基于激光雷達與傾斜攝影融合技術的電力巡檢系統設計

韓 光，陳龍慶，許 義，王 偉，路 健

(國網安徽省電力有限公司合肥供電公司，安徽 合肥 230022)

0 引言

電力系統的定期巡檢是電網安全運行的基本保障，但是隨著我國電網基礎設施的建設發展，電網電纜的規模劇增，在一些復雜電網線路中，架空輸電線路走廊存在交叉跨越的情況，線下也會有一些樹木、房屋、街道等復雜情況，僅僅依靠人工進行線纜維護無法實現巡檢的全覆蓋。集成了航空、通信、圖像采集和識別的無人機電力巡檢系統以它獨特的優勢在電網實際應用中得到了認可，成為電力巡檢新的發展方向[1]。

目前，激光雷達和傾斜攝影在電力巡檢系統中都有一定程度的應用，主要對輸電線路進行三維建模和進行交互與測量，并在平臺上呈現線路走廊的三維實景，為電力巡檢等工作提供有效的數據支撐和技術手段[2]。單獨應用激光雷達或傾斜攝影技術，無法兼顧可視化效果與無人機巡檢效率。為此，本文在電力巡檢系統中，將激光雷達與傾斜攝影技術融合，實現電力巡檢系統設計。

1 基于激光雷達與傾斜攝影融合技術的電力巡檢系統設計

1.1 激光雷達設計

激光雷達主要由激光掃描器、差分GPS接收機以及慣性測量單元構成，如圖1所示。

圖1 激光雷達結構

激光雷達依靠掃描儀完成激光發射點到目標點之間的距離測量，激光所攜帶的能量高，相干性和方向性都比較好，能夠實現對目標物體方位和速度的精確測量[3-4]。動態差分GPS的機載站GPS與機載LiDAR相連接，信號與地面的基準站同步處理，利用存在的載波相位測量差分技術獲取投影中心點坐標[5-6]。其中慣性測量單元利用激光脈沖測距原理，能夠測定激光主軸的俯仰角、側滾角以及航偏角信息。本文采用的激光掃描器的型號為LMS511，掃描距離最大為85 m，測量的精度能夠達到mm級，慣性測量單元的測量頻率大概為150～200次/s，最大的角度范圍為±85°，角度分辨率可達0.167～0.664°，通信接口采用的是RS232/以太網。激光發射器發射出激光脈沖波，能夠實現測距，相關計算公式為

(1)

S為激光源到被測點的距離；t1為內部定時器的記錄時間；t2為返回激光波時內部定時器的接收時間；C為光速。結合激光器的高度，激光掃描角度，就可以準確地計算出每一個地面光斑的三維坐標，通過無人機搭載激光雷達可以實現對通道內電力設施和周圍地物進行掃描，然后生成高精度點云數據，可以提供電力走廊三維空間信息，實現走廊凈空異常檢查、提供精確的塔桿GPS坐標，特別是其獨特的穿透林區及植被縫隙的能力[7-8]，可以獲得植被地區精細地形、地貌及植被高度、塔桿、輸電線路等分類信息，從而為輸電線路巡查和數字化管理提供新的技術手段。

1.2 傾斜攝影相機

本文系統中的傾斜攝影技術是目前巡檢技術中的重點研究內容，是一種通過三維重建模型進行信息搜集和分析的尖端科技。傾斜攝影相機搭載在無人機上同時從垂直角度和4個不同的傾斜角進行影像采集，可以采集到完整、準確的地面物體信息，得到真實紋理的三維數據，建立更符合人眼視覺的真實直觀三維模型，實現輸電線路走廊的三維實景漫游，對通道內的房屋、道路、樹木等調查、量測，構建出電力系統的真實場景[9-10]。本文采用的傾斜攝影相機拍攝角度如圖2所示。

圖2 傾斜攝影相機拍攝角度

該傾斜攝影相機配備1個下視鏡頭和4個傾斜視鏡頭，鏡頭可以選擇RGB和RGBN鏡頭，影像可達到8千萬像素，且能夠變換三視和五視模式，三視模式下鏡頭的傾斜角為45°，五視模式下鏡頭的傾斜角為35°，不同視角下會出現攝影重疊情況，如圖3所示。

圖3 傾斜攝影相機攝影示意

傾斜攝影技術是通過可見光進行拍攝的，因此對光線要求比較高，并且對植被下的地形無能為力，對細小物體(電塔、電力線)的建模能力不足，主要用來構建三維真實化場景。

1.3 軟件設計

本文系統是針對輸電線路中電力線、鐵塔、附屬設施和通道環境的空間信息進行三維激光掃描，形成輸電線路通道內的高精度三維激光點云[11-12]。然后利用無人機傾斜攝影測量技術獲取輸電線通道高分辨率影像，建立輸電線通道三維地表模型，最后進行數據融合，實現輸電線通道以及相關設施的真實場景還原，并具備相關的量測、坐標獲取以及隱患信息獲取等功能。

1.3.1 點云數據、圖片的采集與處理

激光雷達由于使用了激光脈沖測距，因此其測量精度非常高。激光雷達是連續的激光點云發射和接收的過程，采樣數據以空間離散點云的形式存在。通過確定起飛點、制定飛行計劃，完成外業數據的采集，得到GPS數據、IMU數據、碼盤數據和原始微光點云，經過差分處理和解算姿態參數后，生成航跡，得到激光點云的三維數據。由于激光雷達會受到多種誤差源的影響，需要對其進行精度校驗，表達式為：

(2)

(3)

W=2Ltanθ

(4)

