利用無人機LiDAR點云數(shù)據(jù)進行電力線危險點檢測

葉清泉，吳德智，李衛(wèi)紅

利用無人機LiDAR點云數(shù)據(jù)進行電力線危險點檢測

葉清泉1，吳德智1，李衛(wèi)紅2

( 1．國網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司，浙江溫州325001; 2．北京吉鷗信息技術(shù)有限公司，北京100023)

一、引言

伴隨著數(shù)字電網(wǎng)的提出，電力線的快速高精度勘測、模型重建、危險點檢測也已經(jīng)進入數(shù)字化時代。電力線危險點檢測指檢查線路走廊中地物到線路的距離，發(fā)現(xiàn)處于危險范圍內(nèi)的地物即危險點。激光雷達能夠穿透植被，成為目前全球唯一可以對電力導(dǎo)線建模、最快最精確得到地表模型并組建出新的輸電線路的移動巡視系統(tǒng)［1］。無人直升機具有明顯優(yōu)勢:制造、運營成本低，可免去調(diào)機、停機的費用和時間，無須飛行員培訓(xùn)、飛行申請，操作靈活，小型無人機單人攜帶，大型無人機只要一輛面包車就可運輸，無須特別的起飛場地［2］。

綜合考慮機載LiDAR系統(tǒng)和無人機優(yōu)勢，本文將二者結(jié)合起來，實現(xiàn)輸電線路數(shù)字化巡線，無人直升機按照預(yù)先設(shè)定的航線飛行，對溫州市蒼南縣境內(nèi)電力線進行巡視。

二、設(shè)備選擇與組建

本文采用的無人直升機Dragon 35是一款歐洲設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)的雙懸翼無人直升機，與之匹配的激光雷達系統(tǒng)是由美國激光雷達專家設(shè)計集成的三維激光雷達設(shè)備GL-200。

Dragon 35是一款交叉式雙旋翼無人機直升機系統(tǒng)，兼有常規(guī)直升機及常規(guī)旋翼機的優(yōu)點，起落靈活、起重能力強、穩(wěn)定性好，適宜執(zhí)行起重、吊掛作業(yè)。由于沒有尾槳，結(jié)構(gòu)簡單，對配重和槳葉的精確匹配要求都較普通無人機低，因此不僅所需生產(chǎn)費用低，而且故障率也低，使用維護簡單方便。

三維激光雷達系統(tǒng)GL-200由中等測距的高質(zhì)量激光掃描儀、中等精度IMU/GPS貫導(dǎo)系統(tǒng)、中等像幅數(shù)碼相機系統(tǒng)等多個部件組成。特點是重量輕、體積小、安裝容易、軟件優(yōu)化、操作簡單。集成后的設(shè)備經(jīng)過精密檢校和測試，性能穩(wěn)定，獲取的數(shù)據(jù)精度高。

為實現(xiàn)無人機與激光雷達系統(tǒng)的對接，本文對激光雷達系統(tǒng)進行全方位改建，研發(fā)出輕型智能化系統(tǒng)，包括各個組成部件、集成技術(shù)、智能軟件。在二者結(jié)合時，著重注意配重、機械、電子信號、控制系統(tǒng)、電源等的連接。

三、數(shù)據(jù)獲取

1．飛行方案設(shè)計

項目試點位于溫州市蒼南縣境內(nèi)，由于高壓線分布在山區(qū)不同的地形，為了飛行通視安全要求，需要分段飛行。本次研究飛行方案為:飛行高度離地面150 m，飛行速度8 m/s，激光脈沖頻率30萬Hz，相機曝光時間間隔7．2 s，以便有足夠的重疊影像來進行后期處理，以及有高密度的激光點進行導(dǎo)線和桿塔的精確建模。

2．?dāng)?shù)據(jù)精度分析

由于輸電線路不同，電壓等級走廊寬度不一樣，桿塔的高度也不同，要保證走廊信息的完整性需對航帶帶寬要求很高，同時為更好地識別線塔設(shè)備層需要相對誤差至少在10 cm以下，鐵塔水平誤差在1 m以內(nèi)，高程誤差在0．5 m以內(nèi)。本研究中達到的數(shù)據(jù)精度為相對水平誤差10 cm，相對高程誤差5 cm，絕對水平精度30 cm，絕對高程精度20 cm，影像分辨率5 cm，激光點密度超過50點/m2，完全達到了導(dǎo)線建模的精度和測距判讀及交叉跨越分析的要求。

