林宇龍，李冰，白征東，程宇航

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司， 北京 100053； 2.清華大學(xué) 土木工程系， 北京 100084)

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高效、有序地對電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理并保證其正常運(yùn)行成為電力系統(tǒng)建設(shè)中的重要問題[1]。輸電線路作為電力網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，可以將電能輸送至全國各地，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2-3]。但是，傳統(tǒng)的人工測量輸電線路的方法已經(jīng)無法匹配電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的速度，并且對于輸電線路途經(jīng)區(qū)域地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的情況，傳統(tǒng)人工測量方法的效率和精度都較低[4-6]。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)以無人機(jī)為載體，以激光脈沖為測量媒介，可以同時(shí)采集測量區(qū)域的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率圖像，具有測量速度快、精度高、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，在輸電線路測量中得到了廣泛應(yīng)用[7-11]。其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是激光雷達(dá)的基本輸出，通用的文件格式是三維坐標(biāo)文件，包含每一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，除此之外可能含有顏色信息或者反射強(qiáng)度信息。使用激光雷達(dá)測量電塔、輸電線、通道和相間間隔棒，可以建立輸電線、電塔的電子臺賬，對電力網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行具有實(shí)際意義[12]。

然而，由于機(jī)載飛行平臺所搭載的激光雷達(dá)重量所限，其掃描分辨率一般較低，所以機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中點(diǎn)與點(diǎn)的間隔較大，無法得到電塔的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。鑒于此，文中提出一種機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與地面激光掃描儀協(xié)同工作的輸電線路測量方案，可以采集輸電線路的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊中危險(xiǎn)點(diǎn)的檢測[13]以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測[14]，圖1給出了組合激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作流程。

圖1 組合激光雷達(dá)系統(tǒng)工作流程Fig.1 Combined laser radar system workflow

1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)及其工作流程

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)集全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)和激光測距技術(shù)(Light Detection and Ranging，LiDAR)于一體，可以主動式、無接觸地采集測量對象的空間信息。具體工作流程如圖2所示，包括飛行設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合解算3個(gè)步驟。

圖2 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of airborne lidar system

1.1 飛行設(shè)計(jì)

飛行設(shè)計(jì)包括無人機(jī)和激光雷達(dá)設(shè)備的選型以及飛行航線的規(guī)劃。文中選用多旋翼無人機(jī)，搭載Rigel mini VUX-1UAV激光雷達(dá)系統(tǒng)(參數(shù)如表1所示)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，可以將電力線軌跡導(dǎo)入系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)分辨率和條帶覆蓋寬度，根據(jù)地形信息限制，自動生成安全跨線的條帶狀電力測量航線。

表1 激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Parameters of lidar system

1.2 數(shù)據(jù)采集

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)系統(tǒng)在進(jìn)行輸電線路測量時(shí)，需要采集的數(shù)據(jù)有點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高分辨率圖像、IMU觀測數(shù)據(jù)、無人機(jī)GNSS數(shù)據(jù)和基站GNSS數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)時(shí)，無人機(jī)操作人員需要通過遠(yuǎn)程控制平臺對機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的GNSS信號、影像質(zhì)量、回波接收狀態(tài)和實(shí)時(shí)環(huán)境條件進(jìn)行監(jiān)測并及時(shí)應(yīng)對各種意外情況。

1.3 數(shù)據(jù)融合解算

為了得到輸電線路的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要對機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，具體數(shù)據(jù)解算流程如圖3所示。

圖3 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算流程Fig.3 Data solution flow chart of airborne lidar system

(1)RTK/PPK差分解算

實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic, RTK)在通信鏈路良好的情況下，可以基于流動站和基準(zhǔn)站的GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，得到厘米級的定位結(jié)果。而在山區(qū)進(jìn)行輸電線路測量，通信鏈路較差的情況下，動態(tài)后處理技術(shù)(Post Processed Kinematic)可以在事后基于流動站和基準(zhǔn)站的GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，同樣能夠得到厘米級的定位結(jié)果。