ρ為激光點云的密度；d為掃描光斑的直徑；L為距離；W為帶寬；θ為掃描半角。將上述雷達參數進行調整，與全站儀量測結果進行比較，選擇結果最佳的參數作為最終參數。

傾斜攝影測量技術獲取數據通過野外踏勘、選擇像控點點位，并布設測量像控點，得到最終的外業測量結果；對傾斜攝影相機進行標定，通過無人機航拍得到垂直和傾斜的影像，將發生畸變的影像進行校正，得到矯正后的影像，協同外業測量成果和POS數據，經過空三加密、點云加密和點云坐標計算，得到影像匹配點云[13-15]。至此完成點云數據的采集和處理。

1.3.2 傾斜攝影與激光雷達技術融合建模

傾斜攝影與激光雷達技術獲取數據的效率都比較高，這2種技術之間的區別如表1所示。

表1 傾斜攝影與激光雷達技術的區別與特點

從表1可以看出，傾斜攝影與激光雷達都有自己的特點，剛好能夠互補，因此將這2種技術在電力巡檢系統中進行融合建模。具體的項目實施流程如圖4所示。

圖4 電力巡檢系統工作流程

在該電力巡檢系統中，同時使用激光雷達航測和傾斜攝影技術采集點云數據與傾斜影像，對激光雷達技術獲取的點云數據進行分層，分離出建筑、道路等地面物體，結合傾斜攝影的垂直影像，制作出正射影像圖(DOM)[16]，結合電力走廊的數字高程模型(DEM)和數字表面模型(DSM)，建立無貼圖紋理的走廊三維模型，并通過傾斜攝影技術在電力走廊的表面紋理數據貼圖，進行自動化處理和高精度自動化構建，完成輸電線路走廊的三維視景建模。

2 系統性能測試

2.1 測試準備

為了驗證本文設計的系統是否具有一定有效性，選取220 kV常賈線進行實驗，實驗區地形如圖5所示。

圖5 實驗區概況

依據線路巡檢的應用需求，按照傾斜攝影帶寬左右各100 m，激光雷達左右各50 m進行飛行設計。確定本測試工程中的線路路徑走向，傾斜攝影的測量范圍為線路路徑左右500 m，根據條件進行合理的無人機飛行劃分，并根據測區大小選取具有標志性的點現場測量，用于后期數據處理和成果檢驗，并保證坐標系統和高程基準的統一。實驗中需要用到的設備以及相關參數如表2所示。

表2 測試設備以及參數

為了保證滿足實驗要求的地面采樣距離，需要控制無人機的飛行高度來控制攝影物距D為

(5)

q為地面采樣距離；nl為長邊像元數量；F為鏡頭水平方向視場角。

根據測區大小選取具有標志性的點現場測量，用于后期數據處理和成果檢驗，并保證坐標系統和高程基準的統一。

在上述的測試環境下，分別使用本文設計的系統與激光雷達電力巡檢系統、傾斜攝影電力巡檢系統共同進行測試，并將測試結果進行分析對比。

2.2 實驗結果分析與對比

在上述測試環境下，激光雷達和傾斜數據處理完成后，將2套數據的坐標調整為同一個坐標系系統和高程基準，然后取激光雷達的導線、桿塔激光點云與傾斜數據進行融合，以滿足展示、量測、分析等功能。

2.2.1 三維模型

本文系統構建的三維模型如圖6所示。

圖6 本文系統構建的模型

2.2.2 巡檢時間

為了驗證所設計系統的無人機巡檢效率，采用所設計系統、基于傾斜攝影系統以及基于激光雷達系統檢測無人機巡檢時間，不同系統下巡檢時間結果如圖7所示。

圖7 不同系統下巡檢時間

分析圖7可知，不同系統的無人機巡檢時間不同。當線路長度為10 km時，設計系統的無人機巡檢時間為2 min，基于傾斜攝影系統的無人機巡檢時間為18 min，基于激光雷達系統的無人機巡檢時間為22 min。當線路長度為30 km時，設計系統的無人機巡檢時間為5 min，基于傾斜攝影系統的無人機巡檢時間為58 min，基于激光雷達系統的無人機巡檢時間為42 min。

測試結果表明，本文方法的無人機巡檢時間明顯低于其他方法，具有較高的巡檢效率。這是因為本文有效融合了激光雷達或傾斜攝影技術，提升了巡檢效率。

2.2.3 輸電線走廊可視化效果

采用本系統對輸電線走廊進行可視化處理，得到結果如圖8所示。

圖8 輸電線走廊可視化效果

由圖8可知，所設計系統對輸電線走廊的可視化效果極好，可獲得高精度的電力走廊三維空間信息，為走廊凈空異常檢查提供精確的塔桿GPS坐標，通過其穿透林區及植被縫隙的能力，可以獲得植被地區精細地形、地貌及植被高度、塔桿、輸電線路等分類信息，從而簡化輸電線路巡查工作。

3 結束語

輸電線路覆蓋的區域逐漸增加，一些地形復雜、環境惡劣的山區等也逐步通電，為保證輸電線路的安全運行，需要對供電設備定期巡檢。為了提高巡檢效率，電力巡檢系統成為了安全、高效的巡檢方式。

本文針對傳統系統在三維建模方面的弊端，設計一種基于激光雷達和傾斜攝影融合技術的電力巡檢系統。實驗結果表明，本文設計的系統在一定程度上能夠減少電力巡檢時間，提高巡檢效率，這種融合技術也是無人機電力巡檢重要的發展方向。在本文系統建立的模型中，可以實現漫游、旋轉、量測，對交叉跨越信息、樹障進行分析，查找線路隱患、摸清線路周圍情況，為線路運維檢修提供切實的協助。