離、導線與地物之間的距離，并根據(jù)電網(wǎng)行業(yè)要求的安全距離規(guī)范，判定測算距離是否安全并劃分危險點等級。為便于存檔和巡檢人員現(xiàn)場排除安全隱患，需生成危險點分析報告。

如圖3所示，黑色點是測算出來的危險植被點。危險點分析報告如圖4所示。

圖2 點云分類效果圖

圖3 危險植被點圖

圖4 危險點分析報告圖

2.2.4 工況模擬分析

輸電線路長期處于動態(tài)的野外環(huán)境中，環(huán)境的變化會給線路的安全運行帶來巨大的威脅，如由自然環(huán)境引起的線路舞動、覆冰、風偏都會對輸電線路造成損害，且在惡劣的環(huán)境下，巡檢人員工作受到限制，因此需要進行工況模擬。根據(jù)懸鏈線方程及氣溫、風速等因子模擬分析線路的變化，動態(tài)評估輸電線路的狀態(tài)。

工況模擬結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)語

利用無人機機載激光雷達技術(shù)對輸電線路進行外業(yè)巡檢，根據(jù)數(shù)據(jù)的處理分析實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的分析、危險點分析、工況模擬分析，可實現(xiàn)對輸電線路通道的快速巡檢。此技術(shù)解決了復雜地區(qū)巡檢難的問題，大幅度降低了人力勞動成本，提高了巡檢效率。同時，激光雷達技術(shù)實現(xiàn)了輸電線路的三維坐標測量，且精度較高，實踐證明，輕量化、成本低的無人機在電力巡檢中具有重要作用。

圖5 工況模擬圖