組合激光雷達系統(tǒng)在輸電線路測量中的應用

林宇龍，李冰，白征東，程宇航

(1.國網冀北電力有限公司， 北京 100053； 2.清華大學 土木工程系， 北京 100084)

0 引 言

隨著我國國民經濟快速發(fā)展，電力網絡規(guī)模不斷擴大，高效、有序地對電力網絡進行管理并保證其正常運行成為電力系統(tǒng)建設中的重要問題[1]。輸電線路作為電力網絡的主要組成部分，可以將電能輸送至全國各地，發(fā)揮著至關重要的作用[2-3]。但是，傳統(tǒng)的人工測量輸電線路的方法已經無法匹配電力網絡建設的速度，并且對于輸電線路途經區(qū)域地形復雜、環(huán)境惡劣的情況，傳統(tǒng)人工測量方法的效率和精度都較低[4-6]。

機載激光雷達系統(tǒng)以無人機為載體，以激光脈沖為測量媒介，可以同時采集測量區(qū)域的高精度點云數據和高分辨率圖像，具有測量速度快、精度高、全數字特征等特點，在輸電線路測量中得到了廣泛應用[7-11]。其中，點云數據是激光雷達的基本輸出，通用的文件格式是三維坐標文件，包含每一個點的三維坐標值，除此之外可能含有顏色信息或者反射強度信息。使用激光雷達測量電塔、輸電線、通道和相間間隔棒，可以建立輸電線、電塔的電子臺賬，對電力網絡的安全運行具有實際意義[12]。

然而，由于機載飛行平臺所搭載的激光雷達重量所限，其掃描分辨率一般較低，所以機載激光雷達系統(tǒng)采集到的點云數據中點與點的間隔較大，無法得到電塔的精細點云數據。鑒于此，文中提出一種機載激光雷達系統(tǒng)與地面激光掃描儀協同工作的輸電線路測量方案，可以采集輸電線路的精細點云數據，實現輸電線路走廊中危險點的檢測[13]以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測[14]，圖1給出了組合激光雷達系統(tǒng)的工作流程。

圖1 組合激光雷達系統(tǒng)工作流程Fig.1 Combined laser radar system workflow

1 機載激光雷達系統(tǒng)及其工作流程

機載激光雷達系統(tǒng)集全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)和激光測距技術(Light Detection and Ranging，LiDAR)于一體，可以主動式、無接觸地采集測量對象的空間信息。具體工作流程如圖2所示，包括飛行設計、數據采集、數據融合解算3個步驟。

圖2 機載激光雷達系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of airborne lidar system

1.1 飛行設計

飛行設計包括無人機和激光雷達設備的選型以及飛行航線的規(guī)劃。文中選用多旋翼無人機，搭載Rigel mini VUX-1UAV激光雷達系統(tǒng)(參數如表1所示)進行點云數據的采集，可以將電力線軌跡導入系統(tǒng)，通過調節(jié)分辨率和條帶覆蓋寬度，根據地形信息限制，自動生成安全跨線的條帶狀電力測量航線。

表1 激光雷達系統(tǒng)主要參數Tab.1 Parameters of lidar system

1.2 數據采集

機載激光雷達系統(tǒng)系統(tǒng)在進行輸電線路測量時，需要采集的數據有點云數據、高分辨率圖像、IMU觀測數據、無人機GNSS數據和基站GNSS數據。采集數據時，無人機操作人員需要通過遠程控制平臺對機載激光雷達系統(tǒng)的GNSS信號、影像質量、回波接收狀態(tài)和實時環(huán)境條件進行監(jiān)測并及時應對各種意外情況。

1.3 數據融合解算

為了得到輸電線路的整體點云數據，需要對機載激光雷達系統(tǒng)采集到的原始數據進行聯合解算，具體數據解算流程如圖3所示。

圖3 機載激光雷達系統(tǒng)數據解算流程Fig.3 Data solution flow chart of airborne lidar system

(1)RTK/PPK差分解算

實時載波相位差分技術(Real-Time Kinematic, RTK)在通信鏈路良好的情況下，可以基于流動站和基準站的GNSS觀測數據進行實時差分解算，得到厘米級的定位結果。而在山區(qū)進行輸電線路測量，通信鏈路較差的情況下，動態(tài)后處理技術(Post Processed Kinematic)可以在事后基于流動站和基準站的GNSS觀測數據進行實時差分解算，同樣能夠得到厘米級的定位結果。

