多平臺機載激光掃描輸電線路勘測對比應(yīng)用研究

程海濤 杜偉 費敏 朱曉康 孫鴻博

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-7683

摘? 要：機載激光掃描作業(yè)系統(tǒng)作為新一代的航空遙感系統(tǒng)，具有十分廣泛的用途。本文介紹激光雷達系統(tǒng)原理，就直升機、中大型固定翼無人機平臺輸電線路激光航測進行工程方案設(shè)計和驗證對比，有效地解決了中大型無人機在電力勘測設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)性難題，并就直升機、中大型無人機激光掃描系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)體系在電網(wǎng)工程新基建背景下的進一步應(yīng)用作了探討和敘述。

關(guān)鍵詞：航空作業(yè)平臺? 勘測設(shè)計? 激光雷達? 中大型無人機

中圖分類號：P23 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0043-04

Comparative Application Research of Multi-Platform Laser Scanning in Transmission Line Survey and Design

CHENG Haitao1? DU Wei1? FEI Min2? ZHU Xiaokang1? SUN Hongbo1

（1.State Grid General Aviation Company， Beijing，102209 China; 2. Hangzhou Power Supply Company， State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.，? Hangzhou， Zhejiang Province， 310016 China）

Abstract： As a new generation of aerial remote sensing system， the airborne laser scanning operation system has a very wide range of uses. This article introduces the principle of the lidar system， and conducts engineering scheme design and verification comparison for the laser aerial survey of the transmission line of the helicopter and the medium and large fixed-wing UAV platform. It effectively solves the technical problems in the application of medium and large UAVs in the field of electric power survey and design. Discussed and described the further application of the cooperative operation system of the laser scanning system of helicopters and medium and large UAVs under the background of the new infrastructure of power grid engineering.

Key Words： Aviation operation platform; Survey and design; Lidar; Medium and large UAVs

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著輸送電能的重任，隨著我國經(jīng)濟水平的日益提升，電網(wǎng)基建過程中對輸電線路通道走廊的選擇日趨重要，為了能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)選線，降低工程造價、減少人地矛盾，同時將工程建設(shè)對環(huán)境的影響壓減至最低，輸電線路基建階段對高精度地理信息測繪數(shù)據(jù)的要求愈發(fā)迫切[1]。傳統(tǒng)的人工外業(yè)工程測量以及航空攝影測量已經(jīng)難以滿足線路設(shè)計、基建需求。

隨著科技進步，技術(shù)變革加速了輸電線路勘測設(shè)計方式的轉(zhuǎn)變。機載激光雷達作為一種非接觸式的主動距離探測技術(shù)，能夠快速獲得被探測物體的空間幾何結(jié)構(gòu)信息，目前廣泛應(yīng)用于地理信息測繪及定位導(dǎo)航領(lǐng)域。在電網(wǎng)勘測設(shè)計中，主要用于架空線路的通道環(huán)境測繪及三維重建[2]。由于激光雷達設(shè)備昂貴、安裝精度高，目前主要以直升機為作業(yè)平臺開展線路巡檢，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，直升機的高成本凸顯。近年來，已經(jīng)出現(xiàn)通過在中小型旋翼無人機搭載小型激光雷達開展輸電線路航拍勘測的應(yīng)用試點，但受限于多旋翼無人機的航程短、載重小、速度慢等因素，通過多旋翼搭載高精度激光雷達開展勘測作業(yè)效率低，很難在電網(wǎng)領(lǐng)域大面積開展應(yīng)用。中大型固定翼無人機由于飛行速度快、續(xù)航時間長、飛行性能優(yōu)越，特別是兼具多旋翼和固定翼無人機的垂直起降固定翼無人機，擺脫了傳統(tǒng)固定翼無人機對起降場地的限制，作為輸電線路激光航測的作業(yè)平臺具有較好的應(yīng)用前景。本文從無人機及機載激光雷達技術(shù)發(fā)展出發(fā)，結(jié)合輸電線路勘測設(shè)計情況，提出一種基于固定翼無人機激光掃描的輸電線路勘測方法，并與直升機作業(yè)方式進行對比驗證。

