屈年赦，白晶石，曹鐵軍

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)遼寧電力勘測設(shè)計院有限公司，遼寧 沈陽 110179；2. 承德和益電力工程勞務(wù)有限公司，河北 承德 067000)

0 引言

近年來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，用電需求高速增長，對電網(wǎng)建設(shè)的需求日益強(qiáng)烈，電網(wǎng)規(guī)模的快速擴(kuò)張給電力巡檢帶來極大的挑戰(zhàn)。對已經(jīng)建成的輸電線路定期進(jìn)行巡檢，及時發(fā)現(xiàn)和排除線路走廊中的安全隱患，確保電力的安全輸送，已成為電網(wǎng)運(yùn)營維護(hù)管理部門的一項重要工作。

無人機(jī)搭載激光雷達(dá)技術(shù)因其高效靈活、作業(yè)周期短、成本低等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電力工程勘測設(shè)計工作中。文章旨在研究將無人機(jī)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在輸電線路巡檢中，獲取真實點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過三維激光點(diǎn)云軟件數(shù)據(jù)處理，以電力走廊內(nèi)的關(guān)鍵對象電力線與電力塔為核心，發(fā)現(xiàn)輸電線路設(shè)施設(shè)備異常和隱患，提示危險排查區(qū)域，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，為輸電線路監(jiān)護(hù)人員提供決策數(shù)據(jù)，維護(hù)電力網(wǎng)絡(luò)安全。

1 傳統(tǒng)輸電線路巡線與激光雷達(dá)技術(shù)的對比分析

1.1 傳統(tǒng)輸電線路巡線技術(shù)面臨的問題

傳統(tǒng)的電力線路巡線作業(yè)需要人工翻山越嶺、穿越茂密森林，由于野外常常要面臨所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣等問題，特別是遇到緊急故障或異常天氣條件下，維護(hù)人員需要乘坐地面交通工具或徒步行走，利用普通儀器或肉眼逐級逐塔來巡查設(shè)施、目測并計算弧垂到樹頂距離，利用傳統(tǒng)人工的電力巡線方式存在巡線時間長、工作條件艱苦、勞動強(qiáng)度大、效率低、危險系數(shù)大、定位精度低等問題，同時人工巡線還存在很難判斷線路走廊中地物到線路的準(zhǔn)確距離，也無法快速分類整理各種隱患等情況，所以人工巡線已不能適應(yīng)現(xiàn)代化電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的需要。

1.2 激光雷達(dá)應(yīng)用于巡線的優(yōu)勢

激光雷達(dá)掃描測量系統(tǒng)具有集成度高、質(zhì)量輕、數(shù)據(jù)精度高、運(yùn)行成本低、操作維護(hù)簡單等特點(diǎn)。無人機(jī)搭載激光雷達(dá)可以獲取真實、高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，電力線具有較強(qiáng)的延伸性，通過雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送激光回波到電力線、電力設(shè)施、植被、地表構(gòu)造物，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，從而獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)，并最終完整提取電力線點(diǎn)，重建三維電力線走廊，在數(shù)字地面模型和高分辨數(shù)碼影像支持下，實現(xiàn)高效率、高精度對已建線路的危險點(diǎn)巡線檢查、分析線路交叉跨越物對線路距離是否符合運(yùn)行規(guī)范，這種技術(shù)帶來了傳統(tǒng)測繪手段所不具備的作業(yè)模式和技術(shù)優(yōu)勢。無人機(jī)搭載激光雷達(dá)技術(shù)成為電力巡檢發(fā)展的新方向。

2 激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于線路巡線的工作原理

本文通過無人機(jī)搭載激光雷達(dá)技術(shù)對遼寧省某500 kV輸電線路進(jìn)行電力巡線演示飛行，利用激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出激光，激光光束遇到物體后，引起散射，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運(yùn)行時間計算出發(fā)射器與目標(biāo)的距離，獲得線路及周邊目標(biāo)物的空間定位，快速采集線路走廊高精度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每一個點(diǎn)都包含了三維坐標(biāo)信息、顏色信息、反射強(qiáng)度信息、回波次數(shù)信息等。通過激光雷達(dá)軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)、分類點(diǎn)云成果，可構(gòu)建三維電力走廊模型，獲得高精度三維線路走廊的地形、地貌、地物和線路設(shè)施的空間信息[1]，分析線路通道內(nèi)安全隱患和異常，及時為巡線人員后期處理隱患提供數(shù)據(jù)支持。

