輸電線路激光掃描技術(shù)應(yīng)用

王 寧 孫鴻博 張嘉琳 胡 偉 李致東 田茂杰

（國網(wǎng)通用航空有限公司，北京 102200）

0 引言

隨著“十三五”規(guī)劃的落實，輸電線路的建設(shè)經(jīng)歷了高速發(fā)展的過程，對龐大的輸電線路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，使電網(wǎng)高質(zhì)量、安全地運(yùn)轉(zhuǎn)，尤為重要。輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，必須保障輸電線路特別是特高壓線路建設(shè)和運(yùn)行的安全穩(wěn)定，確保電網(wǎng)安全。由于輸電線路分布點多面廣、錯綜復(fù)雜、途徑環(huán)境差異大、數(shù)量逐年增長，傳統(tǒng)的工作模式難以滿足現(xiàn)實需求，存在視野盲區(qū)、到位空白區(qū)、認(rèn)知判斷誤區(qū)等缺陷，且往往受限于設(shè)備精度及人為誤差等因素，獲取的輸電線路現(xiàn)場數(shù)據(jù)利用率低，無法實現(xiàn)資源優(yōu)化配置[1]。采用三維激光掃描技術(shù)，可以大面積、高分辨率、快速地獲取被測對象數(shù)字地面模型與空間三維坐標(biāo)信息，為建立輸電線路通道三維數(shù)字模型提供強(qiáng)大的技術(shù)支持[2-3]。

1 基本原理

機(jī)載激光雷達(dá)是一種基于機(jī)載平臺主動獲取地物三維空間坐標(biāo)的測量技術(shù)。激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光測距系統(tǒng)、POS系統(tǒng)（動態(tài)差分GPS、慣性測量裝置IMU）、數(shù)碼相機(jī)、控制系統(tǒng)等4部分組成[5]。激光測距系統(tǒng)根據(jù)激光信號發(fā)射點到地表激光點之間的距離進(jìn)行測距；動態(tài)差分GPS用于確定激光發(fā)射點的空間位置；PPS系統(tǒng)中慣性測量裝置 IM測定激光掃描系統(tǒng)的空間位置和姿態(tài)信息；數(shù)碼相機(jī)用來獲取數(shù)碼彩色影像照片[4-6]。激光器發(fā)射高頻的激光脈沖，并記錄發(fā)射和接受的時間間隔，可以計算出激光器與地面物體點的空間距離，再結(jié)合POS系統(tǒng)中的空間位置及姿態(tài)信息，即可準(zhǔn)確計算出激光點的三維坐標(biāo)信息[6]。測量原理公式如下。若空間有一向量，其模為R，方向為（φ，ω，k），其起點坐標(biāo)已知為（X0，Y0，Z0）可以唯一確定，那么空間點位置信息Xs、Ys、Zs如公式（1）所示。

其中，起點利用POS系統(tǒng)中動態(tài)差分GPS值來確定，向量R的模利用測距儀測定，姿態(tài)（φ，ω，k）利用POS系統(tǒng)中IMU測定。

2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 輸電線路數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)

激光掃描采集設(shè)備下方一定寬度的點云和影像數(shù)據(jù)，其中激光點云數(shù)據(jù)相互之間呈現(xiàn)離散和非連續(xù)的關(guān)系，所包括信息復(fù)雜繁多。數(shù)據(jù)處理過程首先按照分類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將原始激光點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、定向、校準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。再將地面和非地面激光點云進(jìn)行分類，從原始點云數(shù)據(jù)中提取出高精度、高密度的地面點、植被點、建筑點、桿塔點、輸電線路點、交叉跨越點等信息[7]。根據(jù)得到的地面點信息生成高質(zhì)量的數(shù)字高程模型（DEM），根據(jù)航拍影像制作高精度的正射影像DOM。將精細(xì)分類點云數(shù)據(jù)、高精度的DEM、DOM數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行切片，進(jìn)行輸電線路數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)。

