毛 強

（中國南方電網(wǎng)公司超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 510663）

0 引言

近年來，我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，線路通道內(nèi)的樹木已成為線路運行的重大隱患，由對線行通道內(nèi)超過安全距離的樹木放電引起的線路閃烙、電網(wǎng)停電、林區(qū)火災(zāi)等事故屢見不鮮，給線路的安全運行帶來了巨大的災(zāi)難。南方電網(wǎng)西電東送線路通道內(nèi)樹木植被茂密，傳統(tǒng)地面人工使用經(jīng)緯儀或手持激光測距儀測量管理樹木安全距離需要花費大量人力、物力，工作效率低且存在精度不準的情況。

探討利用南方電網(wǎng)超高壓輸電公司自有AS350B3型直升機為飛行作業(yè)平臺，掛載激光雷達，集成高分辨率相機、POS系統(tǒng)(慣性導航系統(tǒng))等傳感器，研究開發(fā)一套成熟、實用、完整的直升機輸電線路測距掃描數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，并開展直升機輸電線路智能測距實用化應(yīng)用研究，實現(xiàn)智能、及時、大量排查輸電線路樹障安全隱患的目標[1]。

1 基本原理

機載激光雷達（LiDAR）通過發(fā)射激光脈沖，對線路通道進行掃描，獲取激光反射多回波數(shù)據(jù)和目標表面影像，經(jīng)過特效算法處理，結(jié)合GPS位置坐標和POS系統(tǒng)激光方向信息，生成高精度、高密度的三維激光點云數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù)。充分利用激光束分層反射特性，對激光點云進一步分類和濾波，批量分類出所測的線路導線、桿塔、樹木、走廊地形以及其他交跨物的空間信息，通過對激光點云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，在三維建模軟件支持下，參考高分辨率影像數(shù)據(jù)，生成高精度數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字三維模型[2]，編制專業(yè)輸電線路樹障安全隱患排查程序?qū)臻g測量數(shù)據(jù)進行快速批量分析處理，實現(xiàn)通道內(nèi)輸電線路樹障安全隱患點的自動、準確、高效檢測和定位。

圖1 機載激光雷達智能測距數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.1 Intelligentdetection based on helicopter liDAR data collection diagram

2 智能測距硬件組成

直升機機載三維激光掃描設(shè)備是實現(xiàn)智能測距方法的硬件支撐，主要由數(shù)字激光掃描儀、高分辨率相機、POS系統(tǒng)和機載計算機集成，其中激光掃描儀發(fā)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(tǒng)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(tǒng)，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(shù)據(jù)采集并保證數(shù)據(jù)同步，同時存儲基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)。機載計算機一般安裝在機艙內(nèi)，外接操作和導航終端[3，4]。數(shù)字激光掃描儀、高分辨率相機、POS系統(tǒng)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(xù)成果的質(zhì)量。機載激光雷達智能測距設(shè)備整體組成及結(jié)構(gòu)如圖2、3所示：

圖2 直升機機載激光雷達智能測距設(shè)備組成圖Fig.2 Intelligentdetection based on helicopter liDAR equipment composition diagram

圖3 直升機機載三維激光掃描設(shè)備多傳感器框架及云臺結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The frame and PTZ structure of helicopter airborne 3D Laser scanning equipment multi-sensor

3 智能測距方法

直升機機載激光雷達智能測距輸電線路樹障主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)后處理、結(jié)果分析應(yīng)用3個階段。

3.1 數(shù)據(jù)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(jù)數(shù)據(jù)采集要求制定直升機掃描作業(yè)方案和實施方案，明確激光掃描設(shè)備安裝調(diào)試和掃描飛行技術(shù)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(shè)計飛行航帶，布設(shè)測繪基準點，確定原始激光數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、導航數(shù)據(jù)的格式和精度指標[4，5]。直升機機載激光雷達通過起飛前準備、校驗飛行、掃描作業(yè)、原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等一系列標準化作業(yè)流程完成數(shù)據(jù)采集。

圖4 直升機機載三維激光掃描設(shè)備多傳感器實際安裝作業(yè)圖Fig.4 The actual installation work of helicopter airborne 3D Laser scanning equipment multi-sensor