(2)GNSS-IMU聯(lián)合解算

GNSS-IMU聯(lián)合解算是指將GNSS數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過一定算法結(jié)合起來進(jìn)行解算。GNSS具有精度高、誤差不隨時(shí)間發(fā)散的優(yōu)點(diǎn)，但其采樣率低且容易受遮擋影響；IMU具有采樣率高、短時(shí)精度高且受外界環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，但其誤差隨時(shí)間累積。采用GNSS-IMU聯(lián)合解算可以獲得更高精度的定位數(shù)據(jù)，從而提高機(jī)載激光雷達(dá)的測量精度。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)定向

得到準(zhǔn)確的定位結(jié)果后，聯(lián)合系統(tǒng)的參數(shù)可以獲取無人機(jī)的航跡文件，并為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每一個(gè)點(diǎn)賦予坐標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定向。經(jīng)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集到的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 部分輸電線路走廊點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.4 Part of point cloud data of transmission line corridor

2 地面激光掃描儀及其作業(yè)方案

地面激光掃描儀是激光掃描技術(shù)的又一載體，相比于機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，地面激光掃描儀具有更高的掃描分辨率和測量精度，可以采集到測量對象更為精細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.1 設(shè)備選型

文中采用的地面激光掃描儀型號為Leica ScanStation P50，掃描距離可達(dá)1 000 m，能夠在360°×290°的掃描視場內(nèi)以1 000 000點(diǎn)/秒的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測距精度可達(dá)1.2 mm +10 ppm。

2.2 作業(yè)方案

利用地面激光掃描儀進(jìn)行測量時(shí)，由于激光沿直線傳播且測量環(huán)境中遮擋物的存在，實(shí)際測量時(shí)需要對測量對象進(jìn)行多測站多視角掃描，獲取測量對象的分站點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后將各個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到測量對象的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。考慮到輸電線路測量區(qū)域大尺度、長條狀的特點(diǎn)，作業(yè)時(shí)采用已知后視點(diǎn)拼接方法，在掃描的同時(shí)完成數(shù)據(jù)拼接，這種方法可以兼顧拼接的精度與效率，示意圖如圖5所示。

圖5 已知后視點(diǎn)拼接示意圖Fig.5 Schematic diagram of known back-sight registration

作業(yè)方案的具體實(shí)施如下：

(1)測區(qū)踏勘。全面了解測區(qū)的范圍和地形特征，選取合適的測站點(diǎn)和后視點(diǎn)，完成測區(qū)草圖的繪制；

(2)坐標(biāo)測量。采用GNSS接收機(jī)，利用RTK定位技術(shù)，測量各個(gè)測站點(diǎn)和后視點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)并記錄；

(3)掃描。設(shè)定掃描儀測站信息并捕捉后視點(diǎn)標(biāo)靶，設(shè)定合適的掃描范圍和掃描參數(shù)，對測量對象進(jìn)行掃描。

3 輸電線路測量試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

輸電線路測量試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省張家口市張北縣，時(shí)間是2019年10月。輸電線路為張北500 kV高壓輸電線，全長約20公里呈帶狀分布，地形起伏較小。

3.1.1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)作業(yè)

根據(jù)我國電力營運(yùn)安全規(guī)范DLT 741-2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)范》，對于500 kV的輸電線路，需要排查輸電線路走廊兩邊各20 m的走廊寬度。根據(jù)輸電線路高度、地形條件和測量要求，飛行高度為80 m ～140 m、相對于避雷線(最上層的電力線)20 m，掃描分辨率為3 cm，航向重疊率和旁向重疊率分別為80%和70%。飛行時(shí)由人工和自主飛行組成，在掃描飛行前先進(jìn)行快速直線和“8”字繞行來進(jìn)行GNSS/IMU組合導(dǎo)航的校準(zhǔn)精度的提高，然后升高到預(yù)定高度，沿航線進(jìn)行飛行掃描，掃描結(jié)束后飛出測量區(qū)域做完“8”字繞行和快速直線后返回降落。其中一個(gè)電塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)共包含55 580個(gè)點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)-機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)Fig.6 Point cloud data of electric tower-airborne lidar system

