無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)在線路勘測(cè)中的應(yīng)用

丘 丹，朱偉鑫，何卓陽(yáng)，阮永洪，謝爭(zhēng)云，廖子毅，李遴鈺

(廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

近年來(lái)無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)技術(shù)發(fā)展迅速，其憑借高度的靈活性和相對(duì)低廉的數(shù)據(jù)獲取成本，被廣泛應(yīng)用于輸電線路領(lǐng)域；而激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)技術(shù)以作業(yè)場(chǎng)景大、空間數(shù)據(jù)獲取速度快、自動(dòng)化程度高、精度高、數(shù)據(jù)量大、時(shí)效性好、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)著稱，目前激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出激光成像、測(cè)距、傳感、探測(cè)、通信、信息處理、顯示、存儲(chǔ)等多個(gè)方向，對(duì)推動(dòng)國(guó)家信息化、電力行業(yè)等民生及國(guó)家重大戰(zhàn)略安全領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)特殊地形、交叉跨越情況復(fù)雜的輸電架空線路工程項(xiàng)目中人工勘測(cè)準(zhǔn)確度低的問(wèn)題，提出了引入U(xiǎn)AV LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行勘測(cè)。首先利用搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)線行通道進(jìn)行巡視，采集數(shù)據(jù)，形成三維模型；然后利用三維模型對(duì)施工關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行多維度測(cè)量、定量分析，包括樹障點(diǎn)云的全自動(dòng)快速分類，還原植被下地表的地形地貌，獲得交叉跨越距離、長(zhǎng)度、角度準(zhǔn)確數(shù)據(jù)等，提高了地理空間三維信息數(shù)據(jù)的獲取精度和處理效率，有助于全面了解現(xiàn)場(chǎng)情況，便于項(xiàng)目安全、可靠實(shí)施，驗(yàn)證UAV LiDAR系統(tǒng)在輸電線路現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。

1 人工勘測(cè)與UAV LiDAR系統(tǒng)勘測(cè)能力對(duì)比

以某地區(qū)220 kV某線路技改工程為例，結(jié)合工程數(shù)據(jù)討論分析UAV LiDAR系統(tǒng)在輸電線路跨鐵路架線施工中的應(yīng)用。涉及該線路原n—(n+1)檔跨越鐵路電力線路10 kV自閉線，施工區(qū)段地形主要以丘陵和山地為主，其中丘陵約占70 %，山地約占30 %；沿線山地以經(jīng)濟(jì)林為主，生長(zhǎng)桉樹、松雜樹、藤蔓、蕨類等原生性亞熱帶常綠闊葉林種。

1.1 人工勘測(cè)情況

該區(qū)段位于山谷地帶，道路交通十分不便。n—(n+1)檔跨越鐵路電力線路10 kV自閉線z—(z+1)桿，跨越處地勢(shì)較低，植被十分豐富且高大，種植有較多桉樹，高約20～30 m，無(wú)法看清沿線交叉跨越情況，容易遺漏部分跨越物。

n—(n+1)檔與鐵路交叉跨越情況見(jiàn)表1。因樹障影響視線，無(wú)法利用經(jīng)緯儀、全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，只能定性、模糊處理。若必須使用經(jīng)緯儀、全站儀測(cè)量，則需砍伐林道，疏通視線，但鄰近電力線路砍樹存在觸電、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，樹木傾倒失控造成人員傷亡等風(fēng)險(xiǎn)，且需要耗費(fèi)大量人力。在植被茂密的山區(qū)巡察，還存在蚊蛇蟻獸傷害等風(fēng)險(xiǎn)。

表1 n—(n+1)檔與鐵路交叉跨越情況

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)初步勘察，發(fā)現(xiàn)原n—(n+1)檔(跨越鐵路10 kV自閉線)地處山地，地形條件較差，植被十分豐富且高大，對(duì)視線通暢造成困擾，僅靠傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)勘察，難以全面、精確了解現(xiàn)場(chǎng)情況，無(wú)法制定周全的施工方案。