激光數(shù)據(jù)在處理后可以清晰地分辨出桿塔，導(dǎo)線、植被、公路等基本要素，利用精細(xì)分類后的點云數(shù)據(jù)、提取地面點點云生成的DEM，并參考數(shù)據(jù)采集時同步的正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間校準(zhǔn)?；谌S激光掃描數(shù)據(jù)處理成果，利用三維可視化技術(shù)，通過匹配、融合線路走廊高清地形、高清影像及激光點云數(shù)據(jù)，形成導(dǎo)線、桿塔、植被等分類對象空間圖層信息，如圖1所示，真實再現(xiàn)輸電線路三維場景，為輸電線路運(yùn)維提供技術(shù)保障。

在輸電線路的運(yùn)行中，自然災(zāi)害往往會對線路的安全運(yùn)行造成毀滅性的傷害，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，但對這種極端情況，如山洪、地震、地下采空區(qū)及高海拔地區(qū)凍土層冷脹等自然災(zāi)害監(jiān)測困難。因此線路周圍三維地理信息的建設(shè)和災(zāi)情信息的評估顯得尤為重要。激光掃描成果中的高精度點云、數(shù)字高程模型和正射影像組成運(yùn)行線路周圍精確的真實空間地理信息系統(tǒng)，結(jié)合線路所在區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境、氣候等因素，建設(shè)線路運(yùn)行區(qū)段中自然災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫，同時對可能受到災(zāi)害的類型及受災(zāi)概率大小進(jìn)行評估。

我國降水活動相對比較集中，特別是長江中下游流域及南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)易遭受澇災(zāi)害?；诩す鈷呙杓夹g(shù)得到的數(shù)字地理信息，在易發(fā)生洪澇災(zāi)害的區(qū)域根據(jù)降雨量情況及時模擬分析洪水上漲情況、淹沒區(qū)最高點的位置，判斷對上方輸電線路的影響。

2.2 輸電線路復(fù)雜工況下隱患預(yù)警預(yù)測

當(dāng)輸電線路周圍的自然環(huán)境顯著變化時，常常會造成輸電線路跳閘，但此時的天氣狀況往往會給事故的排查與檢修工作帶來困難[5]。在線路的運(yùn)行中導(dǎo)線的弧垂懸鏈線形態(tài)呈現(xiàn)動態(tài)變化，往往受風(fēng)向、氣溫、濕度、導(dǎo)線負(fù)荷量等因素的影響，為進(jìn)行輸電線路安全性能實時評估，發(fā)揮輸電線路應(yīng)急處置指導(dǎo)作用，需要模擬不同氣象條件下的導(dǎo)線弧垂變化，通過在擬合算法中加入風(fēng)速、溫度、覆冰等因子，確定瞬時工況下應(yīng)力參數(shù)，開展不同運(yùn)行工況的模擬分析工作[1]。

2.2.1 導(dǎo)線溫度與應(yīng)力的計算

架空線路導(dǎo)線受溫度和荷載發(fā)生變化時，水平應(yīng)力σ0和弧垂f隨之發(fā)生變化。首先需要確定導(dǎo)線狀態(tài)方程，即導(dǎo)線內(nèi)的水平應(yīng)力隨氣象條件的變化規(guī)律。其到狀態(tài)方程如下。

式中：gm為初始?xì)庀髼l件下的比載，N/m·mm2；gn為待求氣象條件下的比載，N/m·mm2；tm為初始?xì)庀髼l件下的溫度，℃；tn為待求氣象條件下的溫度，℃；σm為在溫度tm和比載gm時的應(yīng)力，MPa；σn為在溫度tn和比載gn時的應(yīng)力，MPa；α為線溫度線膨脹系數(shù)，1/℃；E為導(dǎo)線的彈性系數(shù)，MPa；φ為導(dǎo)線懸掛點高差角；l為檔距，m。

2.2.2 導(dǎo)線負(fù)荷與溫升的計算

根據(jù)熱平衡原理，架空導(dǎo)線吸收的熱量應(yīng)等于散發(fā)的熱量，即導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的熱量加上日照吸收的熱量等于輻射散發(fā)的熱量加上對流散發(fā)的熱量。

