基于無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路導(dǎo)地線路研究

高 駿，胡曉龍，徐嘉汗

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司建德市供電公司，浙江 建德 311600）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展改變了各行各業(yè)的工作形式，工作生產(chǎn)更加高效。無人機(jī)作為新型科學(xué)技術(shù)中最具代表性的產(chǎn)物，得到廣泛應(yīng)用。在雷達(dá)檢測技術(shù)的創(chuàng)新下，基于科學(xué)技術(shù)的融合產(chǎn)生了無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）激光雷達(dá)技術(shù)。其中，無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)結(jié)合無人機(jī)遙感傳感技術(shù)的優(yōu)勢特點，依托于電磁波技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效采集與分類處理，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)采集與分析，且受外部因素影響較低，抗干擾能力較強(qiáng)。為實現(xiàn)輸電線路科學(xué)化運維，本文進(jìn)行了基于無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置研制的專題研究，以此來豐富機(jī)載雷達(dá)檢測技術(shù)的應(yīng)用層面。

1 輸電線路三模型構(gòu)建

1.1 激光點云數(shù)據(jù)分類

在無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置研制中，可基于濾波法的應(yīng)用對點云與地面數(shù)據(jù)的分離，具體要結(jié)合實際地形起伏特點來調(diào)整濾波參數(shù)，為增強(qiáng)輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置的適用性，使其在輸電線路運維管理中能夠適用于異型地形復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境中[1]。本研究結(jié)合無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)的多樣性與輸電線路通道原始位置數(shù)據(jù)來進(jìn)行激光點云數(shù)據(jù)的劃分，具體運用的技術(shù)軟件見表1。

表1 技術(shù)軟件統(tǒng)計表

基于學(xué)習(xí)與借鑒國內(nèi)外研究成果，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)輸電線路、數(shù)目、桿塔及建筑物幾何特征有明顯差異，運用無人機(jī)單線激光雷達(dá)系統(tǒng)的方向特征分離輸電線路桿塔點云數(shù)據(jù)。圖1為無人機(jī)單線激光雷達(dá)系統(tǒng)實物。

圖1 無人機(jī)單線激光雷達(dá)系統(tǒng)

為使基于無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置具備較強(qiáng)的實用性，在三維模型構(gòu)建中要結(jié)合自適應(yīng)鄰域計算來明確激光點最佳鄰域半徑，并結(jié)合矩陣奇異值分解法計算不同類型的激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，計算公式為

式中：A代表無人機(jī)單線激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)鄰域內(nèi)點集構(gòu)建的協(xié)方差矩陣；U和V代表正交矩陣；A=diag(λ1，λ2， …，λn)是 對 角 矩 陣， 對 角 元 素 λ1，λ2，…，λn為矩陣A的奇異值，數(shù)值的大小將決定信息量表達(dá)的數(shù)量，數(shù)值越小則表達(dá)數(shù)量越少，越大就代表相關(guān)信息量表達(dá)越多，本研究以前3個奇異值λ1,λ2,λ3為例進(jìn)行計算，具體計算公式為

式中：a1d、a2d、a3d代表X、Y、Z三維立體坐標(biāo)軸上的維度特征，a1d+a2d+a3d=1。

在輸電線路運維管理方面，基于多種地物具備的多樣性點云空間分布特性來看，大部分輸電線路導(dǎo)地線存在于樹木叢生的環(huán)境中，該環(huán)境的特征為不規(guī)則性，在研制跟隨裝置時會出現(xiàn)因點云空間存有多向同性分布的特點，導(dǎo)致X、Y、Z坐標(biāo)軸的維度特征更加相近，形態(tài)為球狀目標(biāo)。從用電供應(yīng)的角度來看，在建筑物供電中，該物體的結(jié)構(gòu)一般為類長方體，點云空間中2個維度特征大于第3個，則坐標(biāo)軸維度特征a1d≈a2d＞a3d，形態(tài)為面狀目標(biāo)[2]。所以，在輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置研制中，通過運用無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合該項技術(shù)的航測參數(shù)來提取有關(guān)建筑物、數(shù)目及輸電線路的點云數(shù)據(jù)，航測參數(shù)見表2。輸電線路導(dǎo)地線平行于水平面，同輸電線路桿塔為90°垂直，可基于輸電線路導(dǎo)地線的方向特征來分離線路桿塔點，設(shè)置跟隨裝置。

表2 無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)航測參數(shù)

1.2 輸電線路導(dǎo)地線擬合

運用無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行輸電線路導(dǎo)地線分離時，維度與方向特征的分離需預(yù)留部分桿塔點，這種方式會對輸電線路導(dǎo)地線分離效果產(chǎn)生影響。結(jié)合輸電線路導(dǎo)線的形態(tài)來看，通常以一定弧度的曲線為準(zhǔn)，要嚴(yán)格禁止以桿塔兩端直接進(jìn)行連接，直線連接的方式會影響輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置的精度，使該設(shè)備在技術(shù)層面難以符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。需采取擬合計算的方式來明確輸電線路導(dǎo)地線模型的空間姿態(tài)[3]。從桿塔懸垂導(dǎo)地線三維空間姿態(tài)來看，在無人機(jī)單線極廣雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用中，關(guān)于輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置的設(shè)置還需以懸鏈線方程對多種數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分類與求解，具體步驟見圖2。

