無人機載激光測量系統在電力上的應用

彭勁松，許 俊，李 娟

(1. 湖南環境生物職業技術學院，湖南 衡陽 421005； 2. 武漢海達數云技術有限公司，湖北 武漢 430023)

電力系統的完善建設為推動經濟發展的重要一環。目前中國的輸電網規模越來越大，設備越來越多，且大多數位于遠離城鎮、遠離交通干線、人煙稀少的高山大嶺地區，為保障輸電線路安全穩定的運行，及時發現輸電線路的缺陷和隱患，電力部門需要定期對電力系統進行安全監測檢測。傳統人工巡檢的模式存在工作強度大、工作效率低、工作環境惡劣等問題，并且最終的巡檢結果難以達到現階段輸電線路運維方面對缺陷及隱患的精準檢測。本文以西昌500KV欖普二線一段線路為例詳細論述基于海達數云ARS-100機載激光移動測量系統在電力選線上的應用。

1 ARS-100機載激光測量系統

ARS-100為由武漢海達數云技術有限公司研發、生產的機載激光測量系統，主要包括激光器、MEMS慣導、GPS、同步控制器、板卡計算機及配套的激光點云處理軟件等構成。主要有以下特點：

(1) 全視角掃描測量、速度快、精度高。

(2) 主動測量方式。與光學遙感相比，機載激光技術不限于單一光照，不受陰影與太陽高度角的影響，在傳統攝影測量無法進行的山區與植被等陰影地區，不會影響測量數據的精度。

(3) 同步獲取點云和高分辨率影像。ARS-100機載激光測量系統集成了2010萬像素的高清數碼相機。獲取的照片可應用于三維點云數據的附色和三維模型的紋理貼圖。

(4) 外業操作簡單、智能化程度高。ARS-100設備上具有wifi模塊，可進行遠程連接操控。操控界面包含系統各個部件的狀態，調節參數簡單。

(5) 功能齊全的專業后處理軟件。

2 技術路線

2.1 制定飛行計劃

飛行之前，進行航線設計，確定航高、航速、激光器掃描頻率、相機的分辨率等參數。

2.2 地面GPS基站

在航攝過程中，可有一臺或多臺地面GPS接收機在已知點上工作，基站數據用于后差分解算，為飛機提供精確的GPS航跡信息。

2.3 激光掃描

激光回波測距的原理為由激光器發射激光并接收回波，由計時器記錄發射激光和接收激光的時間點，由于光速恒定已知，通過公式即可得到測距距離。激光的傳播時間可轉換為激光器對距離的測量。結合激光器的高度和激光掃描的角度，從GPS定位模塊獲得激光器的位置，從慣導定姿模塊獲得激光發射方向和角度，就可以準確地計算出每一個地面光斑的坐標X、Y、Z。

2.4 數據存儲

相機在無人機勻速飛行時，進行等時間間隔曝光，影像被壓縮存儲在可移動存儲介質上，激光數據和定位定姿數據也被保存在硬盤中。

3 點云數據在電力巡線上的應用

機載激光雷達測量技術在已建電網中的應用，包括電力巡線(危險點、線路交跨)、線路資產管理及電力專業分析3部分。

3.1 電力巡線與風險排查

海達數云ARS-100無人機激光雷達系統和數據處理系統為輸電線路監護人員提供數據基礎，發現輸電線路設施設備異常和隱患、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。三維點云測量分析如圖1所示。

圖1 三維點云測量分析

3.2 線路資產管理的數據基礎

利用激光點云對電力走廊范圍的地物建立三維模型，與地形景觀共同組成電力線路資產管理平臺。根據已知的電力資產信息建立資產管理數據庫，增加三維模型的拓撲關系和詳細的資產信息，實現電力資產的三維可視化管理，如圖2所示。根據電塔上的監控設備傳回數據，在三維數字化電網的基礎上進行各種專業電力分析，如預測模擬不同溫度、風速、覆蓋條件下的弧垂發化情況，模擬樹木生長情況，為線路管理決策提供有力支撐。

圖2 電力線通道可視化

通過巡線采集的激光點云數據，處理成標準的DEM，結合分類后的點云可以實現電力線路的三維數字化，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，成為實現線路資產管理的重要依據。

利用建模軟件，可將獲取的電塔、電線的點云數據進行矢量化、模型化，同時能1∶1地還原電力設施本身的面貌，如圖3所示。

圖3

3.3 電力專業分析

不管是基于激光雷達數據設計后進行數字化移交簡稱的三維數字化電網，還是通過巡線手段建立的三維數字化電網，由于點云數據精度高，場景還原度高，無論地形、樹木、塔桿模型、電線弧垂及線路交叉跨越等，都是最大限度的數字化再現。

電力數據處理流程分為點云處理、巡檢報告的生成兩大塊。

3.3.1 電力分檔

將獲取的欖普二線3基塔數據分為二檔數據，并對每一檔數據進行分析檢測。在電力平臺軟件中閾值設置為10 m時，識別出樹線矛盾如圖4所示。

圖4 10 m閾值整體與局部示意圖

3.3.2 電力報告

通過點云數據的自動分類和電力線的自動擬合技術，可實現電力線的快速生成。同時對點云數據進行分類，區分出地面與地表，從而可以準確計算電力線距離地面和地表的距離。危險分析為基于已經生成的擬合導線和分類的點云對導線進行對地安全距離分析。最后輸出實時工況三跨及樹障危險點分析報告，危險點分析報告見表1。樹障危險分析報告主要內容分為4部分，由巡檢概況、巡檢平面圖、缺陷點明細表與缺陷點平斷面圖構成。

4 結 語

利用機載激光測量技術不僅能夠自動、快速、非接觸地獲取電力線、電塔及地形表面海量的三維空間坐標數據，而且通過對點云數據進行處理分析可實現高準確度的電力危險點報告的生成與高仿真模型的構建，基礎數據可以滿足電力各種工程的應用。與此同時機載激光測量技術現在仍處于一個不斷發展、完善、更新的階段。隨著機載激光測量系統硬件及軟件功能的提升必將使其在電力上的應用更加深入，使電力巡檢更加智能、高效，這也是機載激光測量技術未來發展的一個必然趨勢。

表1 危險點分析報告

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