式中：WR為導(dǎo)線輻射散熱功率；WF為導(dǎo)線對流散熱功率；WS為導(dǎo)線日照吸熱功率；Rt為導(dǎo)線電阻。

由三維點云數(shù)據(jù)得到的導(dǎo)線瞬時狀態(tài)模型，再根據(jù)狀態(tài)方程確定高溫工況下導(dǎo)線應(yīng)力及懸鏈線方程，從而實現(xiàn)在該環(huán)境溫度下通道環(huán)境危險隱患的預(yù)警預(yù)測。

2.2.3 輸電線路大風(fēng)工況模擬分析

在輸電線路的運(yùn)行過程中導(dǎo)線風(fēng)偏（弧垂、舞動）同樣是威脅安全運(yùn)行的重要因素。

2.2.3.1 導(dǎo)線風(fēng)偏角計算

式中：g1—架空線的自重力比載，N/m·mm2（或 MPa/m）；g4—架空線的風(fēng)力比載，N/m·mm2（或 MPa/m） 。

2.2.3.2 絕緣子風(fēng)偏角

式中：pj為絕緣子串風(fēng)壓，kN；pd為導(dǎo)線風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；lh為水平檔距，m；Gj為絕緣子串垂重量，kN；wd為導(dǎo)線重，kN；lv為垂直檔距，m。

基于激光點云搭建的三維可視化系統(tǒng)，可以根據(jù)風(fēng)向及最大風(fēng)速等環(huán)境因素，利用如上所示的風(fēng)偏模型對線路進(jìn)行風(fēng)偏模擬分析。分析不同運(yùn)行環(huán)境下的風(fēng)偏角的大小，將由架空線路導(dǎo)線弧垂決定的絕緣子的空間位置信息標(biāo)注在三維系統(tǒng)中，設(shè)置導(dǎo)線風(fēng)偏的閾值，對超出極限值的位置發(fā)出預(yù)警信息，進(jìn)而預(yù)測風(fēng)偏對導(dǎo)線的影響。

以激光掃描技術(shù)為核心的通道隱患預(yù)警預(yù)測顯著提升了大電網(wǎng)運(yùn)維管控水平。推動電網(wǎng)的運(yùn)維管理向數(shù)字化、可視化、智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展。

2.3 輸電線路無人機(jī)自主巡檢路徑規(guī)劃

激光雷達(dá)采集的點云數(shù)據(jù)中包括著空間物體的位置信息，利用這些位置信息可以進(jìn)行無人機(jī)自主巡檢航線規(guī)劃。無人機(jī)以懸停到桿塔目標(biāo)位置的方式對桿塔本體及附屬設(shè)施進(jìn)行圖像獲取，根據(jù)拍攝照片信息進(jìn)行缺陷判斷。傳統(tǒng)的無人機(jī)航線規(guī)劃需要大量的人機(jī)交互，人工在點云上選取塔頭、塔身、塔基、導(dǎo)地線、絕緣子串、金具等桿塔部件及其掛點等關(guān)鍵部位。該方法大大增加了無人機(jī)巡檢的工作量。促進(jìn)了計算機(jī)視覺技術(shù)尤其是深度學(xué)習(xí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為基于無人機(jī)自主航線規(guī)劃提供了有效的理論基礎(chǔ)。PointNet++深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)可以對點云進(jìn)行直接處理，利用點云數(shù)據(jù)的局部和全局特性，具有較好的魯棒性。

輸電線路已分類的海量激光點云為PointNet++提供了豐富的樣本，可以利用圖2所示的方法進(jìn)行無人機(jī)航線點提取。首先在激光點云中進(jìn)行拍照點樣本標(biāo)注，然后將樣本輸入PointNet++網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行特征提取和學(xué)習(xí)，待PointNet++網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，即可將需要作業(yè)區(qū)域的激光點云數(shù)據(jù)放入已訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行拍照點提取。提取拍照點后對其進(jìn)行編號，確定拍照點的無人機(jī)巡檢次序。