(2)GNSS-IMU聯合解算

GNSS-IMU聯合解算是指將GNSS數據與慣性導航傳感器采集到的數據通過一定算法結合起來進行解算。GNSS具有精度高、誤差不隨時間發(fā)散的優(yōu)點，但其采樣率低且容易受遮擋影響；IMU具有采樣率高、短時精度高且受外界環(huán)境影響小的優(yōu)點，但其誤差隨時間累積。采用GNSS-IMU聯合解算可以獲得更高精度的定位數據，從而提高機載激光雷達的測量精度。

(3)點云數據定向

得到準確的定位結果后，聯合系統(tǒng)的參數可以獲取無人機的航跡文件，并為點云數據中的每一個點賦予坐標值，實現點云數據的定向。經機載激光雷達系統(tǒng)采集到的部分點云數據如圖4所示。

圖4 部分輸電線路走廊點云數據Fig.4 Part of point cloud data of transmission line corridor

2 地面激光掃描儀及其作業(yè)方案

地面激光掃描儀是激光掃描技術的又一載體，相比于機載激光雷達系統(tǒng)，地面激光掃描儀具有更高的掃描分辨率和測量精度，可以采集到測量對象更為精細的點云數據。

2.1 設備選型

文中采用的地面激光掃描儀型號為Leica ScanStation P50，掃描距離可達1 000 m，能夠在360°×290°的掃描視場內以1 000 000點/秒的速度進行數據采集，測距精度可達1.2 mm +10 ppm。

2.2 作業(yè)方案

利用地面激光掃描儀進行測量時，由于激光沿直線傳播且測量環(huán)境中遮擋物的存在，實際測量時需要對測量對象進行多測站多視角掃描，獲取測量對象的分站點云數據。然后將各個測站的點云數據進行拼接，得到測量對象的整體點云數據?？紤]到輸電線路測量區(qū)域大尺度、長條狀的特點，作業(yè)時采用已知后視點拼接方法，在掃描的同時完成數據拼接，這種方法可以兼顧拼接的精度與效率，示意圖如圖5所示。

圖5 已知后視點拼接示意圖Fig.5 Schematic diagram of known back-sight registration

作業(yè)方案的具體實施如下：

(1)測區(qū)踏勘。全面了解測區(qū)的范圍和地形特征，選取合適的測站點和后視點，完成測區(qū)草圖的繪制；

(2)坐標測量。采用GNSS接收機，利用RTK定位技術，測量各個測站點和后視點在WGS-84坐標系下的坐標并記錄；

(3)掃描。設定掃描儀測站信息并捕捉后視點標靶，設定合適的掃描范圍和掃描參數，對測量對象進行掃描。

3 輸電線路測量試驗

3.1 試驗概況

輸電線路測量試驗地點位于河北省張家口市張北縣，時間是2019年10月。輸電線路為張北500 kV高壓輸電線，全長約20公里呈帶狀分布，地形起伏較小。

3.1.1 機載激光雷達系統(tǒng)作業(yè)

根據我國電力營運安全規(guī)范DLT 741-2010《架空輸電線路運行規(guī)范》，對于500 kV的輸電線路，需要排查輸電線路走廊兩邊各20 m的走廊寬度。根據輸電線路高度、地形條件和測量要求，飛行高度為80 m ～140 m、相對于避雷線(最上層的電力線)20 m，掃描分辨率為3 cm，航向重疊率和旁向重疊率分別為80%和70%。飛行時由人工和自主飛行組成，在掃描飛行前先進行快速直線和“8”字繞行來進行GNSS/IMU組合導航的校準精度的提高，然后升高到預定高度，沿航線進行飛行掃描，掃描結束后飛出測量區(qū)域做完“8”字繞行和快速直線后返回降落。其中一個電塔的點云數據共包含55 580個點，如圖6所示。