3.2 數(shù)據(jù)后處理階段

對采集的原始數(shù)據(jù)先進行預(yù)處理，激光點云方面，按照三維激光掃描數(shù)據(jù)分類標準規(guī)范，在對激光點云進行大地定向、檢校和坐標轉(zhuǎn)換后，利用專業(yè)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(shù)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(shù)據(jù)進行三維可視化高程渲染[6-8]；影像數(shù)據(jù)方面，利用機載POS系統(tǒng)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(shù)字正射影像（DOM）。基于上述預(yù)處理成果，將數(shù)字高程模型、數(shù)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(jié)合矢量化地圖發(fā)布矢量數(shù)據(jù)，進行三維空間數(shù)據(jù)對象分類提取、標識、空間屬性匹配、建立邏輯關(guān)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(xiàn)輸電線路走廊三維數(shù)字模型構(gòu)建[9]，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(shè)施設(shè)備的實際運行空間信息。

圖5 輸電線路走廊三維數(shù)字模型效果圖Fig.5 The 3D digital model effect of transmission line corridor

3.3 結(jié)果分析應(yīng)用階段

在上一階段構(gòu)建實時輸電線路走廊三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，在三維數(shù)字可視化平臺內(nèi)配置《架空輸電線路運行規(guī)程》（線路通過林區(qū)）和《南方電網(wǎng)公司輸電線路樹障防控工作指導意見》（樹障隱患分級原則）等安全距離檢測規(guī)范，基于檢測規(guī)范安全距離要求建立輸電線路安全絕緣距離評估模型，自動進行空間位置關(guān)系分析和安全距離三維量測計算，如圖6所示，一旦樹木到導線的相對距離不符合相關(guān)要求，則自動定位報警隱患點，提供隱患點空間信息、位置和平斷面圖，自動匯總輸出設(shè)定分析線路區(qū)段的隱患點統(tǒng)計報表，包括全部隱患點描述以及安全裕度參考，達到輸電線路樹障智能測距的目標，為地面人工清除樹礙和砍伐樹木提供全方位指導。

圖6 輸電線路樹障隱患點智能檢測Fig.6 Intelligent detection of hidden tree barrier points along transmission line

2015年以來，南方電網(wǎng)公司范圍內(nèi)開展了多次直升機機載激光雷達智能測距輸電線路樹障試點作業(yè)，實操作業(yè)取得了預(yù)期效果，南方電網(wǎng)公司“十三五”輸電線路“機巡+人巡”推進方案也明確下一步將優(yōu)化作業(yè)方案，提高數(shù)據(jù)處理效率和質(zhì)量，不斷推進直升機三維激光雷達掃描作業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用。

4 關(guān)鍵技術(shù)

通過研究與實踐，基于直升機機載激光雷達智能測距輸電線路樹障方法存在以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）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(jié)合激光點云校正還原導線曲線[10、11]；樹木部分則融合激光點云空間結(jié)構(gòu)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(shù)實現(xiàn)穩(wěn)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。

（2）海量數(shù)據(jù)高效處理

傳統(tǒng)直升機機載激光雷達測繪掃描作業(yè)，每天飛行作業(yè)6 h的影像、點云數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)會達到TB級，數(shù)據(jù)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(guān)注線路走廊內(nèi)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(shù)據(jù)容量降為GB級，大幅減少數(shù)據(jù)處理的工作量。研究組建專用光纖網(wǎng)絡(luò)，提高I/O連通性，構(gòu)建采集數(shù)據(jù)的批量快速存取通道，縮減采集數(shù)據(jù)的存儲時間。搭建基于hadoop大數(shù)據(jù)技術(shù)的分布式云計算架構(gòu)，提高激光點云分類、渲染、建模和應(yīng)用方面的分析處理能力，最終實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理。

（3）模擬不同狀態(tài)下安全距離分析

模擬最高氣溫、最大覆冰無風、最大設(shè)計風速無覆冰等多種氣象設(shè)計條件，基于線路實際的激光點云數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)進行線路各種狀態(tài)下導線安全距離檢測，可以進一步提升線路防災(zāi)抗災(zāi)水平。

5 結(jié)論

機載激光雷達可以較好地解決空間分析和三維量測的問題，配合直升機掃描飛行其數(shù)據(jù)采集快速、便捷、高效的優(yōu)勢十分明顯，通過系統(tǒng)分析能準確高效地測量線路通道地物（特別是樹木）到線路導線的距離，開展基于直升機機載激光雷達智能測距在線路樹木隱患排查等方面具有人工測量無可比擬的優(yōu)勢，進一步拓寬了架空輸電線路直升機巡視作業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

國內(nèi)目前已成長起一批機載激光雷達硬件和掃描數(shù)據(jù)分析服務(wù)供應(yīng)商，為發(fā)展直升機機載激光雷達智能測距提供了有利條件，隨著三維激光雷達掃描數(shù)據(jù)深化應(yīng)用進一步發(fā)展，直升機機載激光雷達智能測距輸電線路樹障也將逐步進入常規(guī)化應(yīng)用階段。

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