圖2 基于PointNet++的航線提取框架

無人機(jī)航巡須在距電力線、桿塔的安全距離范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，基于Dubins方法的無人機(jī)避撞路徑規(guī)劃方法，綜合考慮了無人機(jī)自身的機(jī)動能力，防止無人機(jī)與輸電線路相撞造成作業(yè)事故。Dubins方法的防撞規(guī)劃模式為無人機(jī)從起始點出發(fā)，通過路徑規(guī)劃尋找避撞路線，并按照規(guī)劃路徑飛行避開障礙物，安全到達(dá)目標(biāo)點。

設(shè)無人機(jī)起始點坐標(biāo)ps為（xs，ys），目標(biāo)點坐標(biāo)為pf（xf，yf），起始航向為γs，目標(biāo)點駛出航向為γf，障礙物中心點坐標(biāo)Oz為（xz，yz）。障礙物中心點到最大凸出點的距離為R，威脅判定區(qū)域設(shè)定為以O(shè)z為圓心并以R為半徑的圓，設(shè)無人機(jī)初始航向為由起始點指向目標(biāo)點的方向，避過障礙物到達(dá)目標(biāo)點后的最終駛出航向保持為原航向，則航向如式（6）所示[8]。

對單基桿塔的無人機(jī)自主巡檢，將拍照點之間存在的絕緣子、導(dǎo)地線等作為障礙物，利用Dubins方法規(guī)劃2個拍照點之間的巡檢路徑，直至完成單基桿塔無人機(jī)自主巡檢路徑的規(guī)劃[9]。

在確定每個桿塔的無人機(jī)巡檢路徑后，只須對每桿塔設(shè)置適當(dāng)?shù)膽彝｜c，通過連接懸停點即可實現(xiàn)航跡拼接，從而實現(xiàn)當(dāng)前輸電線路下無人機(jī)的自主巡檢路徑規(guī)劃。最后選取已規(guī)劃好的航線進(jìn)行復(fù)核，對漏提取或者誤提取的情況進(jìn)行修正。這樣就完成整個無人機(jī)航線規(guī)劃的流程，大大節(jié)約了航線規(guī)劃的時間。

2.4 三維場景下的設(shè)備檢修及帶電作業(yè)應(yīng)用

在輸電線路的檢修過程中往往是根據(jù)設(shè)計圖紙或現(xiàn)場勘測制定作業(yè)方案，受限二維簡化圖紙精度問題，有的場景無法進(jìn)行三維量測，影響作業(yè)方案的準(zhǔn)確性。隨著激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路巡檢方面的應(yīng)用，可以利用高精度三維激光點云數(shù)據(jù)來幫助制定設(shè)備檢修、帶電作業(yè)方案。

利用激光點云數(shù)據(jù)還原的作業(yè)現(xiàn)場的高精度三維真實環(huán)境，模擬作業(yè)全過程中人員的位置及活動半徑，利用八叉樹的最近點搜索算法進(jìn)行全過程組合間隙安全距離計算，分析作業(yè)人員作業(yè)過程中的安全距離，限定作業(yè)人員活動范圍，確保作業(yè)安全。

3 結(jié)論

激光掃描技術(shù)具有空間分析和三維量測準(zhǔn)確、快捷的優(yōu)點，在輸電線路全流程中均具有顯著作用。該文總結(jié)了激光掃描技術(shù)在輸電線路數(shù)字電網(wǎng)、災(zāi)害預(yù)警、無人機(jī)自主巡檢及設(shè)備檢修和帶電作業(yè)中的應(yīng)用，極大地降低了輸電線路各部門的勞動強(qiáng)度，同時隨著技術(shù)的深入應(yīng)用減少了工作時間，提高了工作效率。

利用激光掃描技術(shù)的成果建立真實三維數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了各種應(yīng)用的集成化、信息化和可視化管理。隨著數(shù)據(jù)計算能力的提升和人工智能的發(fā)展，激光掃描技術(shù)因其突出的技術(shù)優(yōu)勢必將在輸電線路各項工作中發(fā)揮越來越重要的作用。