無人機激光雷達(dá)系統(tǒng)在線路勘測中的應(yīng)用

丘 丹，朱偉鑫，何卓陽，阮永洪，謝爭云，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

近年來無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)技術(shù)發(fā)展迅速，其憑借高度的靈活性和相對低廉的數(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)場景大、空間數(shù)據(jù)獲取速度快、自動化程度高、精度高、數(shù)據(jù)量大、時效性好、通用性強等特點著稱，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、測距、傳感、探測、通信、信息處理、顯示、存儲等多個方向，對推動國家信息化、電力行業(yè)等民生及國家重大戰(zhàn)略安全領(lǐng)域做出了巨大貢獻(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上，針對特殊地形、交叉跨越情況復(fù)雜的輸電架空線路工程項目中人工勘測準(zhǔn)確度低的問題，提出了引入UAV LiDAR系統(tǒng)進行勘測。首先利用搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)的無人機對目標(biāo)線行通道進行巡視，采集數(shù)據(jù)，形成三維模型；然后利用三維模型對施工關(guān)鍵點進行多維度測量、定量分析，包括樹障點云的全自動快速分類，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)場情況，便于項目安全、可靠實施，驗證UAV LiDAR系統(tǒng)在輸電線路現(xiàn)場勘測中的優(yōu)勢。

1 人工勘測與UAV LiDAR系統(tǒng)勘測能力對比

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)濟林為主，生長桉樹、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，跨越處地勢較低，植被十分豐富且高大，種植有較多桉樹，高約20～30 m，無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表1。因樹障影響視線，無法利用經(jīng)緯儀、全站儀進行數(shù)據(jù)測量，只能定性、模糊處理。若必須使用經(jīng)緯儀、全站儀測量，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，樹木傾倒失控造成人員傷亡等風(fēng)險，且需要耗費大量人力。在植被茂密的山區(qū)巡察，還存在蚊蛇蟻獸傷害等風(fēng)險。

表1 n—(n+1)檔與鐵路交叉跨越情況

通過現(xiàn)場初步勘察，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，對視線通暢造成困擾，僅靠傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場勘察，難以全面、精確了解現(xiàn)場情況，無法制定周全的施工方案。

1.2 UAV LiDAR系統(tǒng)引入現(xiàn)場勘測

引入UAV LiDAR系統(tǒng)對線行通道展開巡視，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)場三維模型，精準(zhǔn)測出交叉跨越物間的最小距離、交跨長度等數(shù)據(jù)。該項目所使用的激光雷達(dá)發(fā)射的脈沖穿透性強，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。實踐表明，結(jié)合前期UAV LiDAR系統(tǒng)現(xiàn)場勘測結(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)項目高質(zhì)量開展。

2 工程論證及方案制定

2.1 搭設(shè)跨越架保護措施

人工現(xiàn)場初步勘察時，擬采用搭設(shè)跨越架作為保護措施，經(jīng)過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自閉線對地距離偏高，最高達(dá)25.28 m。對照上述分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)交叉跨越段10 kV自閉線對地距離普遍較高（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，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，安全無法保障。若搭設(shè)跨越架，需大面積砍伐林木，無法獲得林業(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)場初步勘察時，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，測量出220 kV某線路對10 kV自閉線交跨距離。距121號塔475.562 m處，220 kV某線路對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)測得的數(shù)據(jù)信息，對上述三種方案進行對比分析，論證結(jié)果是第三種方案可行性高，依據(jù)方案對跨越處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）。該次項目的成功開展，得益于UAV LiDAR 系統(tǒng)在現(xiàn)場勘察中所發(fā)揮的準(zhǔn)確性、全面性、實用性等優(yōu)勢，是UAV LiDAR系統(tǒng)在輸電架空線路中的成功應(yīng)用。

3 人工勘測與UAV LiDAR系統(tǒng)勘測對比

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

3.1 傳統(tǒng)人工勘測方式

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

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

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

3.2 UAV LiDAR系統(tǒng)勘測方式

(1) 優(yōu)點：勘察人員無需抵達(dá)塔位、交跨處，省去了翻山越嶺的辛苦和危險，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)建的機會創(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)績效。同時，能夠促使創(chuàng)業(yè)者從機會創(chuàng)新性和資源拼湊的雙重視角思考創(chuàng)業(yè)問題，正確判斷機會的創(chuàng)新程度，充分利用手頭資源和社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，最大化創(chuàng)造價值，實現(xiàn)創(chuàng)業(yè)成功。但本研究的案例企業(yè)僅來自天津、深圳和成都三個城市，缺少其他地區(qū)的樣本分析，未來會采用大樣本統(tǒng)計方法進一步驗證研究結(jié)論。

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

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