1.2 UAV LiDAR系統(tǒng)引入現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)

引入U(xiǎn)AV LiDAR系統(tǒng)對(duì)線行通道展開(kāi)巡視，原n—(n+1)檔跨越鐵路10 kV自閉線。結(jié)合相應(yīng)軟件系統(tǒng)，生成現(xiàn)場(chǎng)三維模型，精準(zhǔn)測(cè)出交叉跨越物間的最小距離、交跨長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目所使用的激光雷達(dá)發(fā)射的脈沖穿透性強(qiáng)，可穿透樹木植被掃描到地表數(shù)據(jù)，并可根據(jù)激光脈沖強(qiáng)度精準(zhǔn)分類出植被及地表，還原植被下地表的地形地貌。實(shí)踐表明，結(jié)合前期UAV LiDAR系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果及后期數(shù)據(jù)處理分析，獲得較為全面、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)勘察信息，有利于制定可行性、安全性更高的施工方案，確保作業(yè)項(xiàng)目高質(zhì)量開(kāi)展。

2 工程論證及方案制定

2.1 搭設(shè)跨越架保護(hù)措施

人工現(xiàn)場(chǎng)初步勘察時(shí)，擬采用搭設(shè)跨越架作為保護(hù)措施，經(jīng)過(guò)UAV LiDAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為該方案不可行。原因如下：

(1) 某10 kV自閉線對(duì)地距離偏高，最高達(dá)25.28 m。對(duì)照上述分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)交叉跨越段10 kV自閉線對(duì)地距離普遍較高（16.31～25.28 m），超出普通跨越架搭設(shè)高度，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，并需要組織專家論證可行性。

(2) 去除植被后地形地質(zhì)情況顯示，該區(qū)域地形高低不平，坑洼較多，跨越架生根困難，穩(wěn)定性較差，安全無(wú)法保障。若搭設(shè)跨越架，需大面積砍伐林木，無(wú)法獲得林業(yè)部門批準(zhǔn)，且鄰近帶電線路容易發(fā)生火災(zāi)、壓斷導(dǎo)線等事故。

2.2 改造跨越處10 kV自閉線兩基直線水泥桿

人工現(xiàn)場(chǎng)初步勘察時(shí)，擬采用將跨越處10 kV自閉線兩基直線水泥桿改造為耐張段的施工方法，經(jīng)與產(chǎn)權(quán)單位鐵路局溝通協(xié)調(diào)后，確認(rèn)該方案不可行，原因是鐵路局不同意改變線路的電氣結(jié)構(gòu)。

2.3 跨越處10 kV自閉線耐張段停電降線

通過(guò)UAV LiDAR系統(tǒng)了解到，該跨越處10 kV自閉線耐張段共3檔，約1.1 km，測(cè)量出220 kV某線路對(duì)10 kV自閉線交跨距離。距121號(hào)塔475.562 m處，220 kV某線路對(duì)10 kV自閉線凈空距離最小(14.65 m)。因此，在不改變線路電氣結(jié)構(gòu)的前提下，申請(qǐng)10 kV線路停電降線，成功配合了220 kV某線路拆舊線施工。

基于UAV LiDAR系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)信息，對(duì)上述三種方案進(jìn)行對(duì)比分析，論證結(jié)果是第三種方案可行性高，依據(jù)方案對(duì)跨越處10 kV自閉線耐張段停電降線，成功拆除了220 kV某線路原n—(n+1)檔舊線行（跨越鐵路電力線路10 kV自閉線z—(z+1)桿）。該次項(xiàng)目的成功開(kāi)展，得益于UAV LiDAR 系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)勘察中所發(fā)揮的準(zhǔn)確性、全面性、實(shí)用性等優(yōu)勢(shì)，是UAV LiDAR系統(tǒng)在輸電架空線路中的成功應(yīng)用。

3 人工勘測(cè)與UAV LiDAR系統(tǒng)勘測(cè)對(duì)比

以該項(xiàng)目220 kV某線路技改工程為例，分析傳統(tǒng)人工勘測(cè)和利用UAV LiDAR系統(tǒng)勘測(cè)這兩種方式的優(yōu)劣。

