無人機機載激光雷達在輸電線路巡線中的應用

楊磊 牛甲芳 李會平 陳鵬宇 劉曉慶

山東魯邦地理信息工程有限公司 山東 濟南 250101

引言

近年來，我國的電力事業發展迅猛，各種規模、類型的輸配電工程項目實施，滿足了人們基本的電力事業需求，給人們提供了良好的電力服務。但為保障輸配電的穩定性，電力企業在日常的工作中同樣要做好輸電線路巡線工作，當下的輸電線路巡線主要是由無人機機載激光雷達來完成的，有效發揮了激光雷達便捷性、高效性的優勢，無論在數據采集還是數據分析和利用上，都有著傳統人工巡線方式所難以比擬的特點，未來勢必將帶動整個電力行業的現代化發展。

1 機載激光雷達的具體概述與研究現狀

機載激光雷達在空間測量領域屬于一種相對先進的技術，在具體的應用中，機載激光雷達中集成了多種的技術和設備，比如，激光掃描儀、全球導航衛星系統、慣性測量單元、高速率存儲設備等，技術和設備的集成性都充分反映了機載激光雷達的先進性，勢必在社會經濟生活領域有著巨大的應用潛力。在利用機載激光雷達來進行相應的三維空間信息獲取時，需在事先搭設好的機載平臺上以高頻率進行激光脈沖的發送，在該脈沖發射的過程中同步對脈沖發射時間和達到地面返回到機載平臺接收器的時間加以有效記錄，根據對這一時間的把握，也就能夠準確獲得機載平臺與地面點之間的距離信息，在該信息獲取以后，相關測量人員再根據前期所獲得的地面GPS數據和POS數據，對這些數據和信息加以充分整合與處理以后，生成最終的地面空間三維坐標和可視化三維點云數據。機載激光雷達與常規的測量技術相比，因為其定位和測距的精度異常高，使得這一技術在當下的很多領域都越發引起了人們的重視，尤其是在電力工程領域，輸電線路巡線中，這一技術的優勢凸顯，有效改變了人工巡線方式的巨大限制，不僅使得巡線的難度系數有所降低，更在很大程度上節約了這一方面的成本。

在利用機載激光雷達進行相應的測量工作時，三維點云解算中的航跡獲取時，因為常規的方式無法得到，一般要在被測區域進行地面站的架設，由地面站來負責在測量工作中的GPS差分運算，在這一條件下所得到的軌跡數據具有更高的精度，但地面站架設的工作難度系數較大，往往需綜合考慮多方面的因素，做好前期的選點、布設，再加上存在一定的單基站距離限制，導致在地面站架設時，應做好現場調查。電力線長距離的巡檢作業開展中，為確保機載激光雷達能夠獲得完整準確的軌跡數據和信息，往往需在測區布設多個基站，以保障巡檢作業的高效實施。當輸電線路巡線作業中遇到的是一些地形地勢比較惡劣的區域時，無法滿足基站建設的條件，針對這種情況，在機載激光雷達技術的應用中，可以采用精密單點定位的方式來克服常規基站建設中的諸多限制，因為在這一技術應用不需要進行地面站的架設就可以獲得相應的航跡信息，基本上不存在距離限制的影響，正是因為這一技術的這些特點，使得在輸電線路巡線中的作用量和作業成本都大大降低。現階段，精密單點定位技術隨著技術的進步迎來了嶄新的發展，技術越來越先進且有了更為廣泛的應用空間，高精度的技術特點，使得精密單點定位技術在未來還有著巨大的發展潛力。比如，部分人員利用精密單點技術進行了滑坡的監測，發現這一技術在滑坡等各類地質災害的動態監測、預警方面有著突出的技術優勢；部分人員結合了GPS/GLONASS進行了精密單點定位技術的深入研究，發現這一技術比單純的GPS的精密單點定位技術有著明顯的技術優越性。

2 無人機機載激光雷達系統

在輸電線路巡線過程中，如果利用的是無人機機載激光雷達的方式，就需要進行無人機機載激光雷達系統的設計，這一系統內往往包含了多個構成要素，其中激光掃描頭主要是進行設備線視場內的測距信息序列獲取的；而位置姿態子系統主要進行的是每一個測距時刻所對應的地理位置和姿態信息采集；時間同步模塊的存在，使得激光掃描頭能夠與位置姿態測量子系統保持同一時間狀態下的工作狀態，也就可以使得整個的測量工作進行中，能夠在時間同步模塊的輔助下確保后續數據解密工作的高效實施；控制和存儲子系統負責在整個測量工作中的信息與數據整合與存儲；電源模塊是為了給整個無人機機載雷達系統的運行提供充足的電力資源。從總體來看，無人機機載激光雷達系統中，其系統構成十分復雜，在系統內包含了多個的要素，為確保信息采集和處理的全面實施，必須要確保系統內每個構成要素的高度配合與協調。

2.1 無人機系統

無人機屬于一種動力飛行器，在利用其開展相應的測量任務時，完全兼具自主飛行、遠程引導的特征。無人機機載激光雷達系統的應用中，無人機系統的構成十分復雜，因為無人機可搭載相機、定位系統或者信息傳輸系統等，使得在當下的應急救援、農業等領域，對于無人機系統都有著極為廣泛的應用[1]。根據無人機系統的構成，除了基本的無人機本體，還包含飛行控制系統、動力系統、能源系統和通信系統、地面監控站，在利用無人機開展相應的測繪任務時，不同部分之間的高度配合，保障了無人機在飛行過程中的數據采集。

