基于無人機單線激光雷達技術的輸電線路導地線路研究

高 駿，胡曉龍，徐嘉汗

（國網浙江省電力有限公司建德市供電公司，浙江 建德 311600）

0 引 言

進入21世紀以來，科學技術的快速發展改變了各行各業的工作形式，工作生產更加高效。無人機作為新型科學技術中最具代表性的產物，得到廣泛應用。在雷達檢測技術的創新下，基于科學技術的融合產生了無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）激光雷達技術。其中，無人機單線激光雷達技術結合無人機遙感傳感技術的優勢特點，依托于電磁波技術實現數據有效采集與分類處理，能夠實現大范圍的數據采集與分析，且受外部因素影響較低，抗干擾能力較強。為實現輸電線路科學化運維，本文進行了基于無人機單線激光雷達技術的輸電線路導地線跟隨裝置研制的專題研究，以此來豐富機載雷達檢測技術的應用層面。

1 輸電線路三模型構建

1.1 激光點云數據分類

在無人機單線激光雷達技術的輸電線路導地線跟隨裝置研制中，可基于濾波法的應用對點云與地面數據的分離，具體要結合實際地形起伏特點來調整濾波參數，為增強輸電線路導地線跟隨裝置的適用性，使其在輸電線路運維管理中能夠適用于異型地形復雜的山區環境中[1]。本研究結合無人機單線激光雷達技術的多樣性與輸電線路通道原始位置數據來進行激光點云數據的劃分，具體運用的技術軟件見表1。

表1 技術軟件統計表

基于學習與借鑒國內外研究成果，閱讀相關文獻資料，發現輸電線路、數目、桿塔及建筑物幾何特征有明顯差異，運用無人機單線激光雷達系統的方向特征分離輸電線路桿塔點云數據。圖1為無人機單線激光雷達系統實物。

圖1 無人機單線激光雷達系統

為使基于無人機單線激光雷達技術的輸電線路導地線跟隨裝置具備較強的實用性，在三維模型構建中要結合自適應鄰域計算來明確激光點最佳鄰域半徑，并結合矩陣奇異值分解法計算不同類型的激光雷達點云數據，計算公式為

式中：A代表無人機單線激光雷達點云數據鄰域內點集構建的協方差矩陣；U和V代表正交矩陣；A=diag(λ1，λ2， …，λn)是 對 角 矩 陣， 對 角 元 素 λ1，λ2，…，λn為矩陣A的奇異值，數值的大小將決定信息量表達的數量，數值越小則表達數量越少，越大就代表相關信息量表達越多，本研究以前3個奇異值λ1,λ2,λ3為例進行計算，具體計算公式為

式中：a1d、a2d、a3d代表X、Y、Z三維立體坐標軸上的維度特征，a1d+a2d+a3d=1。

在輸電線路運維管理方面，基于多種地物具備的多樣性點云空間分布特性來看，大部分輸電線路導地線存在于樹木叢生的環境中，該環境的特征為不規則性，在研制跟隨裝置時會出現因點云空間存有多向同性分布的特點，導致X、Y、Z坐標軸的維度特征更加相近，形態為球狀目標。從用電供應的角度來看，在建筑物供電中，該物體的結構一般為類長方體，點云空間中2個維度特征大于第3個，則坐標軸維度特征a1d≈a2d＞a3d，形態為面狀目標[2]。所以，在輸電線路導地線跟隨裝置研制中，通過運用無人機單線激光雷達技術，結合該項技術的航測參數來提取有關建筑物、數目及輸電線路的點云數據，航測參數見表2。輸電線路導地線平行于水平面，同輸電線路桿塔為90°垂直，可基于輸電線路導地線的方向特征來分離線路桿塔點，設置跟隨裝置。

表2 無人機單線激光雷達技術航測參數

1.2 輸電線路導地線擬合

運用無人機單線激光雷達技術進行輸電線路導地線分離時，維度與方向特征的分離需預留部分桿塔點，這種方式會對輸電線路導地線分離效果產生影響。結合輸電線路導線的形態來看，通常以一定弧度的曲線為準，要嚴格禁止以桿塔兩端直接進行連接，直線連接的方式會影響輸電線路導地線跟隨裝置的精度，使該設備在技術層面難以符合相關標準。需采取擬合計算的方式來明確輸電線路導地線模型的空間姿態[3]。從桿塔懸垂導地線三維空間姿態來看，在無人機單線極廣雷達技術的應用中，關于輸電線路導地線跟隨裝置的設置還需以懸鏈線方程對多種數據進行擬合分類與求解，具體步驟見圖2。