3 激光雷達(dá)巡線輸電線路的流程及方法

3.1 航線規(guī)劃

激光雷達(dá)系統(tǒng)具有一定的隨機(jī)性，數(shù)據(jù)采樣不能保證在關(guān)鍵地形點(diǎn)采樣。合理的航向規(guī)劃對數(shù)據(jù)質(zhì)量十分重要，應(yīng)考慮送電線路走廊地形和地貌情況、點(diǎn)云密度、精度要求、激光有效距離和飛行安全，確定好飛行速度、高度、激光脈沖發(fā)射頻率、航帶寬度和重疊度，確保航線按預(yù)定計劃飛行，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)漏洞。本次巡線的線路沿線地形起伏較大，以丘陵和山地為主，地貌上植被比較茂密，如圖1所示。由于植被葉面間的空隙很少，激光雷達(dá)脈沖波穿透植被的概率會大幅度下降，應(yīng)增加單位面積內(nèi)脈沖的密度，降低飛行高度，掃描角減小，降低飛行速度提高單位面積內(nèi)的點(diǎn)云密度。

圖1 500 kV線路地形地貌情況

為保證電力線為中心的區(qū)域內(nèi)有足夠的點(diǎn)云密度，在保障安全飛行的前提下，選擇在樹木落葉后、可見度較好的秋季，采用固定翼往返數(shù)據(jù)采集，從而保證點(diǎn)云精度優(yōu)于10 cm、激光點(diǎn)密度優(yōu)于30點(diǎn)/m2。在整個作業(yè)區(qū)域內(nèi)，飛行速度盡可能保持一致。具體飛行參數(shù)設(shè)置見表1所列。

表1 飛行參數(shù)設(shè)置

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

激光雷達(dá)傳感器整個工作原理流程依次為發(fā)射激光脈沖、記錄回波訊號、距離測量、檢索平面位置和計算回波位置。激光雷達(dá)對輸電線路周圍環(huán)境進(jìn)行飛行掃描，發(fā)射出的激光束遇到電纜、桿塔或者樹木，信號返回探測器，被掃描對象的空間位置即可確定。在樹木茂密區(qū)域也可獲取足夠的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，在記錄多個激光回波信號時，通過對不同回波所收集到的信息進(jìn)行提取和處理，能同時獲得樹冠底部的地形信息和樹高信息。掃描的結(jié)果即是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由大規(guī)模海量的采集點(diǎn)組成，每個采集點(diǎn)都帶有三維位置、反射率和紋理等信息，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

通過外業(yè)航測，在獲得大量高分辨率影像的同時，也采集到了高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為獲取線路走廊的精確三維地形、重建線路走廊模型，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云分類與電力線提取。

3.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

激光雷達(dá)采集到的原始數(shù)據(jù)包括地面基站全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)觀測數(shù)據(jù)、機(jī)載系統(tǒng)GPS數(shù)據(jù)和慣性測量單元(inertia measurement unit，IMU)數(shù)據(jù)，即定位定姿系統(tǒng)(positon and orientation system，POS)數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)；對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

將原始POS數(shù)據(jù)分離計算，提取機(jī)載GPS數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)和輔助傳感器數(shù)據(jù)。將提取的機(jī)載GPS數(shù)據(jù)與地面GPS基站采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算和擬合，修正機(jī)載GPS觀測值，得到曝光攝影機(jī)投影中心正確的GPS定位坐標(biāo)。然后將精確的GPS定位數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)和輔助傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)合解算、集成，得到精確的6個外方位元素和平滑最佳估計航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)。設(shè)置大氣校正、角度校正、掃描儀改正、定位定姿偏移以及高程偏差等參數(shù)，得到激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差探測，剔除高程異常點(diǎn)及獨(dú)立點(diǎn)；運(yùn)用校驗參數(shù)對姿態(tài)角和高程偏移量進(jìn)行校正，修正IMU和激光掃描儀相對姿態(tài)導(dǎo)致的微小變化；進(jìn)行一定角度的重疊區(qū)裁剪以保證得到密度均勻的激光點(diǎn)區(qū)域和精度較高的點(diǎn)云。本工程共布設(shè)4個基站，間距約10 km，布設(shè)在飛行覆蓋區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，采用控制點(diǎn)檢查的方式檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度。根據(jù)軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理，GPS衛(wèi)星觀測情況良好，軌跡平面位置精度優(yōu)于3 cm,高程精度5 cm，姿態(tài)角側(cè)滾角和俯仰角優(yōu)于3‰，航向角為13‰，滿足電力巡線軌跡精度的要求。

