無人機機載激光雷達在輸電線路巡線中的應用

楊磊 牛甲芳 李會平 陳鵬宇 劉曉慶

山東魯邦地理信息工程有限公司 山東 濟南 250101

引言

近年來，我國的電力事業(yè)發(fā)展迅猛，各種規(guī)模、類型的輸配電工程項目實施，滿足了人們基本的電力事業(yè)需求，給人們提供了良好的電力服務。但為保障輸配電的穩(wěn)定性，電力企業(yè)在日常的工作中同樣要做好輸電線路巡線工作，當下的輸電線路巡線主要是由無人機機載激光雷達來完成的，有效發(fā)揮了激光雷達便捷性、高效性的優(yōu)勢，無論在數(shù)據(jù)采集還是數(shù)據(jù)分析和利用上，都有著傳統(tǒng)人工巡線方式所難以比擬的特點，未來勢必將帶動整個電力行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

1 機載激光雷達的具體概述與研究現(xiàn)狀

機載激光雷達在空間測量領(lǐng)域?qū)儆谝环N相對先進的技術(shù)，在具體的應用中，機載激光雷達中集成了多種的技術(shù)和設(shè)備，比如，激光掃描儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、慣性測量單元、高速率存儲設(shè)備等，技術(shù)和設(shè)備的集成性都充分反映了機載激光雷達的先進性，勢必在社會經(jīng)濟生活領(lǐng)域有著巨大的應用潛力。在利用機載激光雷達來進行相應的三維空間信息獲取時，需在事先搭設(shè)好的機載平臺上以高頻率進行激光脈沖的發(fā)送，在該脈沖發(fā)射的過程中同步對脈沖發(fā)射時間和達到地面返回到機載平臺接收器的時間加以有效記錄，根據(jù)對這一時間的把握，也就能夠準確獲得機載平臺與地面點之間的距離信息，在該信息獲取以后，相關(guān)測量人員再根據(jù)前期所獲得的地面GPS數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)和信息加以充分整合與處理以后，生成最終的地面空間三維坐標和可視化三維點云數(shù)據(jù)。機載激光雷達與常規(guī)的測量技術(shù)相比，因為其定位和測距的精度異常高，使得這一技術(shù)在當下的很多領(lǐng)域都越發(fā)引起了人們的重視，尤其是在電力工程領(lǐng)域，輸電線路巡線中，這一技術(shù)的優(yōu)勢凸顯，有效改變了人工巡線方式的巨大限制，不僅使得巡線的難度系數(shù)有所降低，更在很大程度上節(jié)約了這一方面的成本。

在利用機載激光雷達進行相應的測量工作時，三維點云解算中的航跡獲取時，因為常規(guī)的方式無法得到，一般要在被測區(qū)域進行地面站的架設(shè)，由地面站來負責在測量工作中的GPS差分運算，在這一條件下所得到的軌跡數(shù)據(jù)具有更高的精度，但地面站架設(shè)的工作難度系數(shù)較大，往往需綜合考慮多方面的因素，做好前期的選點、布設(shè)，再加上存在一定的單基站距離限制，導致在地面站架設(shè)時，應做好現(xiàn)場調(diào)查。電力線長距離的巡檢作業(yè)開展中，為確保機載激光雷達能夠獲得完整準確的軌跡數(shù)據(jù)和信息，往往需在測區(qū)布設(shè)多個基站，以保障巡檢作業(yè)的高效實施。當輸電線路巡線作業(yè)中遇到的是一些地形地勢比較惡劣的區(qū)域時，無法滿足基站建設(shè)的條件，針對這種情況，在機載激光雷達技術(shù)的應用中，可以采用精密單點定位的方式來克服常規(guī)基站建設(shè)中的諸多限制，因為在這一技術(shù)應用不需要進行地面站的架設(shè)就可以獲得相應的航跡信息，基本上不存在距離限制的影響，正是因為這一技術(shù)的這些特點，使得在輸電線路巡線中的作用量和作業(yè)成本都大大降低。現(xiàn)階段，精密單點定位技術(shù)隨著技術(shù)的進步迎來了嶄新的發(fā)展，技術(shù)越來越先進且有了更為廣泛的應用空間，高精度的技術(shù)特點，使得精密單點定位技術(shù)在未來還有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α１热?，部分人員利用精密單點技術(shù)進行了滑坡的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)在滑坡等各類地質(zhì)災害的動態(tài)監(jiān)測、預警方面有著突出的技術(shù)優(yōu)勢；部分人員結(jié)合了GPS/GLONASS進行了精密單點定位技術(shù)的深入研究，發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)比單純的GPS的精密單點定位技術(shù)有著明顯的技術(shù)優(yōu)越性。

2 無人機機載激光雷達系統(tǒng)