圖2 懸鏈線方程的輸電線路無序導地線數據擬合計算步驟

1.3 安全距離計算

運用無人機單線激光雷達技術計算出輸電線路、地物、導地線激光的點云數據，以此來明確輸電線路導地線與地物的距離，依據有關標準計算安全距離。同時，可基于無人機單線激光雷達技術來構建通輸電線路導地線點云數據濾波后的數字高程模型，以模型分析的方式研制輸電線路導地線跟隨裝置。依據輸電線路導地線和地物安全距離的計算來得出科學合理的安全距離，以明確跟隨裝置設置的距離，加強對風險點的管控，為跟隨裝置后續研制提供依據，步驟如下文所述。

（1）結合相關文獻提出的跟隨裝置研制方法，網格單元都以邊長1 m正方形為準。（2）結合無人機單線激光雷達技術的應用計算輸電線路導地線中不同網格導地線和地物的安全距離，其中涉及到水平、垂直以及直接凈距離。考慮到輸電線路走廊的形態特征，結合外樹木倒伏產生的風險因素，在計算中還需結合對樹木倒伏時，頂點和輸電線路導地線安全距離進行計算[4]。同時，要依據網格內樹木點云數據的中心點與樹木高度來計算倒伏過程中圓弧的中心點，從而獲取圓弧的數據信息，進一步明確圓弧和跟隨裝置的安全距離。（3）該步驟以步驟（2）的跟隨裝置研制法為基礎，計算相鄰網格輸電線路導地線和網格的安全距離。（4）結合輸電線路運維管理的新規程計算出不同網格間的安全距離，基于相關技術標準來比較安全距離，若安全距離數值不符合標準范圍內，則需對輸電線路導地線風險因素進行檢測，并進行走廊清理，最后對出風險點坐標位置進行計算。

2 實現的主要功能與應用效果

2.1 實現的功能

基于無人機單線激光雷達技術來研究輸電線路導地線跟隨裝置功能的實現，以距離測量為準，為凸顯跟隨裝置在輸電線路運維管理中的效用，還需獲取輸電線路導地線運行的相關數據信息來加強對輸電線路設備的管理。在設備出現故障時，跟隨裝置能夠基于無人機單線激光雷達技術對數據信息的有效采集與準確性分析來獲取高精度點云數據，進而對不同物體與跟隨裝置間安全距離進行測算，從而滿足跟隨裝置在輸電線路運維管理中應用的技術標準與基本要求，以此來增強輸電線路運維管理的科學性、合理性及規范性。此外，跟隨裝置的研制有助于線路資產管理的實現，運用無人機單線激光雷達技術來構建三位模型，獲取點云與高清影像數據，通過數據信息的分類整合可通過輸電線路導地線屬性參數的錄入，實現線路資產管理[5]。

2.2 應用效果

無人機單線激光雷達技術輸電線路導地線跟隨裝置的應用能夠自動巡檢，實現對輸電線路的動態監管，以無人機巡視的工作形式替代傳統人工巡檢的輸電線路運維管理形式，促進輸電線路運維管理效率及水平的提高。運用機載單線激光雷達系統來實現對電線塔、電力線及附近植被地物點云數據的有效采集，以數據分析的方式構建三維模型，從而實現對輸電線路的精準測算，掌握真實有效的數據信息，能夠避免線路事故停電，降低經濟損失[6]。

3 結 論

在輸電線路運維中，運用無人機單線激光雷達技術來研究輸電線路導地線跟隨裝置，借助跟隨機制來加強對輸電線路的運維管理，確保輸電線路能夠平穩、安全的運行。以科學化準確跟隨的特點來了解輸電線路導地線運行的實際情況，以動態監管的方式基于奇異值組合來明確三維立體坐標軸上維度和方向的特征，從而實現對輸電線路中導地線、桿塔和地物的有效管理。基于創新性跟隨裝置的研制，能夠為輸電線路走廊清理方案的設計與完善提供依據。