四、LiDAR點云的電力線危險點檢測

本文將數(shù)據(jù)處理流程分為電力線提取與危險點檢測兩個過程。

1．電力線提取

機載激光雷達在掃描地面時，由于地表物理特征不同產(chǎn)生了不同的后向散射，有很多的噪聲點，主要包括高空孤立點和地面以下孤立點。高空孤立點和電力線點在空間分布上相似，若將這類數(shù)據(jù)混入到電力線類別中會影響電力線定位和擬合的精度;而地面以下孤立點會影響地面點分類的精度，從而進一步影響電力線類別的提取。因此，點云濾波前一定要進行預(yù)處理，剔除高空孤立點和地面以下孤立點。

剔除高空和地面以下孤立點后，就可以進行Li-DAR點云濾波。點云濾波的基本原理是基于點云鄰近點間的高程突變，即局部不連續(xù)。一般認為，這種高程突變不是由地形起伏引起的，而是由非地形點，即較高點位于某種地物引起，而非地面點。

LiDAR點云濾波后，便可以進行點云分類。國內(nèi)外許多學(xué)者也針對LiDAR點云分類提出了很多方法，對不同應(yīng)用對象和分類目標采用不同定義，造成許多分類算法對一種地貌能很好地處理但對另外一種地貌卻會得到錯誤結(jié)果。分析試驗區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于電力線多處于深山中，地物目標種類單一，主要是地面點、植被和電力線與電力塔，在一定程度上降低了點云分類的難度。本次試驗使用一種基于知識的從LiDAR點云數(shù)據(jù)中提取目標地物的方法，這種方法利用電力線的線狀特性和高程特性及植被多次反射和連續(xù)性特征，再結(jié)合高程數(shù)據(jù)，能很好地實現(xiàn)電力線和植被點云分類。

點云分類后得到的電力線并不是連續(xù)的直線，而是由很多離散點組成近似的線段形狀，還需擬合為連續(xù)矢量線。由于電力線在X、Y平面內(nèi)都是直線段，因此將電力線點云降維投影到X、Y平面，利用Hough變換提取直線。在X、Y投影面上的平面坐標系中，一條直線可以用直線方程表示為

這種方法一方面能利用線性特征，另一方面能克服電力線數(shù)據(jù)的離散性。由于電力線有寬度并存在其他地物干擾，電力線數(shù)據(jù)點不是恰好分布在某幾條直線上，而是以某幾條直線為中心，分布在這些直線的中心或兩側(cè)，結(jié)合最小二乘擬合的方法進行中心線擬合，能解決Hough變換檢測出多組斜率、截距近似的直線群問題。對電力線點云進行Hough變換，檢測直線;對Hough變換檢測到的線段依據(jù)共線性準則進行分簇，統(tǒng)計所有斜距和截距范圍，將斜距和截距范圍差別小于某一閾值的線段判定為同一直線簇，得到n簇線段群;分別對n簇線段群內(nèi)的線段截距和斜距用最小二乘進行擬合，擬合出n條線段;對線段斜率進行聚類，將元素小于一定閾值的類剔除［3］。這樣擬合出一系列具有不同斜率和斜距的線段，線段斜距的變化點對應(yīng)電力塔所在位置，每一個( k，b)參數(shù)對應(yīng)一條直線。

確定了電力線在X、Y平面上的直線參數(shù)，就確定了電力線所在的斷面。由于誤差的存在，并且平行電力線之間存在一定的間距，因此計算斷面時，需要給予斷面一定的X、Y平面寬度，包含盡量多的有用點云。根據(jù)電力線直線方程將電力線垂面內(nèi)兩側(cè)各10 cm距離內(nèi)的電力線點云投影到其對應(yīng)的斷面中，每根電力線在斷面內(nèi)是一根懸鏈線，可用簡化實用拋物線方程來表示

由此得到一條條在三維空間中平滑的拋物線，即最終的電力線矢量化產(chǎn)品。

2．危險點檢測

電力線危險點檢測指檢查線路走廊中地物到線路的距離，發(fā)現(xiàn)處于危險范圍內(nèi)的地物則判定為危險點。理論上，電力線危險點檢測應(yīng)該以電力線為軸線，半徑為L的圓柱內(nèi)是否存在植被或建筑物等地物( L的長度由電力線種類、負載電流或電壓決定)，若存在即為危險點。實際上，電力線并不是直線，而是一段段圓滑的拋物線，在其周圍建立圓柱形區(qū)域，如圖1所示，這樣計算電力線周圍點到電力線的距離R，若距離R＜L，則判定為危險點。

圖1

由于在三維空間中計算點到曲線的距離，曲線方程難以描述，點到線距離計算復(fù)雜且耗時長。考慮到電力線擬合時，已經(jīng)獲得每條電力線在X、Y投影面內(nèi)的直線方程和斷面內(nèi)的拋物線方程，本文按照高程，將每條電力線兩側(cè)L范圍，高程與電力線高度相差L范圍內(nèi)的點投影到斷面，在斷面內(nèi)計算點到拋物線的距離R，若R＜L，判定為危險點。