3.1 傳統(tǒng)人工勘測(cè)方式

(1) 優(yōu)點(diǎn)：能夠直觀了解后期交通運(yùn)輸、青賠協(xié)調(diào)等事宜，也便于聯(lián)系沿線的交通運(yùn)輸部門、跨越物產(chǎn)權(quán)單位、村民等，此方式在施工現(xiàn)場(chǎng)普遍使用，是施工準(zhǔn)備階段必不可少的一道基本工序。

(2) 缺點(diǎn)：人工爬山，存在蚊蟲蛇蟻叮咬的風(fēng)險(xiǎn)；必須到達(dá)鐵塔樁位才能開(kāi)展勘測(cè)作業(yè)，遇惡劣天氣時(shí)，存在道路塌方、倒塌風(fēng)險(xiǎn)，安全性較低；人員配置較多，至少兩人結(jié)伴出行，路上耗費(fèi)時(shí)間太多；對(duì)某些處于高山密林的鐵塔樁位，甚至數(shù)次繞道依然無(wú)法抵達(dá)鐵塔樁位。人的視線有限，易受林木、山坡阻擋，導(dǎo)致無(wú)法使用經(jīng)緯儀、全站儀等常用測(cè)量工器具，僅依靠人的感官進(jìn)行判斷，易受天氣、個(gè)人定勢(shì)思維的影響無(wú)法得出較準(zhǔn)確的結(jié)果，甚至得出錯(cuò)誤結(jié)論，準(zhǔn)確性較低。

僅人工勘測(cè)的單次費(fèi)用而言，成本較低，但考慮到無(wú)法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需多次勘察以致效率低下影響施工進(jìn)度，不適宜單獨(dú)采用。

3.2 UAV LiDAR系統(tǒng)勘測(cè)方式

(1) 優(yōu)點(diǎn)：勘察人員無(wú)需抵達(dá)塔位、交跨處，省去了翻山越嶺的辛苦和危險(xiǎn)，安全性高；UAV LiDAR系統(tǒng)巡視速度可達(dá)20 km/h，30 min內(nèi)可完成對(duì)特定塔段的勘察，效率高；可定量得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，更全面了解地形地貌、跨越物等，準(zhǔn)確度高。

本文構(gòu)建的機(jī)會(huì)創(chuàng)新性與資源拼湊模式匹配關(guān)系模型，能夠指導(dǎo)初創(chuàng)企業(yè)的創(chuàng)業(yè)行為，幫助初創(chuàng)企業(yè)獲得較高的創(chuàng)業(yè)績(jī)效。同時(shí)，能夠促使創(chuàng)業(yè)者從機(jī)會(huì)創(chuàng)新性和資源拼湊的雙重視角思考創(chuàng)業(yè)問(wèn)題，正確判斷機(jī)會(huì)的創(chuàng)新程度，充分利用手頭資源和社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，最大化創(chuàng)造價(jià)值，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)成功。但本研究的案例企業(yè)僅來(lái)自天津、深圳和成都三個(gè)城市，缺少其他地區(qū)的樣本分析，未來(lái)會(huì)采用大樣本統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)一步驗(yàn)證研究結(jié)論。

(2) 缺點(diǎn)：需要使用專業(yè)設(shè)備(搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)以及專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件)，需要專業(yè)人員配合開(kāi)展數(shù)據(jù)處理和分析，單次使用費(fèi)用較高；僅靠UAV LiDAR系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，難以全面了解評(píng)估交通運(yùn)輸和青賠協(xié)調(diào)情況，不利于后期開(kāi)展施工。

目前，傳統(tǒng)人工勘測(cè)方式仍然是最普及、最簡(jiǎn)單的一種方式。有條件的情況下，針對(duì)特殊地形、惡劣環(huán)境，可有效利用UAV LiDAR系統(tǒng)實(shí)施勘測(cè)。兩種方式有機(jī)結(jié)合，能夠更加全面、直觀、準(zhǔn)確地了解項(xiàng)目，同時(shí)有利于制定更加安全、可靠的施工方案。