3.1.2 地面激光掃描儀作業(yè)

利用地面激光掃描儀對電塔進(jìn)行測量時(shí)，每個(gè)電塔分兩站進(jìn)行掃描，測站點(diǎn)和后視點(diǎn)的坐標(biāo)通過GNSS接收機(jī)連接千尋知寸厘米級高精度定位服務(wù)，可以在幾秒內(nèi)獲得厘米級定位結(jié)果。掃描范圍通過掃描儀內(nèi)置相機(jī)確定，掃描分辨率為1.6 mm@10 m，最大測量距離為120 m，每個(gè)測站掃描時(shí)間約5 min。其中一個(gè)電塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)共包含889 287個(gè)點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)-地面激光掃描儀Fig.7 Point cloud data of electric tower-terrestrial laser scanner

3.2 試驗(yàn)結(jié)果處理

由圖6、圖7可以看出，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取到的電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)中點(diǎn)與點(diǎn)的間隔較大，而地面激光掃描儀獲取到的電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)分辨率很高，桿塔結(jié)構(gòu)清晰，絕緣子可見。為了獲取輸電線路的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以將機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)和地面激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合在一起，如圖8所示。

圖8 融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.8 Fusion point cloud data

其實(shí)質(zhì)是兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，通過選擇3個(gè)以上的同名特征點(diǎn)對，如電塔的角點(diǎn)、頂點(diǎn)，計(jì)算出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)——旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。

(1)

(2)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

基于機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)和地面激光掃描儀獲取到的融合后的輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)DLT 741-2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)范》和輸電線路測量要求，可以實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊中各個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的檢測以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測。實(shí)際試驗(yàn)表明，組合激光雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)厘米級的測量結(jié)果可以滿足輸電線路的測量精度要求[15]。

3.3.1 危險(xiǎn)點(diǎn)檢測

輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)中通常囊括了電塔、電力線、植被和地面等信息，在進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)檢測前，需要分類提取這些數(shù)據(jù)。在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件中，可以自動實(shí)現(xiàn)輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類，分類結(jié)果如圖9所示。

圖9 輸電線路走廊點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類圖Fig.9 Point cloud data classification diagram of transmission line corridor

在輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以對輸電線路走廊進(jìn)行直觀的觀察并對電力線-植被、電力線-地面、電力線-建筑物和電力線-電力線等危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行檢測，每個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的位置、類型和相對距離都可以從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中精確獲得，圖10給出了部分危險(xiǎn)點(diǎn)檢測結(jié)果。

圖10 危險(xiǎn)點(diǎn)檢測Fig.10 Danger point detection

3.3.2 電塔傾斜度與變形監(jiān)測

電塔的傾斜度與變形速率是判斷其在輸電線路運(yùn)行過程中是否安全的重要依據(jù)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可以得到電塔幾何特征點(diǎn)的精確坐標(biāo)，利用這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電塔的傾斜度。通過掃描不同時(shí)期的電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對比不同時(shí)期的電塔幾何特征點(diǎn)的相對位置即可實(shí)現(xiàn)電塔的變形監(jiān)測。

4 結(jié)束語

文中針對傳統(tǒng)人工測量輸電線路方法精度與效率較低的問題，提出一種機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與地面激光掃描儀協(xié)同工作的組合激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集輸電線路走廊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用地面激光掃描儀采集電塔高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，實(shí)現(xiàn)兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊中危險(xiǎn)點(diǎn)的檢測以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測，具有一定的實(shí)用價(jià)值。