無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在電力線巡檢中的應(yīng)用

張釗

摘要：目前，在輸電線路設(shè)計中，國內(nèi)設(shè)計院多使用海拉瓦技術(shù)進(jìn)行線路設(shè)計。相比傳統(tǒng)設(shè)計方式而言，它使得設(shè)計更加合理、勘測周期大大縮短，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。但海拉瓦技術(shù)也有不足，如無法得到植被密集地區(qū)的地表情況;數(shù)據(jù)處理自動化程度低，特別是處理航片時需要人工干預(yù);需要大量野外工作，生產(chǎn)周期依然很長;生產(chǎn)成本昂貴等。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng);電力線巡檢應(yīng)用

前言：

隨著機(jī)載技術(shù)的日趨成熟，基于機(jī)載的光電吊艙法線路巡檢逐漸得到廣泛應(yīng)用，并取得一定效果，但對于線路走廊地物與架空輸電線路之間的距離尚不能進(jìn)行測量。為彌補(bǔ)機(jī)載光電吊艙巡線技術(shù)空間測量無法滿足當(dāng)前我國高壓線路及智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展需求，激光雷達(dá)（LiDAR）作為一種新型光電測量裝備為電力領(lǐng)域的空間測量提供了可行的解決方案。

一、LiDAR技術(shù)發(fā)展及相關(guān)介紹

LiDAR是利用全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性測量裝置（IMU）進(jìn)行載體定位，通過激光掃描儀測量載體與目標(biāo)的距離，從而測得目標(biāo)的三維坐標(biāo)。它是目前唯一能測定森林覆蓋地區(qū)地表高程的可行技術(shù)，可用于快速產(chǎn)生數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）。LiDAR技術(shù)的主要特點(diǎn)有：1）可以24 h全天候工作。激光雷達(dá)是主動探測，不受光照的影響，可以全天候工作。2）能夠穿透植被的葉冠，同時測量地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)。激光波長較短，可以穿透植被葉冠，形成多次回波，獲取的數(shù)據(jù)信息更豐富。3）能夠探測細(xì)小目標(biāo)物體。激光的波長較短，能夠探測細(xì)小的目標(biāo)，如電力線，而傳統(tǒng)的攝影測量和雷達(dá)都不能夠探測到細(xì)小的電力線。4）獲取數(shù)據(jù)速度快。相對于傳統(tǒng)攝影測量，機(jī)載激光雷達(dá)可直接獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)獲取速度大大提高。

用LiDAR來精確確定地面上目標(biāo)點(diǎn)的高度，始于20世紀(jì)70年代后期。當(dāng)時的系統(tǒng)一般稱為機(jī)載斷面記錄儀，主要輔助空中三角測量。最初的系統(tǒng)僅能獲得在飛行器路徑正下方的地面目標(biāo)數(shù)據(jù)。這些最初的激光地形測量系統(tǒng)很復(fù)雜，并且不適合于獲取大范圍地面目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)。由于沒有高效的航空GPS和高精度IMU，所以很難確定原始激光數(shù)據(jù)的精確地理坐標(biāo)，因此其應(yīng)用受到了限制。隨著差分GPS技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，LiDAR技術(shù)已成為直接獲取地表模型的有效手段。結(jié)合影像及信息融合技術(shù)，LiDAR系統(tǒng)不僅局限于獲取數(shù)字高程模型等傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤侵蝕、洪水預(yù)報、城市三維模型的直接獲取、GIS支持、高壓線實時監(jiān)測、林業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域。

二、無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在電力線巡檢中的應(yīng)用

1. LiDAR技術(shù)選線。LiDAR技術(shù)是現(xiàn)代對地觀測的最新技術(shù)之一，通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對象表面點(diǎn)三維坐標(biāo)，對地面的探測能力有著強(qiáng)大的優(yōu)勢，具有空間與時間分辨率高、動態(tài)探測范圍大、能夠部分穿越樹林遮擋、直接獲取真實地表的高精度三維信息等特點(diǎn)，是快速獲取高精度地形信息的全新手段。利用LiDAR技術(shù)進(jìn)行輸電線路優(yōu)化選線的方法大致如下：首先將LiDAR設(shè)備獲取的高密度高精度的DSM，對線路規(guī)劃決策的影響要素進(jìn)行參數(shù)化和數(shù)字化，基于人工智能的搜索方法搜索代價最小的路徑，并輔助于領(lǐng)域?qū)＜业闹R，對決策要素的參數(shù)化和目標(biāo)函數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化，形成一套自動化程度較高的路徑規(guī)劃方法，為線路規(guī)劃設(shè)計提供參考方案;再將DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，生成DEM，將同時獲取的航空數(shù)碼影像處理為DOM;接著利用DEM疊加DOM構(gòu)建線路走廊三維場景，設(shè)計人員即可在三維場景中針對規(guī)劃方案進(jìn)行優(yōu)化選線作業(yè)。至于內(nèi)業(yè)平斷面測圖，作業(yè)人員可直接在三維場景中進(jìn)行平面地物以及風(fēng)偏、危險點(diǎn)的采集，對于諸如房高、樹高以及塔高等信息則借助激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，而斷面數(shù)據(jù)則可直接從DEM數(shù)據(jù)中進(jìn)行提取。