1? 激光掃描作業(yè)原理

激光雷達系統(tǒng)集成了激光掃描儀、GNSS定位系統(tǒng)、慣性測量單元（IMU）及數(shù)碼相機，能夠直接、快速、精確地獲取目標(biāo)的三維空間信息。利用多回波技術(shù)，激光可以穿透植被，獲取真實的地表模型[3]。

激光掃描儀通過激光發(fā)射裝置向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，由接收器接收激光反射信息計算地物與激光發(fā)射點之間的距離，根據(jù)GNSS定位系統(tǒng)確定激光雷達精確的空間三維坐標(biāo)（X，Y，Z），并利用IMU慣性測量單元測量激光掃描儀的姿態(tài)角度，同時時間同步系統(tǒng)將激光掃描儀、GNSS定位系統(tǒng)、慣性測量單元統(tǒng)一到同一時間基準(zhǔn)下，最后由計算機控制系統(tǒng)根據(jù)幾何參數(shù)和空間關(guān)系得到地物點的空間三維坐標(biāo)從而實現(xiàn)三維重建，其工作原理如圖1所示。

2? 直升機/中大型無人機激光掃描系統(tǒng)

激光掃描作業(yè)系統(tǒng)主要激光雷達系統(tǒng)搭配直升機、無人機作業(yè)平臺組成，其中激光雷達系統(tǒng)主要包括激光掃描儀、POS系統(tǒng)及航測相機。中大型無人機系統(tǒng)主要由飛行平臺、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。直升機主要包括操控系統(tǒng)和作業(yè)平臺，系統(tǒng)組成框架如圖2所示。

綜合多旋翼和固定翼無人機優(yōu)勢，越來越多的研究通過將多旋翼和固定翼相結(jié)合的總體設(shè)計方案，即垂直起降固定翼無人機，使固定翼無人機兼具多旋翼無人機的垂直起降優(yōu)勢，解決了固定翼無人機對起降場地的限制，能夠在山區(qū)、叢林等復(fù)雜作業(yè)條件下完成作業(yè)，極大的提高了固定翼無人機的應(yīng)用范圍。

垂直起降固定翼無人機系統(tǒng)中飛控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要由飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)、機載傳感器、數(shù)傳天線等模塊組成，通過地面站發(fā)送控制指定，結(jié)合機載傳感器參數(shù)，實現(xiàn)自動控制導(dǎo)航，并與地面站實現(xiàn)上下鏈路通信。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。垂直起降固定翼無人機在執(zhí)行作業(yè)任務(wù)時，不同于直升機，可根據(jù)飛行員目視判斷，及時規(guī)避障礙物，當(dāng)固定翼無人機在視距外飛行時只能通過地面站軟件，在飛控的協(xié)同下控制無人機。因此固定翼無人機在執(zhí)行任務(wù)時應(yīng)保持在遠離重要地物，避免長時間在輸電線路、公路、鐵路等上方飛行，飛行高度應(yīng)根據(jù)線路電壓等級、地形情況進行設(shè)置，確保無人機在安全的飛行高度下實施作業(yè)。

3? 工程驗證

本文以輸電線路激光航測工程項目為依托，采用直升機、中大型垂直起降固定翼無人機為平臺，分別搭載中型、輕型激光雷達設(shè)備，對安徽省某地區(qū)一段136.8km、500kV電壓等級輸電線路進行激光航測，獲取激光點云及影像，構(gòu)成2km帶寬的輸電走廊數(shù)據(jù)。

3.1 測區(qū)概況

本次驗證線路工程分布于安徽省北部地區(qū)，線路沿線分布以平原、丘陵為主，地勢由西北向東南傾斜，海拔為15～120m，整體地勢有一定起伏。

3.2 方案制定

為全面驗證直升機、無人機激光雷達勘測作業(yè)的作業(yè)成果和作業(yè)效率，本次驗證在按照直升機先行作業(yè)，中大型垂直起降固定翼無人機后續(xù)作業(yè)的方式，分別進行數(shù)據(jù)采集，并將作業(yè)過程和成果情況進行比較。