解算出的電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.3.2 點(diǎn)云分類與電力線提取

海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在激光雷達(dá)處理軟件中依次經(jīng)過點(diǎn)云去噪數(shù)據(jù)分類后，按照不同地表物體的反射特征和形狀特征進(jìn)行點(diǎn)云區(qū)分、濾波、數(shù)據(jù)抽稀，完整地提取出輸變電線路走廊中的電力線、導(dǎo)地線、道路、交叉跨越物、桿塔、地面、建筑物、植被等信息。確定表達(dá)地面真實形態(tài)的地面點(diǎn)云，再對電力線進(jìn)行曲線擬合，形成連續(xù)、完整的電力走廊[2]。經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理并形成三維立體圖像的的單回路和雙回路桿塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成三維立體圖像如圖3所示，變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示，變電站終端塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖3 標(biāo)塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖5 變電站終端塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在點(diǎn)云分類完成后，應(yīng)進(jìn)行分類質(zhì)量檢查，一般采用目視檢查的方法，檢查點(diǎn)云分類是否正確、地面點(diǎn)云表面模型的連續(xù)與光滑、分類結(jié)果是否與影像范圍一致。如果必要，應(yīng)采用人工編輯的方式對分類錯誤的點(diǎn)重新進(jìn)行分類。

3.4 數(shù)據(jù)分析

在點(diǎn)云分析軟件中點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后，利用分類后得到的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造成狄洛特三角網(wǎng)，經(jīng)過三角網(wǎng)內(nèi)插，生成高精度的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，實現(xiàn)線路走廊三維地形還原。在三維模型中進(jìn)行線間距離以及地物至電力線間的距離測量，判斷導(dǎo)線與建筑物、植被、交叉跨越等凈空距離是否符合運(yùn)行規(guī)范和安全運(yùn)行要求。及時發(fā)現(xiàn)線路跳閘、放電痕跡、鳥巢類故障等輸電線路設(shè)施設(shè)備異常和隱患，提醒工作人員進(jìn)行故障排查與評估。樹障隱患點(diǎn)如圖6所示，隱患點(diǎn)分析結(jié)果見表2所列。

圖6 樹障隱患點(diǎn)

表2 隱患點(diǎn)分析結(jié)果

根據(jù)氣象觀測和電力線路運(yùn)行經(jīng)驗，在入冬或初春季節(jié)，當(dāng)氣溫為-5～0 ℃之間、風(fēng)速為1～15 m/s時，如遇濃霧、降雨等情況，空氣濕度超過85%，將在導(dǎo)線表面產(chǎn)生以雨凇為主的覆冰。如果氣溫持續(xù)降低，則在雨凇外部繼續(xù)產(chǎn)生混合凇，溫度下降至-15～-8 ℃時，其余氣象參數(shù)若不發(fā)生變化，還會繼續(xù)生長霧凇。特別是在地勢高低不平，空氣潮濕，受寒潮的影響，電力線路很可能遭受大面積覆冰危害。激光雷達(dá)巡線技術(shù)有助于進(jìn)行風(fēng)偏、高溫、覆冰等模擬分析，查找最大危險點(diǎn)。

4 結(jié)語

激光雷達(dá)巡線可以更高效、便捷地發(fā)現(xiàn)輸電線路走廊內(nèi)的線路故障和安全隱患，這是傳統(tǒng)人工巡線作業(yè)所不具備的，激光雷達(dá)技術(shù)正逐漸成為輸電線路優(yōu)化設(shè)計、保障輸電線路安全可靠運(yùn)行的新手段。本文以激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)在線路巡線為例進(jìn)行闡述，從整個作業(yè)流程上，包含外業(yè)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、危險點(diǎn)安全距離快速檢測，建筑物、植被、交叉跨越的凈空距離分析，其巡檢數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性滿足于輸電線路維護(hù)的要求。激光雷達(dá)巡線飛行周期短，獲取信息豐富，縮減了線路巡線的工作周期和人力的投入，提升了巡線工作效率，提高了線路維護(hù)單位的經(jīng)濟(jì)效益。