2.基于攝影測量工作站的電力選線技術(shù)。目前，在電網(wǎng)設(shè)計中，國內(nèi)很多電力設(shè)計院使用攝影測量工作站技術(shù)進(jìn)行線路設(shè)計，如“海拉瓦”系統(tǒng)。海拉瓦全數(shù)字化攝影系統(tǒng)是借助衛(wèi)星、飛機(jī)、全球定位系統(tǒng)（GPS）等高科技手段，通過高精度的掃描儀和計算機(jī)信息處理系統(tǒng)，將各種影像資料生成正射影像圖、數(shù)字地面模型和具有立體圖效果的三維景觀圖，并以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出圖像和數(shù)字信息的技術(shù)。海拉瓦-洛斯達(dá)技術(shù)是海拉瓦全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)與洛斯達(dá)公司二次開發(fā)的滿足線路勘測設(shè)計需要的軟件相結(jié)合，進(jìn)行電網(wǎng)工程勘測、輔助設(shè)計的最新技術(shù)的總稱。在電網(wǎng)工程中，海拉瓦-洛斯達(dá)技術(shù)主要應(yīng)用于輸電線路的路徑優(yōu)化、變電所所址及進(jìn)出線走廊規(guī)劃、數(shù)字化線路等方面。海拉瓦-洛斯達(dá)技術(shù)率先應(yīng)用于輸電線路工程的電力選線，其傳統(tǒng)航測作業(yè)模式是：1）航攝，按線路路徑要求分帶航飛拍照，照片沖洗后提供各航帶滿足質(zhì)量要求的底片和照片。2）外控及調(diào)繪，制作各航帶像片鑲嵌圖，全線進(jìn)行GPS外控、調(diào)繪，提供所有GPS外控點(diǎn)三維坐標(biāo)和像片調(diào)繪資料。3）航測內(nèi)業(yè)，利用外控、調(diào)繪資料，進(jìn)行空中三角測量，解算像對坐標(biāo)，建立立體數(shù)字地面模型，生成全線數(shù)字化帶狀地形圖。4）終勘定位，根據(jù)設(shè)計排位情況進(jìn)行現(xiàn)場定位，并測量樁間距離、高差、危險斷面和重要叉跨越，對原平斷面圖進(jìn)行修正。

3.應(yīng)用案例。本系統(tǒng)于500 kV 架空輸電線路進(jìn)行巡視，共計飛行4 個架次。確定巡檢線路后，選擇約10 m×10 m 的堅實地面作為起降場地，起降點(diǎn)100 m 半徑范圍內(nèi)不能有灌木樹木等植被，以保證起飛安全;周邊半徑1 km 內(nèi)空曠無山體丘陵遮擋，以保證一定強(qiáng)度的GPS 信號。依據(jù)臺賬信息，通過自帶地面站對線路進(jìn)行航跡規(guī)劃。由于巡檢線路路段地處平原，地勢平坦，采用等高飛行方式;為保障線路及系統(tǒng)安全，采用在線路斜上方飛行方式。在考慮無人機(jī)懸停精度和GPS 坐標(biāo)誤差的情況下，水平距輸電線路中心的水平距離不得低于30 m;為保障GL-70 對較細(xì)輸電線的點(diǎn)云密度，LiDAR 距輸電的距離應(yīng)在100 m 內(nèi);鑒于巡檢路段桿塔高度約50 m，在最大安全準(zhǔn)則下，無人機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)離巡檢路段的平均高度基準(zhǔn)線150 m，以滿足對輸電線的激光掃描測量。為了能夠采集最高的地面反射點(diǎn)云密度，激光脈沖頻率設(shè)置為最大的脈沖頻率550 kHz，同時設(shè)置無人機(jī)平臺飛行速度為36 km/h，以兼顧點(diǎn)云密度及巡檢效率。該設(shè)置模式下GL-70 對地的理論點(diǎn)云密度約為58 pts /m2。相機(jī)曝光時間間隔7.9 s，以便有足夠的重疊影像來進(jìn)行后期處理。高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)與高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對桿塔、導(dǎo)線和地物進(jìn)行精確的建模。調(diào)整好無人機(jī)平臺狀態(tài)后，開啟LiDAR 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，待完成參數(shù)設(shè)置后，按照規(guī)定的航跡進(jìn)行飛行，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集完成后，在現(xiàn)場進(jìn)行GPS 數(shù)據(jù)處理和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，以確認(rèn)所獲數(shù)據(jù)的可靠性。經(jīng)過點(diǎn)云自動分類及桿塔電力線的手動提取之后，處理后的數(shù)據(jù)顯示，水平精度在10cm以內(nèi)，高程精度在5cm以內(nèi)，接收到的地面反射點(diǎn)云密度高于30 pts /m2。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明該系統(tǒng)獲取了精確的架空輸電線路走廊三維信息，量測出樹障、風(fēng)偏及交叉跨越信息，數(shù)據(jù)精度在10cm 以內(nèi)。

結(jié)束語：

本文驗證了無人機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)在電力架空輸電線路作業(yè)中的應(yīng)用，成功獲取了高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了三維建模和危險點(diǎn)檢測，達(dá)到了預(yù)期效果。無人機(jī)平臺的低成本和LiDAR 輕量化設(shè)計，為無人機(jī)載LiDAR 在電力巡檢應(yīng)用的推廣提供了參考依據(jù)。

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