五、試驗結(jié)果分析

無人直升機與有人直升機相比，主要劣勢是飛機質(zhì)量小，飛行姿態(tài)難以掌控，但激光雷達系統(tǒng)具有極好的姿態(tài)測量和定位系統(tǒng)，且可以利用地面點至掃描儀的距離信息獲取圖像，因此容易恢復(fù)地面信息。試驗結(jié)果表明，利用無人機LiDAR點云數(shù)據(jù)能很好地提取并擬合電力線，結(jié)果精度非常高。

但電力線危險點檢測精度還不夠高，危險點檢測精度還有待提高。本項目中，利用將電力線周圍L范圍內(nèi)的點投影到電力線斷面并計算投影點到拋物線的距離來判定危險點。這種方法計算簡單，理論上可檢測出所有危險點，但同時也會將少部分非危險點錯判為危險點。例如，若將危險點范圍L定為0．45 m，存在點云距離電力線斷面距離為0．4 m，與電力線高度相差為0．3 m的點，該點在電力線斷面內(nèi)距電力線距離為0．3 m符合危險點判定要求，但實際上，該點與電力線距離為0．5 m，并不屬于危險點。更精確的檢測方式可以設(shè)置步長，逐層將電力線兩側(cè)不同距離內(nèi)的點投影到斷面，通過步長和斷面內(nèi)投影點到電力線的距離精確計算三維空間內(nèi)地物點云到電力線的距離，檢測危險點。

六、結(jié)束語

本文驗證了無人機與LiDAR系統(tǒng)相結(jié)合進行電力巡線技術(shù)的優(yōu)越性。無人機操作靈活，小型無人機可單人攜帶，大型無人機只要一輛面包車就可以運輸，無須特別的起飛場地，使用和維護費用低、效率高，將無人機技術(shù)與成熟的LiDAR系統(tǒng)結(jié)合，對電力線巡視、定位、提取建模及危險點檢測具有良好的應(yīng)用意義。

［1］ 陳功，程正逢，石克勤，等．激光雷達在電力線路工程勘測設(shè)計中的應(yīng)用［J］．電力勘測設(shè)計，2006 ( 5) : 53-56．

［2］ 余國林，陳繼平，余濤，等．無人機航空遙感平臺機載作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012( 4) : 132-135．

［3］ 徐祖艦，王滋政，陽鋒．機載激光雷達測量技術(shù)及工程應(yīng)用實踐［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2009．

［4］ 隆華平，蘭增榮．基于機載LiDAR數(shù)據(jù)的電力線提取［J］．大眾科技，2011 ( 6) : 110-111．

［5］ 張小紅．機載激光雷達測量技術(shù)理論與方法［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2007．

［6］ 葉嵐，劉倩，胡慶武．基于LiDAR點云數(shù)據(jù)的電力線提取和擬合方法研究［J］．測繪與空間地理信息，2010，33( 5) : 30-34．

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［8］ 韓文軍，陽鋒，彭檢貴．激光點云中電力線的提取和建模方法研究［J］．人民長江，2012，43( 8) : 18-21．

［9］ 劉大杰，陶本藻．實用測量數(shù)據(jù)處理方法［M］．北京:測繪出版社，2000: 79-81．

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Powerline Danger Point Detection Using UAV LiDAR Point Cloud

YE Qingquan，WU Dezhi，LI Weihong

智能電網(wǎng)建設(shè)的大規(guī)模開展對電網(wǎng)快速高精度勘測、巡查和可視化管理提出了巨大的應(yīng)用需求。機載LiDAR系統(tǒng)為快速、高效、高精度電力線路建模、巡視和危險點檢測提供了可能。小型無人直升機遙感平臺特有的便于攜帶、轉(zhuǎn)移方便、成本低、易于維護的優(yōu)勢使基于無人機平臺搭建的對地觀測系統(tǒng)成為世界各國爭相研究的熱點。本文討論了將機載LiDAR系統(tǒng)與無人機技術(shù)結(jié)合，并以溫州市蒼南縣境內(nèi)電力線為試驗區(qū)，實現(xiàn)了對基于無人機LiDAR點云數(shù)據(jù)的電力線危險點的快速、精確檢測。

機載LiDAR;無人機;電力線建模;危險點檢測

葉清泉( 1974—)，男，碩士，工程師，主要從事輸電線路運行、維護及工程管理等工作。E-mail: 47594808@ qq．com

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0494-0911( 2015) 11-0057-03

葉清泉，吳德智，李衛(wèi)紅．利用無人機LiDAR點云數(shù)據(jù)進行電力線危險點檢測［J］．測繪通報，2015( 11) : 57-59．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0346

2014-11-13;

2015-07-01