圖6 電塔點云數據-機載激光雷達系統(tǒng)Fig.6 Point cloud data of electric tower-airborne lidar system

3.1.2 地面激光掃描儀作業(yè)

利用地面激光掃描儀對電塔進行測量時，每個電塔分兩站進行掃描，測站點和后視點的坐標通過GNSS接收機連接千尋知寸厘米級高精度定位服務，可以在幾秒內獲得厘米級定位結果。掃描范圍通過掃描儀內置相機確定，掃描分辨率為1.6 mm@10 m，最大測量距離為120 m，每個測站掃描時間約5 min。其中一個電塔的點云數據共包含889 287個點，如圖7所示。

圖7 電塔點云數據-地面激光掃描儀Fig.7 Point cloud data of electric tower-terrestrial laser scanner

3.2 試驗結果處理

由圖6、圖7可以看出，機載激光雷達系統(tǒng)獲取到的電塔點云數據中點與點的間隔較大，而地面激光掃描儀獲取到的電塔點云數據分辨率很高，桿塔結構清晰，絕緣子可見。為了獲取輸電線路的精細點云數據，可以將機載激光雷達系統(tǒng)和地面激光掃描儀采集到的點云數據融合在一起，如圖8所示。

圖8 融合點云數據Fig.8 Fusion point cloud data

其實質是兩組點云數據坐標系的轉換，通過選擇3個以上的同名特征點對，如電塔的角點、頂點，計算出兩個坐標系之間的轉換參數——旋轉矩陣R和平移向量T。

(1)

(2)

3.3 試驗結果應用

基于機載激光雷達系統(tǒng)和地面激光掃描儀獲取到的融合后的輸電線路點云數據，并根據DLT 741-2010《架空輸電線路運行規(guī)范》和輸電線路測量要求，可以實現輸電線路走廊中各個危險點的檢測以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測。實際試驗表明，組合激光雷達系統(tǒng)可以實現厘米級的測量結果可以滿足輸電線路的測量精度要求[15]。

3.3.1 危險點檢測

輸電線路點云數據中通常囊括了電塔、電力線、植被和地面等信息，在進行危險點檢測前，需要分類提取這些數據。在機載激光雷達系統(tǒng)數據處理軟件中，可以自動實現輸電線路點云數據的分類，分類結果如圖9所示。

圖9 輸電線路走廊點云數據分類圖Fig.9 Point cloud data classification diagram of transmission line corridor

在輸電線路點云數據分類結果的基礎上，可以對輸電線路走廊進行直觀的觀察并對電力線-植被、電力線-地面、電力線-建筑物和電力線-電力線等危險點進行檢測，每個危險點的位置、類型和相對距離都可以從點云數據中精確獲得，圖10給出了部分危險點檢測結果。

圖10 危險點檢測Fig.10 Danger point detection

3.3.2 電塔傾斜度與變形監(jiān)測

電塔的傾斜度與變形速率是判斷其在輸電線路運行過程中是否安全的重要依據，從點云數據中可以得到電塔幾何特征點的精確坐標，利用這些坐標數據可以計算出電塔的傾斜度。通過掃描不同時期的電塔點云數據，對比不同時期的電塔幾何特征點的相對位置即可實現電塔的變形監(jiān)測。

4 結束語

文中針對傳統(tǒng)人工測量輸電線路方法精度與效率較低的問題，提出一種機載激光雷達系統(tǒng)與地面激光掃描儀協同工作的組合激光雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用機載激光雷達系統(tǒng)采集輸電線路走廊點云數據，利用地面激光掃描儀采集電塔高精度點云數據，通過計算兩個坐標系之間的旋轉矩陣和平移向量，實現兩組點云數據的融合。試驗結果表明，該系統(tǒng)可以高效、準確地實現輸電線路走廊中危險點的檢測以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測，具有一定的實用價值。