吳永利，陳歡

（國網(wǎng)龍巖供電公司，福建龍巖364000）

無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路通道的應(yīng)用

吳永利，陳歡

（國網(wǎng)龍巖供電公司，福建龍巖364000）

無人機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異，利用先進(jìn)的無人機(jī)搭載激光雷達(dá)對輸電線路通道進(jìn)行巡檢，采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)，對輸電線路通道物征物進(jìn)行提取，可以實(shí)現(xiàn)輸電線路的真實(shí)三維重建，恢復(fù)輸電通道的沿線地表形態(tài)、地表附著物、線路桿塔三維位置和模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對建筑物、植被、交叉跨越物的距離測量，實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理，為輸電線路管理決策提供有力支撐。

無人機(jī)；激光雷達(dá)；點(diǎn)云技術(shù)；輸電通道

當(dāng)前，在無人機(jī)電力巡檢中，多搭載紅外線攝像儀、數(shù)碼攝像機(jī)、照相機(jī)、高分辨率望遠(yuǎn)鏡、可見光錄像機(jī)等設(shè)備，在飛行的同時，可對途經(jīng)線路進(jìn)行觀測，獲取線路走廊可見光和紅外的錄像、影像等資料。此種作業(yè)方式最大的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集成本較低；但隨著這些技術(shù)不斷投入使用，其缺點(diǎn)是這些技術(shù)的空間定位精度均不高，更重要的是，通過航空影像數(shù)據(jù)很難精確判斷線路走廊地物（比如樹木等）到線路的距離，而距離不足引發(fā)的線路閃絡(luò)最終導(dǎo)致線路跳閘是許多線路安全事故的初始誘發(fā)因素。隨著無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及成本的降低，它可以很好地解決空間定位和量測精度等問題，將無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到電力巡線中具有較好的應(yīng)用前景。

1 國內(nèi)外研究概況

在全國范圍內(nèi)，雖然無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)在災(zāi)害性普查和故障點(diǎn)巡查中運(yùn)用較多，但將無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)技術(shù)運(yùn)用到電力生產(chǎn)中，能使其代替直升機(jī)完成整線路精細(xì)化作業(yè)的應(yīng)用較少。因此，應(yīng)將無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用于電力巡檢作業(yè)，實(shí)現(xiàn)輸電線路精細(xì)化巡檢作業(yè)，對故障和缺陷進(jìn)行更加準(zhǔn)確的判斷和定性，使其成為直升機(jī)巡檢的有效輔助手段，實(shí)現(xiàn)多維度的立體巡檢，從而引領(lǐng)我國電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢。目前，國內(nèi)相關(guān)研究的多是針對基于鐵塔的多層次電力線，而本文研究的輸電線路高度較低，電力線周圍內(nèi)有同高的植被點(diǎn)，這會給輸電線路能道的提取造成困難。本文提出了一種基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電通道特征物提取方法，通過在無人機(jī)上搭載激光雷達(dá)設(shè)備及高分辨相機(jī)，可以直接采集線路走廊高精度三維激光點(diǎn)云和高分辨率數(shù)碼影像，進(jìn)而獲得高精度三維線路走廊地形、地貌、地物和線路設(shè)施設(shè)備空間信息，包括桿塔、掛線點(diǎn)位置、導(dǎo)線弧垂等。該方法能夠自動提取電力線點(diǎn)，并對電力線點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，形成連續(xù)、完整的電力線路走廊?？蓪?shí)現(xiàn)的功能包括以下4個：①可以精確、快速地測量線路走廊地物（特別是樹木、房屋、交叉跨越）到導(dǎo)線的距離是否滿足安全運(yùn)行要求；②高分辨率數(shù)碼影像可以供巡檢人員判讀輸電線路和走廊安全隱患、異常；③利用機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)對線路走廊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和三維建模，巡檢人員可以對造成線路安全問題的隱患和異常進(jìn)行分析，精確確定線樹距離，進(jìn)而確定如何進(jìn)行砍伐和障礙清除；④利用三維建模圖，恢復(fù)電力線沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等），線路桿塔三維位置和模型等，并將線路的屬性參數(shù)錄入實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理。

2 無人機(jī)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)

2.1 工作原理

電力巡檢無人機(jī)通過激光雷達(dá)系統(tǒng)巡線采集、處理電力沿線的激光點(diǎn)云，可以實(shí)現(xiàn)電力線路的真實(shí)三維重建，恢復(fù)電力線的沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等）、線路桿塔三維位置和模型等。此方案可以為輸電線路監(jiān)護(hù)人員提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，了解輸電線路設(shè)備設(shè)施的結(jié)構(gòu)信息，發(fā)現(xiàn)其中的異常和隱患，以及線路走廊中被跨越物對線路的威脅。該方案收集的線路屬性參數(shù)還可以實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理，與智能電網(wǎng)方案結(jié)合效果更好。