在輸電線路巡線過程中，如果利用的是無人機機載激光雷達的方式，就需要進行無人機機載激光雷達系統(tǒng)的設(shè)計，這一系統(tǒng)內(nèi)往往包含了多個構(gòu)成要素，其中激光掃描頭主要是進行設(shè)備線視場內(nèi)的測距信息序列獲取的；而位置姿態(tài)子系統(tǒng)主要進行的是每一個測距時刻所對應的地理位置和姿態(tài)信息采集；時間同步模塊的存在，使得激光掃描頭能夠與位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)保持同一時間狀態(tài)下的工作狀態(tài)，也就可以使得整個的測量工作進行中，能夠在時間同步模塊的輔助下確保后續(xù)數(shù)據(jù)解密工作的高效實施；控制和存儲子系統(tǒng)負責在整個測量工作中的信息與數(shù)據(jù)整合與存儲；電源模塊是為了給整個無人機機載雷達系統(tǒng)的運行提供充足的電力資源。從總體來看，無人機機載激光雷達系統(tǒng)中，其系統(tǒng)構(gòu)成十分復雜，在系統(tǒng)內(nèi)包含了多個的要素，為確保信息采集和處理的全面實施，必須要確保系統(tǒng)內(nèi)每個構(gòu)成要素的高度配合與協(xié)調(diào)。

2.1 無人機系統(tǒng)

無人機屬于一種動力飛行器，在利用其開展相應的測量任務時，完全兼具自主飛行、遠程引導的特征。無人機機載激光雷達系統(tǒng)的應用中，無人機系統(tǒng)的構(gòu)成十分復雜，因為無人機可搭載相機、定位系統(tǒng)或者信息傳輸系統(tǒng)等，使得在當下的應急救援、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，對于無人機系統(tǒng)都有著極為廣泛的應用[1]。根據(jù)無人機系統(tǒng)的構(gòu)成，除了基本的無人機本體，還包含飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)、地面監(jiān)控站，在利用無人機開展相應的測繪任務時，不同部分之間的高度配合，保障了無人機在飛行過程中的數(shù)據(jù)采集。

2.2 機載激光雷達

機載激光雷達的構(gòu)成復雜，激光掃描儀、GPS、IMU、數(shù)碼相機等均是其中不可或缺的設(shè)備，經(jīng)由不同構(gòu)成部分之間的相互配合，有效發(fā)揮了機載激光雷達在數(shù)據(jù)采集、處理方面的作用。在將其應用在輸電線路巡線時，激光掃描儀可以自動進行輸電線路通道點云數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)由GPS定位系統(tǒng)的輔助，也就可以將前期所得到的通道數(shù)據(jù)實施坐標轉(zhuǎn)換，進而得到被測量實體的三維坐標系信息。

3 輸電線路激光點云的采集及數(shù)據(jù)處理

3.1 激光點云數(shù)據(jù)采集

輸電線路巡線中采用無人機機載激光雷達，最為基礎(chǔ)性的環(huán)節(jié)就是要進行點云數(shù)據(jù)的采集，為了通過巡線來及時發(fā)現(xiàn)輸電線路中所存在的問題，相關(guān)人員必須要將所采集到的點云數(shù)據(jù)加以存儲和處理、分析。事實上，點云數(shù)據(jù)采集中，為保障點云數(shù)據(jù)的完整性和準確性，首先要做好前期的準備工作，不僅要安排專業(yè)人員深入到現(xiàn)場來開展勘察和調(diào)查，更要進行科學的航線設(shè)計。實際勘察工作主要是為了幫助相關(guān)測量人員及時了解測區(qū)范圍內(nèi)的邊界、地形地貌、交通等基本情況，在航線設(shè)計的過程中，要嚴格遵循經(jīng)濟性、高效性的標準，使得最終的航線設(shè)計可以滿足無人機飛行測量的要求，保障經(jīng)由該航線設(shè)計，能夠獲得完整、準確的點云數(shù)據(jù)[2]。

點云數(shù)據(jù)的采集方面，包含了控制測量、數(shù)據(jù)采集和補測，首先，控制測量工作中，相關(guān)測量人員通過選點埋石、網(wǎng)型設(shè)計與測量、數(shù)據(jù)解析等多個流程來構(gòu)建完善的點云數(shù)據(jù)坐標基準。其次，數(shù)據(jù)的采集工作中，為提高采集效率和精度，應在現(xiàn)場開展專業(yè)設(shè)備的安裝，當安裝作業(yè)結(jié)束且檢查通過后，進入試飛爬升、自主巡航和返回降落的階段，使得這些設(shè)備或者參數(shù)設(shè)計都能夠符合數(shù)據(jù)采集的基本要求。補測是要在前期外業(yè)采集的基礎(chǔ)上進行，對于一些漏飛或者點云密度不符合要求的地方開展再次的測量。