圖2 懸鏈線方程的輸電線路無序?qū)У鼐€數(shù)據(jù)擬合計算步驟

1.3 安全距離計算

運用無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)計算出輸電線路、地物、導(dǎo)地線激光的點云數(shù)據(jù)，以此來明確輸電線路導(dǎo)地線與地物的距離，依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計算安全距離。同時，可基于無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)來構(gòu)建通輸電線路導(dǎo)地線點云數(shù)據(jù)濾波后的數(shù)字高程模型，以模型分析的方式研制輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置。依據(jù)輸電線路導(dǎo)地線和地物安全距離的計算來得出科學(xué)合理的安全距離，以明確跟隨裝置設(shè)置的距離，加強(qiáng)對風(fēng)險點的管控，為跟隨裝置后續(xù)研制提供依據(jù)，步驟如下文所述。

（1）結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)提出的跟隨裝置研制方法，網(wǎng)格單元都以邊長1 m正方形為準(zhǔn)。（2）結(jié)合無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用計算輸電線路導(dǎo)地線中不同網(wǎng)格導(dǎo)地線和地物的安全距離，其中涉及到水平、垂直以及直接凈距離?？紤]到輸電線路走廊的形態(tài)特征，結(jié)合外樹木倒伏產(chǎn)生的風(fēng)險因素，在計算中還需結(jié)合對樹木倒伏時，頂點和輸電線路導(dǎo)地線安全距離進(jìn)行計算[4]。同時，要依據(jù)網(wǎng)格內(nèi)樹木點云數(shù)據(jù)的中心點與樹木高度來計算倒伏過程中圓弧的中心點，從而獲取圓弧的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步明確圓弧和跟隨裝置的安全距離。（3）該步驟以步驟（2）的跟隨裝置研制法為基礎(chǔ)，計算相鄰網(wǎng)格輸電線路導(dǎo)地線和網(wǎng)格的安全距離。（4）結(jié)合輸電線路運維管理的新規(guī)程計算出不同網(wǎng)格間的安全距離，基于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來比較安全距離，若安全距離數(shù)值不符合標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則需對輸電線路導(dǎo)地線風(fēng)險因素進(jìn)行檢測，并進(jìn)行走廊清理，最后對出風(fēng)險點坐標(biāo)位置進(jìn)行計算。

2 實現(xiàn)的主要功能與應(yīng)用效果

2.1 實現(xiàn)的功能

基于無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)來研究輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置功能的實現(xiàn)，以距離測量為準(zhǔn)，為凸顯跟隨裝置在輸電線路運維管理中的效用，還需獲取輸電線路導(dǎo)地線運行的相關(guān)數(shù)據(jù)信息來加強(qiáng)對輸電線路設(shè)備的管理。在設(shè)備出現(xiàn)故障時，跟隨裝置能夠基于無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)對數(shù)據(jù)信息的有效采集與準(zhǔn)確性分析來獲取高精度點云數(shù)據(jù)，進(jìn)而對不同物體與跟隨裝置間安全距離進(jìn)行測算，從而滿足跟隨裝置在輸電線路運維管理中應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與基本要求，以此來增強(qiáng)輸電線路運維管理的科學(xué)性、合理性及規(guī)范性。此外，跟隨裝置的研制有助于線路資產(chǎn)管理的實現(xiàn)，運用無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)來構(gòu)建三位模型，獲取點云與高清影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)信息的分類整合可通過輸電線路導(dǎo)地線屬性參數(shù)的錄入，實現(xiàn)線路資產(chǎn)管理[5]。

2.2 應(yīng)用效果

無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置的應(yīng)用能夠自動巡檢，實現(xiàn)對輸電線路的動態(tài)監(jiān)管，以無人機(jī)巡視的工作形式替代傳統(tǒng)人工巡檢的輸電線路運維管理形式，促進(jìn)輸電線路運維管理效率及水平的提高。運用機(jī)載單線激光雷達(dá)系統(tǒng)來實現(xiàn)對電線塔、電力線及附近植被地物點云數(shù)據(jù)的有效采集，以數(shù)據(jù)分析的方式構(gòu)建三維模型，從而實現(xiàn)對輸電線路的精準(zhǔn)測算，掌握真實有效的數(shù)據(jù)信息，能夠避免線路事故停電，降低經(jīng)濟(jì)損失[6]。

3 結(jié) 論

在輸電線路運維中，運用無人機(jī)單線激光雷達(dá)技術(shù)來研究輸電線路導(dǎo)地線跟隨裝置，借助跟隨機(jī)制來加強(qiáng)對輸電線路的運維管理，確保輸電線路能夠平穩(wěn)、安全的運行。以科學(xué)化準(zhǔn)確跟隨的特點來了解輸電線路導(dǎo)地線運行的實際情況，以動態(tài)監(jiān)管的方式基于奇異值組合來明確三維立體坐標(biāo)軸上維度和方向的特征，從而實現(xiàn)對輸電線路中導(dǎo)地線、桿塔和地物的有效管理。基于創(chuàng)新性跟隨裝置的研制，能夠為輸電線路走廊清理方案的設(shè)計與完善提供依據(jù)。