2.2 機(jī)載激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代后期，它將GPS定位與激光測距相結(jié)合，可高效、快速獲取地面物體的高精度三維坐標(biāo)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)相比，其量測精度更高，地物坐標(biāo)獲取更加直接，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于測繪生產(chǎn)。機(jī)載激光雷達(dá)掃描儀通過對地面進(jìn)行掃描，獲取反射回來的激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，在三維空間中呈不規(guī)則分布的密集點(diǎn)集，在三維空間的分布形態(tài)呈現(xiàn)隨機(jī)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)“點(diǎn)云”（Points Cloud）。激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)不僅包含目標(biāo)點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)信息，還包括物體反射強(qiáng)度等信息?，F(xiàn)階段，比較通用的數(shù)據(jù)格式為ASCII碼純文本和LAS格式，這兩種格式可以相互轉(zhuǎn)化。在這些激光點(diǎn)中，有些點(diǎn)位于真實(shí)地形表面，有些點(diǎn)位于人工建筑物（房屋、塔、輸電線等）或自然植被（樹、灌木、草）。通常情況下，從激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中去除掉地物回波點(diǎn)，提取數(shù)字高程模型（DEM）稱為激光數(shù)據(jù)的濾波。而從激光數(shù)據(jù)點(diǎn)云中區(qū)分不同地物，比如植被、房屋、道路等，則稱為激光數(shù)據(jù)的分類，某些時段濾波和分類是同時進(jìn)行的。

2.3 地物點(diǎn)云分類

輸電線路通道是電網(wǎng)的最主要部分，通道內(nèi)地形、地貌、地物（植被、建筑等）、電塔、掛線點(diǎn)位置等是電網(wǎng)建設(shè)和管理極為關(guān)注的對象。但一次飛行任務(wù)獲取的原始點(diǎn)云包括了輸電線走廊內(nèi)的所有地物目標(biāo)，而實(shí)際應(yīng)用中需要將不同類型地物目標(biāo)的激光點(diǎn)分離出來，即濾波分類。濾波即將原始點(diǎn)分為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，地面激光點(diǎn)經(jīng)過插值或構(gòu)網(wǎng)可得到走廊的數(shù)字地形模型（DEM），而非地面點(diǎn)可經(jīng)過進(jìn)一步處理提取各類地物點(diǎn)。

2.4 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的濾波

從激光數(shù)據(jù)點(diǎn)云中提取數(shù)字表面高程模型（DTM/DEM），需要將其中的地物數(shù)據(jù)腳點(diǎn)去掉，這就是所謂的“激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的濾波”。

如果要進(jìn)行地物提取和建筑物的三維重建，就需要對激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行分類（分割），區(qū)分植被數(shù)據(jù)點(diǎn)和人工地物點(diǎn)，以提取數(shù)據(jù)點(diǎn)云系列，這就是所謂的“激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分類”。針對電力線點(diǎn)的提取工作，也是先通過濾波分離地面點(diǎn)與地物點(diǎn)，然后使用分類方法分離植被點(diǎn)與電力線點(diǎn)。濾波和分類是機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。一般而言，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波的處理時間大約占全部時間的60%～80%，濾波算法的質(zhì)量直接決定著DEM的質(zhì)量。目前，已經(jīng)有不少國內(nèi)外學(xué)者研究了激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波和分類方法。

2.5 三維模型的建立

輸電線路走通道三維重建，即輸電線路本體建模是輸電線路安全分析的基礎(chǔ)。實(shí)時三維電力巡線地理信息系統(tǒng)的建立為線路的安全運(yùn)行提供了決策支持。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)制作中，需要對采集的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)每隔一段時間需要重新采集和更新，所以，必須實(shí)時三維重建出電力線通道地表模型及地物模型，包括DEM、電力線、電力塔及周圍的植被等。該系統(tǒng)中應(yīng)集成輸電線路通道影像、電力線三維拓?fù)鋽?shù)據(jù)、輸電線路通道中植被類型數(shù)據(jù)等，比如電力線安全緩沖區(qū)分析、電力線在最大弧垂下與地面的最小距離、電力線在最大弧垂或風(fēng)偏情況下與周圍樹木之間的距離等。目前，除了DEM等可自動重建外，通道內(nèi)的很多地物主要還是依賴人工勾繪和第三方軟件，比如AutoCAD、3DMax等。

