基于機載激光雷達智能測距輸電線路樹障的方法研究

摘要：近年來，中國的林業產業的快速發展，部分電力線路隱藏于茂密的樹木內。由于線路內多發的安全距離，線路內線路閃絡、停電、森林火災等事故，給輸電線路的安全運行帶來了極大的災難。傳統的測量方法如用全站儀或手持式激光測距儀對地面的樹木安全距離進行測量和管理，成本高，效率低。

關鍵詞：機載激光雷達；智能測距；輸電線路樹障

引言

提出了機載激光雷達的智能定位基于故障樹的方法，傳輸線的基本思路，介紹了機載激光雷達的智能測距設備的組成和結構，詳細分析了機載激光雷達的智能定位輸電線路樹障和關鍵技術方法，并對預測方法在試點運行情況的基礎上應用。

1、智能測距硬件組成

機載三維激光掃描設備是實現智能測距方法的硬件支撐，主要由數字激光掃描儀、高分辨率相機、POS系統和機載計算機集成，其中激光掃描儀發射激光脈沖并接收物體表面反射激光點云；高分辨率相機采集線路走廊正射影像；機載POS系統是由GPS接收機和慣性測量裝置（IMU）組合而成的高精度定位定向系統，為激光掃描儀和相機提供所需要的外方位元素；機載計算機控制數據采集并保證數據同步，同時存儲基礎測量數據。機載計算機一般安裝在機艙內，外接操作和導航終端。數字激光掃描儀、高分辨率相機、POS系統等多傳感器標定集成整體后通過云臺和直升機連接，使用高性能的云臺能減少直升機震動對影像、激光點云獲取準確性的影響，能補償直升機飛行傾角變化，改善后續成果的質量。機載激光雷達智能測距設備整體組成及結構如圖1、2所示：

2、智能測距方法

2.1數據采集階段

使用直升機機載激光雷達對輸電線路走廊進行飛行掃描，首先根據數據采集要求制定直升機掃描作業方案和實施方案，明確激光掃描設備安裝調試和掃描飛行技術措施，充分考慮輸電線路的走向、走廊寬度、導線排列方式等因素，設計飛行航帶，布設測繪基準點，確定原始激光數據、影像數據、導航數據的格式和精度指標。直升機機載激光雷達通過起飛前準備、校驗飛行、掃描作業、原始數據質量檢查等一系列標準化作業流程完成數據采集。

2.2數據后處理階段

對采集的原始數據先進行預處理，激光點云方面，按照三維激光掃描數據分類標準規范，在對激光點云進行大地定向、檢校和坐標轉換后，利用專業激光分類軟件對地面和非地面的激光點云進行自定義分類，有效識別和提取出高密度、高精度的線路導線、桿塔、樹木、交叉跨越、建筑、地表的激光點云，采用分類后地面激光點云生成精細數字高程模型（DEM），線路導線、樹木、交叉跨越、建筑等非地面激光點云則通過參照影像數據進行三維可視化高程渲染；影像數據方面，利用機載POS系統所獲取的影像外方位元素和分類后的激光點云，對航攝的輸電線路走廊影像進行糾正影像的鑲嵌拼接，生成數字正射影像（DOM）。基于上述預處理成果，將數字高程模型、數字正射影像、非地面激光點云進行配準疊置，匹配實際坐標，結合矢量化地圖發布矢量數據，進行三維空間數據對象分類提取、標識、空間屬性匹配、建立邏輯關系和模塊化，形成導線、桿塔、樹木、建筑和地面的分類對象空間專題圖層信息，實現輸電線路走廊三維數字模型構建，可以真實反映采集瞬間的輸電線路走廊的三維空間情況，包括走廊地形、地物和導線弧垂、掛點、桿塔等線路設施設備的實際運行空間信息。

3、關鍵技術

3.1海量數據高效處理

傳統直升機機載激光雷達測繪掃描作業，每天飛行作業6小時的影像、點云數據及POS數據會達到TB級，數據量十分龐大。進行直升機機載激光雷達智能測距樹障，由于主要關注線路走廊內樹木和建筑物的影響，因此對采集的非地面激光點云進行精簡，分類濾波出導線、樹木和建筑物的激光點云，從源頭將每天數據容量降為GB級，大幅減少數據處理的工作量。研究組建專用光纖網絡，提高I/O連通性，構建采集數據的批量快速存取通道，縮減采集數據的存儲時間。搭建基于hadoop大數據技術的分布式云計算架構，提高激光點云分類、渲染、建模和應用方面的分析處理能力，最終實現海量數據的高效處理。

3.2準確模擬輸電線路導線、樹木

實際掃描輸電線路導線、樹木采集的激光點云是離散的，無法全面準確展示各個空間對象，針對上述問題，導線部分通過懸掛點激光點云使用架空線懸鏈線方程計算弧垂和線長，結合激光點云校正還原導線曲線；樹木部分則融合激光點云空間結構信息和影像紋理信息來解決樹木激光點云不均的問題；通過上述技術實現穩定可靠的線路導線及周圍交跨樹木的三維測量，從而準確評估線路導線到周圍交跨樹木的相對距離。

3.3模擬不同狀態下安全距離分析

模擬最高氣溫、最大覆冰無風、最大設計風速無覆冰等多種氣象設計條件，基于線路實際的激光點云數據和環境參數進行線路各種狀態下導線安全距離檢測，可以進一步提升線路防災抗災水平。

4、結語

機載激光雷達可以更好地解決空間分析和三維測量，與直升機飛行快速掃描的數據采集，方便快捷的優勢非常明顯，通過系統分析可以準確和有效地測量信道特征（尤其是樹木）線的線間距，進行直升機機載激光雷達情報手工測量存在范圍優勢無可比擬的隱患排查，根據樹行，進一步拓寬了架空輸電線路直升機巡檢操作業務。利用三維激光雷達掃描數據加深對直升機機載激光雷達的智能定位輸電線路故障樹的進一步開發應用將逐步進入常規應用階段。

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