點云密度是分辨地物細(xì)微程度的重要屬性，也是評價數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，反映了數(shù)據(jù)用于生產(chǎn)的應(yīng)用能力。激光掃描電力勘測對點云密度要求較高。直升機激光掃描作業(yè)時通常保持15～17m/s的飛行速度開展作業(yè)，而固定翼無人機需以不低于失速速度飛行，否則易產(chǎn)生安全隱患，適用于激光掃描的固定翼無人機失速速度通常為15～20m/s左右，因此實際飛行速度通常為25～30m/s左右。受限于失速速度的限制，固定翼無人機在開展激光掃描勘測作業(yè)時，需以較高的速度飛行，因此需要將作業(yè)高度降低，增加航線規(guī)劃公里成數(shù)以滿足掃描點云密度要求。

數(shù)據(jù)要求：本次沿作業(yè)線路可行性研究路徑進行高分辨率數(shù)字航拍，數(shù)據(jù)采集覆蓋帶寬2km，線路中心線兩側(cè)各1km。本次實驗飛行保證影像分辨率優(yōu)于0.1m。為確保成果質(zhì)量，設(shè)計影像航向重疊度≥60%，旁向重疊度≥30%;點云航線旁向重疊度≥20%;數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）比例尺優(yōu)于1：1000。

3.3 效率對比

由于航測作業(yè)需嚴(yán)格保持飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性，且在切換航線時準(zhǔn)確度要求較高，直升機作業(yè)受飛行員技術(shù)水平影響較大，同時效率亦受起降場位置影響。而無人機按規(guī)劃航線作業(yè)，因而人為影響較小，作業(yè)效率相對穩(wěn)定。

如表1所示，直升機在現(xiàn)場作業(yè)效率方面具有一定優(yōu)勢，中大型垂直起降固定翼無人機可依托成本優(yōu)勢，通過增派作業(yè)機組等形式實現(xiàn)效率的本質(zhì)提升。

3.4 成果質(zhì)量對比

本項目采用地面工程測量方式，共布設(shè)地面校驗點15處，對直升機、中大型垂直起降固定翼無人機作業(yè)成果數(shù)據(jù)進行了精度校驗，校驗結(jié)果、數(shù)據(jù)質(zhì)量如表2、圖4、圖5所示。直升機、中大型垂直起降固定翼無人機激光掃描數(shù)據(jù)成果在平面精度和高程精度上各有微弱優(yōu)勢，但均完全滿足并超出相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過數(shù)據(jù)處理，可在輸電線路工程初步設(shè)計、施工圖設(shè)計等階段提供平縱斷面圖、塔位地形圖、塔基斷面圖、桿塔高低腿設(shè)計依據(jù)等全方位支撐，大量減輕外業(yè)工作量負(fù)擔(dān)，提升了工程設(shè)計質(zhì)量和效率。

綜上所述，與直升機激光掃描系統(tǒng)相比，中大型垂直起降固定翼無人機激光掃描作業(yè)系統(tǒng)具有人員精簡、成本較低等優(yōu)勢，但也存在續(xù)航時間、載荷能力、懸停能力等劣勢，如表3。

4? 結(jié)語

隨著無人機及激光雷達技術(shù)的發(fā)展，以及點云濾波和分類算法的進步，以無人機為作業(yè)平臺通過搭載激光雷達設(shè)備開展空間數(shù)據(jù)獲取已經(jīng)在測繪、公路、鐵路、電力等領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用。本文以直升機、垂直起降固定翼無人機為作業(yè)平臺搭載高精度激光雷達設(shè)備開展工程對比驗證，通過分析表明基于中大型垂直起降固定翼無人機激光航測作業(yè)能夠同時實現(xiàn)降低成本并保證高質(zhì)量數(shù)據(jù)成果，該方案可與直升機作業(yè)形成有效互補，可廣泛應(yīng)用于遠距離、復(fù)雜地形跨區(qū)輸電線路勘測設(shè)計中，并可向鐵路、公路等帶狀地形圖測繪領(lǐng)域延伸，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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