三維激光雷達在輸電線路機巡中的應(yīng)用

王珂 張攀

摘? 要：原來的輸電線路巡查采用人工的方式，工作效率無法得到保證。本文對機載激光雷達工作原理進行分析，并對三維激光雷達在輸電線中的應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞：機載激光三維激光雷達;輸電線路;巡線

最近十多年來，激光雷達技術(shù)被廣泛應(yīng)用于遙感測量領(lǐng)域，性能最為先進的為三維航空遙感測量技術(shù)，不會受到地面植被的影響，原來所采取的航空遙感技術(shù)無法實現(xiàn)該性能。機載激光雷達技術(shù)可以更為直接、準確地得到三維空間中的數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進行自動處理，在不接觸被測量物體時實現(xiàn)較高精度、密度，數(shù)字化的測量手段不需要投入更多的資金，可以用于對輸電線路巡查工作，可效的減小電力巡線工作的強度。

1機載激光雷達工作原理

機載三維激光雷達主要由控制單元、飛行平臺、定位和慣性測量模塊、激光掃描裝置等構(gòu)成。飛行平臺可采用直升飛機或固定翼飛機，激光掃描裝置主要有相位測距掃描和脈沖測距掃描儀。定位和慣性測量模塊主要由GPS及慣性測量裝置構(gòu)成。為了提高測量精度，還需要在機載激光雷達系統(tǒng)內(nèi)配置高精度數(shù)碼相機。

每個傳感器被固定到飛機相對位置，保證每個傳感器可以在時間上達到同步。GPS可以用來接收飛行時獲取到的位置信息，IMU用于記載飛機產(chǎn)生的航向角度、俯仰角度和側(cè)滾角等飛機姿態(tài)信息。三維激光掃描儀及數(shù)碼相機采用固定的頻率對航行區(qū)域進行攝像，激光掃描儀向地面輸出激光脈沖，然后依據(jù)激光脈沖從輸出到接收激光所需要的時間來計算掃描設(shè)備到地面光斑相互間的距離，利用DGPS來獲取到掃描裝置的三維坐標，采用高精度慣性測量儀IMU就可以獲取到激光掃描儀工作瞬時空間姿態(tài)參數(shù)，主要參數(shù)有航偏角К、傾斜角φ及旁向傾角ω，從而建立起空間幾何與參數(shù)間的關(guān)系，從確定出地表激光位置點三維坐標（x，y，z）：

+R，公式中的R是旋轉(zhuǎn)矩陣。

2三維激光雷達在輸電線中的應(yīng)用

2.1三維激光雷達技術(shù)在輸電線路勘探測量中的應(yīng)用

機載方式的激光雷達數(shù)據(jù)信息，主要有回波強度圖像、激光點云等數(shù)據(jù)信息。一般情況下，可應(yīng)用激光點云數(shù)據(jù)來劃分類型，主要有非地表激光點云數(shù)據(jù)、地面激光點云數(shù)據(jù)，從而形成DEM數(shù)據(jù)信息。應(yīng)用形成的DEM數(shù)據(jù)信息和航空數(shù)碼影像方位元素，比如，飛行過程中機載三維激光雷達應(yīng)用DGPS及IMU得到的航空數(shù)碼影像外方位元素，再對航空數(shù)碼影像采取正射糾正的辦法來建立起DOM數(shù)據(jù)，也可以應(yīng)用激光點云數(shù)據(jù)來形成DSM，或者對輸電線路附近的房屋、道路和植被等信息進行有效的采集。

