無人機激光雷達技術在輸電線路通道的應用

吳永利，陳歡

（國網龍巖供電公司，福建龍巖364000）

無人機激光雷達技術在輸電線路通道的應用

吳永利，陳歡

（國網龍巖供電公司，福建龍巖364000）

無人機技術發展日新月異，利用先進的無人機搭載激光雷達對輸電線路通道進行巡檢，采用點云數據技術，對輸電線路通道物征物進行提取，可以實現輸電線路的真實三維重建，恢復輸電通道的沿線地表形態、地表附著物、線路桿塔三維位置和模型，進而實現對建筑物、植被、交叉跨越物的距離測量，實現線路資產管理，為輸電線路管理決策提供有力支撐。

無人機；激光雷達；點云技術；輸電通道

當前，在無人機電力巡檢中，多搭載紅外線攝像儀、數碼攝像機、照相機、高分辨率望遠鏡、可見光錄像機等設備，在飛行的同時，可對途經線路進行觀測，獲取線路走廊可見光和紅外的錄像、影像等資料。此種作業方式最大的優點是數據采集成本較低；但隨著這些技術不斷投入使用，其缺點是這些技術的空間定位精度均不高，更重要的是，通過航空影像數據很難精確判斷線路走廊地物（比如樹木等）到線路的距離，而距離不足引發的線路閃絡最終導致線路跳閘是許多線路安全事故的初始誘發因素。隨著無人機機載激光雷達技術的發展及成本的降低，它可以很好地解決空間定位和量測精度等問題，將無人機機載激光雷達技術應用到電力巡線中具有較好的應用前景。

1 國內外研究概況

在全國范圍內，雖然無人機機載激光雷達在災害性普查和故障點巡查中運用較多，但將無人機機載雷達技術運用到電力生產中，能使其代替直升機完成整線路精細化作業的應用較少。因此，應將無人機機載激光雷達應用于電力巡檢作業，實現輸電線路精細化巡檢作業，對故障和缺陷進行更加準確的判斷和定性，使其成為直升機巡檢的有效輔助手段，實現多維度的立體巡檢，從而引領我國電網發展的新趨勢。目前，國內相關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，電力線周圍內有同高的植被點，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點云數據的輸電通道特征物提取方法，通過在無人機上搭載激光雷達設備及高分辨相機，可以直接采集線路走廊高精度三維激光點云和高分辨率數碼影像，進而獲得高精度三維線路走廊地形、地貌、地物和線路設施設備空間信息，包括桿塔、掛線點位置、導線弧垂等。該方法能夠自動提取電力線點，并對電力線點進行曲線擬合，形成連續、完整的電力線路走廊。可實現的功能包括以下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）到導線的距離是否滿足安全運行要求；②高分辨率數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利用機載激光雷達測量技術對線路走廊進行數據采集和三維建模，巡檢人員可以對造成線路安全問題的隱患和異常進行分析，精確確定線樹距離，進而確定如何進行砍伐和障礙清除；④利用三維建模圖，恢復電力線沿線地表形態、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錄入實現線路資產管理。

2 無人機激光雷達點云數據技術

2.1 工作原理

電力巡檢無人機通過激光雷達系統巡線采集、處理電力沿線的激光點云，可以實現電力線路的真實三維重建，恢復電力線的沿線地表形態、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護人員提供數據基礎，了解輸電線路設備設施的結構信息，發現其中的異常和隱患，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還可以實現線路資產管理，與智能電網方案結合效果更好。

2.2 機載激光雷達

機載激光雷達掃描技術起源于20世紀90年代后期，它將GPS定位與激光測距相結合，可高效、快速獲取地面物體的高精度三維坐標點。與傳統的攝影測量技術相比，其量測精度更高，地物坐標獲取更加直接，現已被廣泛應用于測繪生產。機載激光雷達掃描儀通過對地面進行掃描，獲取反射回來的激光點數據，在三維空間中呈不規則分布的密集點集，在三維空間的分布形態呈現隨機離散的數據點“點云”（Points Cloud）。激光雷達測量數據不僅包含目標點的X，Y，Z坐標信息，還包括物體反射強度等信息。現階段，比較通用的數據格式為ASCII碼純文本和LAS格式，這兩種格式可以相互轉化。在這些激光點中，有些點位于真實地形表面，有些點位于人工建筑物（房屋、塔、輸電線等）或自然植被（樹、灌木、草）。通常情況下，從激光點云數據中去除掉地物回波點，提取數字高程模型（DEM）稱為激光數據的濾波。而從激光數據點云中區分不同地物，比如植被、房屋、道路等，則稱為激光數據的分類，某些時段濾波和分類是同時進行的。

