無人機激光雷達技術在輸電線路通道巡檢中的應用

鄧遠平

摘要：進入21世紀以來，我國科技水平發展迅速，無人機激光雷達技術被廣泛應用在輸電線路通道巡檢中。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。

關鍵詞：無人機;激光雷達技術;輸電線路;通道巡檢;應用

引言

隨著經濟建設水平的不斷提升，以及城市化建設規模的不斷擴大推動下，我國的電力行業得到了快速的發展。尤其在大量現代科學技術推動下，和信息技術以及網絡技術的應用，使得大量的電子電器產品涌入人們的生活，同時工業生產也逐漸實現了自動化和智能化，為電力系統帶來了極大的壓力。在這些因素推動下，電力行業也逐漸實現了現代化科學技術的應用，無人機技術就是電力行業利用先進技術進行輸電線路通道巡檢的設備與技術之一。本篇文章主要針對無人機激光雷達技術的功能以及在輸電線路通道巡檢當中的實際應用進行研究和分析。

1、電力無人機概述

根據無人機的機體結構，通?？蓪o人機分為無人直升機、多旋翼無人機和固定翼無人機三類。目前在電力巡檢中都有應用，但由于三種無人機的性能特點存在較大差異，其所承擔的巡檢任務也有所側重。無人直升機與傳統直升機類似，但由操控人員在地面站進行操控，是早期電網無人機巡檢試驗方案之一。由于無人直升機體積較大，操控難度較高，存在與電力設施碰撞產生嚴重后果的潛在風險，且成本較高，目前已較少應用在電力巡檢領域。多旋翼無人機由多個旋翼產生升力，通過改變各個旋翼的轉速控制飛行器的姿態，具有小巧靈活、垂直起降、精準懸停的優點，但機動性和飛行高度較低，負載較小，續航時間短。因此，在架空線路巡檢中，多旋翼無人機通常負責小范圍精細作業，或桿塔精細化建模等任務。固定翼無人機依靠螺旋槳或渦輪發動機提供前進動力，由機翼與空氣的相對運動產生升力，其巡航速度快，續航時間長，但起降需要跑道，且無法懸停。在架空線路巡檢中，固定翼通常負責大范圍、有較高航程要求的任務。除此之外，還有結合固定翼與多旋翼的復合翼無人機，兼具垂直起降、精準懸停與巡航速度快的優點，在災后應急等惡劣復雜環境的應用場景中極具潛力，但在電力巡檢領域尚未有大范圍落地應用。從功能來說，無人機在電力巡檢中所扮演的角色主要為遙感承載平臺。

2、輸電巡檢存在的問題

現在城鄉各處的電力網是保障電力傳輸的基礎設施。我國電網建設規模已躍居世界首位，在我國多變的氣候條件與復雜的地形地貌的情況下，保障中國超大規模的網絡運行是一個艱巨的任務。

目前，電網巡檢主要是人巡+機巡模式，人工巡檢人力成本過高，對巡檢工人來說，危險系數也較高。巡檢人員需要攜帶專業設備深入高山峽谷，甚至深山老林，爬上幾十米高的鐵塔，開展電網巡檢工作，碰上惡劣天氣，依然要堅持在巡檢一線，在巡檢過程中，一旦發生高空墜落或觸電等意外事故，后果不堪設想。機巡模式改變了以往人工巡檢的費時費力，但是飛手的培養需要時間與成本，加上每個飛手的操作技術問題，“炸機率”也一直居高不下。而且每個飛手的拍照距離、拍照角度與每基塔的拍照位置等人工誤差問題，也使得機巡模式成本過高。

巡檢班組人員通過使用無人機提高巡檢效率，但是新的工作方式也帶來了新的挑戰。巡檢人員需要長時間控制無人機飛行，這對于基層班組人員的無人機操作技能要求可不低。“炸機”“撞塔”等事故的發生也隨著機巡業務的擴大而與日俱增。同一條線路在兩個技術熟練度不同的飛手飛過以后也可能產生迥異的巡視結論。行業迫切需要更加智能、更加安全、更加可控的巡檢作業方式。降低無人機操作門檻，降低人員經驗對于巡檢工作的影響，進一步提升機巡作業效率，是各個供電人不斷追求的目標。

3、無人機激光雷達技術在輸電線路通道巡檢中的應用

3.1在輸電線路通道地物點云分類中的應用分析

在電網當中，輸電線路通道是十分重要的組成環節，而其內部所含有的地形地貌以及地標物電塔掛線點位置，是輸電線路通道點云分類中的主要監測數據，其是影響輸電線路運行穩定性與安全性的重點觀察對象。無人機激光雷達技術在實際的應用中，需要依靠多次反復的飛行巡檢來獲取原始點云，主要的目的在于將輸電線通道內的所存在的所有地物目標和地表附著物進行點云的分類和相關數據的記錄，尤其要針對不同類型的地物進行激光點的分離，確保能夠依據濾波分類將原始點云進行準確的地面點和非地面點的精確活粉，配合地面的激光點能夠形成差值和構網，進而實現地面通道的三維數字模型，其中要注意的是要重點對多次飛行任務的數據比對，確保數據的精確和真實。

3.2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。

3.3激光雷達探測技術

激光雷達探測技術是向探測對象發射激光信號，激光信號將探測對象的信息反射回來后，與原來的發射信號進行對比分析，經過處理以后可以獲得探測對象的位置、距離、方位、速度及形狀等參數。激光雷達技術使用激光束進行探測，可以獲得很高的分辨率，并同時跟蹤多個目標，速度分辨率可以達到10m/s以內。激光雷達探測技術的隱蔽性好、抗干擾能力強，激光發射系統的口徑比較小，可接受區域比較小，所以其他干擾信號不容易進入接收機。激光雷達探測器可以實現零高度工作，即便距離比較近的物體也可以實現探測。激光雷達探測系統使用的設備體積小、質量輕，適合無人機線路巡視要求。激光雷達探測技術可以獲取高精度、高密度云空間數據信息，并利用高分辨率的數碼相機進行攝影，然后利用計算機軟件提取相機的數據信息，建立三維模型，然后發現電力線路故障位置、距離和方向，提高線路巡檢的工作效率和質量，不需要巡檢人員一一對線路進行巡檢，就可以完成巡檢的工作任務。

結語

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。

參考文獻

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