3.2 點云數(shù)據(jù)處理

在利用無人機機載激光雷達開展輸電線路巡線的過程中，點云數(shù)據(jù)的處理尤為關(guān)鍵，激光點云和影像數(shù)據(jù)的處理流程都十分復雜，具體包含了多個的處理流程，只有嚴格執(zhí)行了這些處理環(huán)節(jié)，才能夠有效提升點云數(shù)據(jù)的利用價值。

3.2.1 數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)預處理作為基礎(chǔ)性的環(huán)節(jié)，在處理的過程中，重點是要進行數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、軌跡解算和點云數(shù)據(jù)解算。在數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查環(huán)節(jié)，相關(guān)檢查人員要對機載雷達POS數(shù)據(jù)的完整性、前后兩天時間與不同架次數(shù)據(jù)的拼接情況加以全面檢查。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時要將地面基站和機載POS系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為通用的數(shù)據(jù)格式，重點開展的是格式轉(zhuǎn)變，經(jīng)由軌跡解算以后也就得到了飛行平臺的三維坐標信息。首先開展航跡文件的處理，將無人機飛行過程中的GPS基站、流動站、IMU數(shù)據(jù)開展組合導航解算，當由專業(yè)人員檢查結(jié)束且不存在任何問題以后，自動輸出航跡文件。其次，點云數(shù)據(jù)的處理方面，首先要進行激光原始數(shù)據(jù)文件、航跡文件，在此基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)校驗參數(shù)的科學優(yōu)化，保障坐標變換矩陣的科學性，隨后在激光點反射率、距離的基礎(chǔ)上開展粗濾波過濾噪點，最終所得到的點云直接保存下來，就是預處理的結(jié)果。

3.2.2 激光雷達數(shù)據(jù)處理及3D數(shù)據(jù)處理。激光雷達數(shù)據(jù)處理與3D數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，專業(yè)人員要及時將測區(qū)中的LiDAR 點云裁切為小范圍數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)要能夠給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理流程提供便捷。在此環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理中，同樣要進行航帶拼接誤差的調(diào)整，如果重疊區(qū)域內(nèi)針對有多條航帶的點云，需由專業(yè)人員對數(shù)據(jù)加以粗分類。伴隨著無人機飛行作業(yè)的進行，在輸電線路通道內(nèi)因為存在有很多的無關(guān)要素，這些要素都會最終影響到點云數(shù)據(jù)精度，因此，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，同樣要對這些影響因素加以全面控制，消除由于地物、輸電線、桿塔等外形、材質(zhì)等引起的點云數(shù)據(jù)噪聲點，當然，無人機飛行中的減速、轉(zhuǎn)彎或者地面起伏等情況，也會導致一定的噪聲點存在。如果在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)忽略了去噪處理，勢必會導致點云數(shù)據(jù)的精度不足，因此，針對這一情況，在點云數(shù)據(jù)的處理中，同樣要做好去噪處理。

在無人機機載激光雷達的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，因為一次性采集通道內(nèi)的全部目標，也就使得在整個的采集工作進行時，往往會采集到很多的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的種類繁多且數(shù)量龐大[3]。為了根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)來進行地物的有效區(qū)分，并結(jié)合不同地物點云測算地物與輸電線路的距離和交叉跨越距離的信息，就必須要進行點云數(shù)據(jù)的分類。根據(jù)一般經(jīng)驗，輸電線路的通道點云一般有電力線、桿塔、高低植被、建筑和道路等多種區(qū)分，而準確實現(xiàn)對目標的區(qū)分，一般要采用不同的顏色對分類以后的點云加以劃分，濾波分類法更為有效。

3.2.3 數(shù)字高程模型（DEM）處理。數(shù)字高程模型處理環(huán)節(jié)，在模型建立的過程中，要根據(jù)前期分類以后所得到的地面點來進行建立，但整個測量工作進行時，由于存在不完整區(qū)域，這些區(qū)域可能是由于激光點采集、過濾方面的問題所引起，針對這些區(qū)域，一般要通過添加特征線數(shù)據(jù)的方式來完成補充，最后使用雙線性內(nèi)插法來進行三角網(wǎng)模型的構(gòu)建。

3.2.4 數(shù)字表面模型（DSM）處理。在點云分類基礎(chǔ)上所獲得的地面點、非地面點、噪點等數(shù)據(jù)，在將其中的噪點完全去除以后，再將地面點、非地面點嚴格按照相應的標準來實現(xiàn)最終的處理，最終來獲得數(shù)字表面模型。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段的輸電線路巡線工作進行中，無人機機載激光雷達的優(yōu)勢突出，有效改變了傳統(tǒng)的人工巡線方式限制，整體的效率偏高且具有一定的自動化。未來隨著電力事業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，輸電線路巡線中的無人機機載激光雷達勢必會得到越來越廣泛的應用。