2.6 電力線路安全巡檢

電力線走廊數(shù)字化重建后，即可得在電腦中直觀立體顯示電力線、電塔的位置、與走廊地物的空間關(guān)系，結(jié)合桿塔上安裝的溫度、濕度、風(fēng)速等監(jiān)控設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，即可在三維數(shù)字化電網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行各種電力作業(yè)分析，比如預(yù)測與模擬不同溫度、風(fēng)速、覆冰下弧垂變化情況，模擬樹木生長情況等。

3 實(shí)現(xiàn)的主要功能和應(yīng)用效果

3.1 實(shí)現(xiàn)的功能

3.1.1 實(shí)現(xiàn)距離測量

為輸電線路監(jiān)護(hù)人員提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了輸電線路設(shè)施設(shè)備異常和隱患，以及線路走廊中被跨越物對線路的威脅。利用機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取的高精度點(diǎn)云可以檢測建筑物、植被、交叉跨越等對線路的距離是否符合運(yùn)行規(guī)范。

3.1.2 線路資產(chǎn)管理

通過巡線采集的點(diǎn)云和高清影像數(shù)據(jù)，處理成標(biāo)準(zhǔn)的DOM、DEM，結(jié)合分類后的點(diǎn)云可以實(shí)現(xiàn)電力線路的三維建模，恢復(fù)電力線沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等）、線路桿塔三維位置和模型等，并將線路的屬性參數(shù)錄入實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理。

3.2 應(yīng)用效果

利用無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行電力巡線是一項先進(jìn)的技術(shù)手段。采用該項技術(shù)進(jìn)行電力巡線，不僅在工作效率上可以大幅度提高，也能大大減少野外工作，降低巡線成本。傳統(tǒng)的巡線工作中，100 km線路需要20個巡線人員工作1 d才能完成，而利用無人機(jī)進(jìn)行巡視，需要4個架次共計2人1 d就能完成，大大提高了巡視效率，且不受地理環(huán)境的限制。無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)通過對電力走廊上電線塔、電力線、周圍植被等地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、處理，可以實(shí)現(xiàn)電線桿塔、電力線的真實(shí)三維重建，實(shí)現(xiàn)植被與電力線的精確量測，發(fā)現(xiàn)線路存在的安全隱患，為管理者的決策提供了真實(shí)、有效的數(shù)據(jù)支持，避免了線路事故停電，挽回了高額的停電費(fèi)用損失。

4 結(jié)束語

綜上分析，無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)數(shù)據(jù)精度高，無論地形、樹高、桿塔模型、電線弧垂及交叉跨越，都可以最大限度實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)在電腦中的數(shù)字化再現(xiàn)。不僅能夠獲取線路缺陷，且能對缺陷的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的空間定位，確定線路與走廊地物的空間關(guān)系，傳統(tǒng)影像信息無法獲得這類信息；可以檢測線路間、線路與地面、線路與鄰近植被的距離，確定建筑物、植被、交叉跨越等對線路的距離是否符合運(yùn)行規(guī)范，并進(jìn)行輸電線路磁場干擾分析和安全范圍等分析；配置符合運(yùn)行規(guī)程的檢測參數(shù)，全自動進(jìn)行危險地物（特別是樹木、交叉跨越）檢查、報警，并輸出檢測結(jié)果表，為沿線的植被管理、植被生長預(yù)測、制訂植被砍伐計劃提供依據(jù)；結(jié)合在桿塔上安裝的溫度、濕度、風(fēng)速、覆冰下弧垂變化等監(jiān)控設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，可以在三維數(shù)字化電網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行各種電力分析，為輸電線路管理決策提供有力支撐。

［1］王和平，夏少波，譚弘武，等.電力巡線中機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)［J］.地理空間信息，2015（05）.

［2］韓文軍，肖雪.基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電鐵塔建模方法研究［J］.人民長江，2012，43（08）.

［3］王政，于正林.基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建筑物的研究現(xiàn)狀［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（23）.

［4］段敏燕.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云電力線三維重建方法研究［J］.測繪學(xué)報，2016，45（12）.

［5］陳馳，麥曉明，宋爽，等.機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中電力線自動提取方法［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2015，40（12）.

［6］林昀，吳敦，李丹農(nóng).基于機(jī)載激光雷達(dá)的高精度電力巡線測量［J］.城市勘測，2011（05）.

［7］吳德智，曾璧環(huán)，葉清泉.基于無人機(jī)載激光雷達(dá)的電力線自動提取技術(shù)［J］.中國科技投資，2014（01）.

〔編輯：張思楠〕

TU198

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.158

2095－6835（2017）19－0158－03

吳永利（1987—），男，主要從事輸電線路運(yùn)行與檢修、電網(wǎng)智能巡檢方面的研究工作。