把激光點云數(shù)據(jù)及及航空數(shù)碼影像數(shù)據(jù)進行自動處理，從而形成DEM及DOM，對二者進行疊加可以建立起輸電線路走廊三維圖像，使輸電線路變得更為直觀，可以模擬出輸電線路作業(yè)區(qū)的地貌特點，電力設(shè)計人員可以在三維圖像中來對輸電路徑進行優(yōu)化選擇，主要有輸電線路路徑、立體空間測量、對建筑物等繞行、土方開挖量的計算和拆遷費用計算等，可以使后續(xù)輸電線路區(qū)域所需要的拆遷工作變得更為快捷，對工程量進行準確的評估和計算，從而制定出最佳的決定方案。在內(nèi)業(yè)平斷面進行測圖時，施工作業(yè)人員可以在三維圖像中對平面物體和危險點進行采集，斷面數(shù)據(jù)可以從DEM數(shù)據(jù)信息內(nèi)提取出來。三維激光雷達與原來采用的航空攝影技術(shù)對比來看，具有下述多種優(yōu)勢：1）具有較高精度的DEM和DOM數(shù)據(jù)信息，可以通過激光點云數(shù)據(jù)進行支持，可以對地面地形和物體進行識別和判斷，對空間位置信息進行測量，獲取到數(shù)據(jù)信息更為快速、準確，輸電線路的選擇和優(yōu)化更為全面。特別在植被覆蓋區(qū)中，平斷面精度可以得到保證，塔位確定的更為科學(xué)、合理。2）可以為輸電線路的終勘定位，或者施工作業(yè)時改線提供數(shù)據(jù)支持。對選線平臺進行優(yōu)化和改進時，不再單獨配置航空攝影測量設(shè)備，電力設(shè)計人員可以應(yīng)用便攜式裝置在野外條件下就可以完成選線工作，然后按著即時斷面數(shù)據(jù)信息來進行預(yù)排桿工作。3）可以更好的提高施工作業(yè)效率，施工成本得到有效控制。輸電線路雷達測量數(shù)據(jù)信息進行自動化處理，不再進行航外像控測量，野外環(huán)境開展的調(diào)繪工作會大幅減少，利用三維圖像進行選線更加便捷，電力設(shè)計人員可以從空間上掌握好輸電線路的路徑。4）輸電線路選線時可以提供豐富的輔助信息。應(yīng)用激光點云數(shù)據(jù)，可以在輸電線路選線時更為便捷地向電力設(shè)計人員提供詳細的塔高、房高等數(shù)據(jù)信息。5）采用精度較高的三維激光雷達技術(shù)，可在數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)過程中組建起三維模型，可以更好的滿足電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)要求。

2.2三維激光雷達在輸電線路巡線中的應(yīng)用

對建成并投入應(yīng)用的輸電線路進行巡線，是保證供電網(wǎng)絡(luò)安全的重要措施，是運營維護管理部門開展的重要工作。對輸電線路進行定期的巡查，可以及時發(fā)現(xiàn)線路的安全隱患，保證輸電線路的安全、穩(wěn)定供電。對巡查過程中發(fā)現(xiàn)的線路安全隱患，比如，可以及時發(fā)現(xiàn)輸電線路走廊是否存在違章建筑，或違章施工等。原來的輸電線路運行維護方式，工作人員勞動強度較大，工作效率也無法得到保證，尤其有輸電線路出現(xiàn)突發(fā)故障，或者在異常氣候條件下，輸電線路運行維護人員需要乘座交通工具，或者地面行走的方式，采用普通的故障診斷設(shè)備，或者憑借經(jīng)驗來對輸電線路和電力設(shè)備故障進行判斷，這與信息化時代的快捷、高效完全不符，需要建立起滿足當前智能電網(wǎng)要求的巡線技術(shù)，采用機載三維激光雷達進行巡線可以有效的提高工作效率。

利用機載三維激光雷達對輸電線路進行巡線時，如果輸出的激光束碰到樹木、電纜等物體時，采集到信號返回到探測器時就可以獲取到具體的空間位置信息，在對多個激光回波信號進行記錄和存儲時，需要針對不同的回波信息進行分析和處理，就可以得到樹冠底在地面信息和樹木高度。較高密度的LIDAR數(shù)據(jù)信息可以系統(tǒng)地建立起樹冠模型，并對樹冠形狀進行評估和描述，光譜信息可在數(shù)字影像中提取出來，近紅外影像技術(shù)可以識別出闊葉類樹木及針葉樹。所以，對采集到的數(shù)據(jù)信息進行分析處理，可以對植被覆蓋情況進行區(qū)別，從而得到樹木的高度、種類和體積，對輸電線路附近的樹森生產(chǎn)情況進行動態(tài)的監(jiān)測。為了對輸電線路通道樹木自然生長率情況進行掌握，應(yīng)該按著運行規(guī)程的要求，采用直升機裝載三維激光雷達來過行掃描測繪，可以獲取到樹木最為合理的剪伐量，保證輸電線路的安全運行。

3結(jié)論與建議

直升機巡線可以更為方便地發(fā)現(xiàn)輸電線路故障和缺陷，這是傳統(tǒng)的故障測量儀器無法比擬的，取代原來的人工巡線方式，可以把巡線工作深入到山川及河流等人員難以靠近的區(qū)域，有效地提升了輸電線路巡查效率，及時發(fā)現(xiàn)輸電線路存在的安全隱患，保證輸電線路的安全性、可靠性，可以得到較好的經(jīng)濟效益和社會效益。但機載三維激光雷達技術(shù)需要投入較高成本，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，雷達設(shè)備的購置費用會進一步降低，會在電網(wǎng)維護管理中得到廣泛的應(yīng)用。

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作者簡介：王珂（1987.4-），男，廣西南寧人，南寧供電局輸電管理所運行專責(zé)，工程師，單位：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局。

張攀（1987.02-），男，河南商丘人，廣西大學(xué)電氣工程研究生，工程師，工作單位：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局，研究方向：輸電線路。