2.3 地物點云分類

輸電線路通道是電網的最主要部分，通道內地形、地貌、地物（植被、建筑等）、電塔、掛線點位置等是電網建設和管理極為關注的對象。但一次飛行任務獲取的原始點云包括了輸電線走廊內的所有地物目標，而實際應用中需要將不同類型地物目標的激光點分離出來，即濾波分類。濾波即將原始點分為地面點和非地面點，地面激光點經過插值或構網可得到走廊的數字地形模型（DEM），而非地面點可經過進一步處理提取各類地物點。

2.4 激光雷達數據的濾波

從激光數據點云中提取數字表面高程模型（DTM/DEM），需要將其中的地物數據腳點去掉，這就是所謂的“激光雷達數據的濾波”。

如果要進行地物提取和建筑物的三維重建，就需要對激光腳點數據點云進行分類（分割），區分植被數據點和人工地物點，以提取數據點云系列，這就是所謂的“激光雷達數據分類”。針對電力線點的提取工作，也是先通過濾波分離地面點與地物點，然后使用分類方法分離植被點與電力線點。濾波和分類是機載激光雷達數據處理的關鍵。一般而言，激光點云數據濾波的處理時間大約占全部時間的60%～80%，濾波算法的質量直接決定著DEM的質量。目前，已經有不少國內外學者研究了激光點云數據的濾波和分類方法。

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。實時三維電力巡線地理信息系統的建立為線路的安全運行提供了決策支持。在系統數據制作中，需要對采集的遙感數據進行處理和分析。由于系統數據每隔一段時間需要重新采集和更新，所以，必須實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。該系統中應集成輸電線路通道影像、電力線三維拓撲數據、輸電線路通道中植被類型數據等，比如電力線安全緩沖區分析、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系，結合桿塔上安裝的溫度、濕度、風速等監控設備傳回的數據，即可在三維數字化電網基礎上進行各種電力作業分析，比如預測與模擬不同溫度、風速、覆冰下弧垂變化情況，模擬樹木生長情況等。

3 實現的主要功能和應用效果

3.1 實現的功能

3.1.1 實現距離測量

為輸電線路監護人員提供了數據基礎，發現了輸電線路設施設備異常和隱患，以及線路走廊中被跨越物對線路的威脅。利用機載激光雷達測量系統獲取的高精度點云可以檢測建筑物、植被、交叉跨越等對線路的距離是否符合運行規范。

3.1.2 線路資產管理

通過巡線采集的點云和高清影像數據，處理成標準的DOM、DEM，結合分類后的點云可以實現電力線路的三維建模，恢復電力線沿線地表形態、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錄入實現線路資產管理。

3.2 應用效果

利用無人機激光雷達技術進行電力巡線是一項先進的技術手段。采用該項技術進行電力巡線，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，而利用無人機進行巡視，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，且不受地理環境的限制。無人機激光雷達技術通過對電力走廊上電線塔、電力線、周圍植被等地物的點云數據采集、處理，可以實現電線桿塔、電力線的真實三維重建，實現植被與電力線的精確量測，發現線路存在的安全隱患，為管理者的決策提供了真實、有效的數據支持，避免了線路事故停電，挽回了高額的停電費用損失。

4 結束語

綜上分析，無人機激光雷達技術數據精度高，無論地形、樹高、桿塔模型、電線弧垂及交叉跨越，都可以最大限度實現電網在電腦中的數字化再現。不僅能夠獲取線路缺陷，且能對缺陷的位置進行準確的空間定位，確定線路與走廊地物的空間關系，傳統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行規范，并進行輸電線路磁場干擾分析和安全范圍等分析；配置符合運行規程的檢測參數，全自動進行危險地物（特別是樹木、交叉跨越）檢查、報警，并輸出檢測結果表，為沿線的植被管理、植被生長預測、制訂植被砍伐計劃提供依據；結合在桿塔上安裝的溫度、濕度、風速、覆冰下弧垂變化等監控設備傳回的數據，可以在三維數字化電網基礎上進行各種電力分析，為輸電線路管理決策提供有力支撐。

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〔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行與檢修、電網智能巡檢方面的研究工作。