2.2 機載激光雷達

機載激光雷達的構成復雜，激光掃描儀、GPS、IMU、數碼相機等均是其中不可或缺的設備，經由不同構成部分之間的相互配合，有效發揮了機載激光雷達在數據采集、處理方面的作用。在將其應用在輸電線路巡線時，激光掃描儀可以自動進行輸電線路通道點云數據的采集，經由GPS定位系統的輔助，也就可以將前期所得到的通道數據實施坐標轉換，進而得到被測量實體的三維坐標系信息。

3 輸電線路激光點云的采集及數據處理

3.1 激光點云數據采集

輸電線路巡線中采用無人機機載激光雷達，最為基礎性的環節就是要進行點云數據的采集，為了通過巡線來及時發現輸電線路中所存在的問題，相關人員必須要將所采集到的點云數據加以存儲和處理、分析。事實上，點云數據采集中，為保障點云數據的完整性和準確性，首先要做好前期的準備工作，不僅要安排專業人員深入到現場來開展勘察和調查，更要進行科學的航線設計。實際勘察工作主要是為了幫助相關測量人員及時了解測區范圍內的邊界、地形地貌、交通等基本情況，在航線設計的過程中，要嚴格遵循經濟性、高效性的標準，使得最終的航線設計可以滿足無人機飛行測量的要求，保障經由該航線設計，能夠獲得完整、準確的點云數據[2]。

點云數據的采集方面，包含了控制測量、數據采集和補測，首先，控制測量工作中，相關測量人員通過選點埋石、網型設計與測量、數據解析等多個流程來構建完善的點云數據坐標基準。其次，數據的采集工作中，為提高采集效率和精度，應在現場開展專業設備的安裝，當安裝作業結束且檢查通過后，進入試飛爬升、自主巡航和返回降落的階段，使得這些設備或者參數設計都能夠符合數據采集的基本要求。補測是要在前期外業采集的基礎上進行，對于一些漏飛或者點云密度不符合要求的地方開展再次的測量。

3.2 點云數據處理

在利用無人機機載激光雷達開展輸電線路巡線的過程中，點云數據的處理尤為關鍵，激光點云和影像數據的處理流程都十分復雜，具體包含了多個的處理流程，只有嚴格執行了這些處理環節，才能夠有效提升點云數據的利用價值。

3.2.1 數據預處理。數據預處理作為基礎性的環節，在處理的過程中，重點是要進行數據的質量檢查、數據轉換、軌跡解算和點云數據解算。在數據質量檢查環節，相關檢查人員要對機載雷達POS數據的完整性、前后兩天時間與不同架次數據的拼接情況加以全面檢查。數據轉換時要將地面基站和機載POS系統的原始數據轉化成為通用的數據格式，重點開展的是格式轉變，經由軌跡解算以后也就得到了飛行平臺的三維坐標信息。首先開展航跡文件的處理，將無人機飛行過程中的GPS基站、流動站、IMU數據開展組合導航解算，當由專業人員檢查結束且不存在任何問題以后，自動輸出航跡文件。其次，點云數據的處理方面，首先要進行激光原始數據文件、航跡文件，在此基礎上進行系統校驗參數的科學優化，保障坐標變換矩陣的科學性，隨后在激光點反射率、距離的基礎上開展粗濾波過濾噪點，最終所得到的點云直接保存下來，就是預處理的結果。

3.2.2 激光雷達數據處理及3D數據處理。激光雷達數據處理與3D數據處理環節，專業人員要及時將測區中的LiDAR 點云裁切為小范圍數據，該數據要能夠給后續的數據處理流程提供便捷。在此環節的數據處理中，同樣要進行航帶拼接誤差的調整，如果重疊區域內針對有多條航帶的點云，需由專業人員對數據加以粗分類。伴隨著無人機飛行作業的進行，在輸電線路通道內因為存在有很多的無關要素，這些要素都會最終影響到點云數據精度，因此，在數據處理環節，同樣要對這些影響因素加以全面控制，消除由于地物、輸電線、桿塔等外形、材質等引起的點云數據噪聲點，當然，無人機飛行中的減速、轉彎或者地面起伏等情況，也會導致一定的噪聲點存在。如果在數據處理環節忽略了去噪處理，勢必會導致點云數據的精度不足，因此，針對這一情況，在點云數據的處理中，同樣要做好去噪處理。

在無人機機載激光雷達的數據采集環節，因為一次性采集通道內的全部目標，也就使得在整個的采集工作進行時，往往會采集到很多的數據，這些數據的種類繁多且數量龐大[3]。為了根據所采集到的數據來進行地物的有效區分，并結合不同地物點云測算地物與輸電線路的距離和交叉跨越距離的信息，就必須要進行點云數據的分類。根據一般經驗，輸電線路的通道點云一般有電力線、桿塔、高低植被、建筑和道路等多種區分，而準確實現對目標的區分，一般要采用不同的顏色對分類以后的點云加以劃分，濾波分類法更為有效。

3.2.3 數字高程模型（DEM）處理。數字高程模型處理環節，在模型建立的過程中，要根據前期分類以后所得到的地面點來進行建立，但整個測量工作進行時，由于存在不完整區域，這些區域可能是由于激光點采集、過濾方面的問題所引起，針對這些區域，一般要通過添加特征線數據的方式來完成補充，最后使用雙線性內插法來進行三角網模型的構建。

3.2.4 數字表面模型（DSM）處理。在點云分類基礎上所獲得的地面點、非地面點、噪點等數據，在將其中的噪點完全去除以后，再將地面點、非地面點嚴格按照相應的標準來實現最終的處理，最終來獲得數字表面模型。

4 結束語

現階段的輸電線路巡線工作進行中，無人機機載激光雷達的優勢突出，有效改變了傳統的人工巡線方式限制，整體的效率偏高且具有一定的自動化。未來隨著電力事業的穩步發展，輸電線路巡線中的無人機機載激光雷達勢必會得到越來越廣泛的應用。