基于機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距輸電線路樹障的方法研究

毛 強(qiáng)

（中國(guó)南方電網(wǎng)公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663）

0 引言

近年來，我國(guó)林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，線路通道內(nèi)的樹木已成為線路運(yùn)行的重大隱患，由對(duì)線行通道內(nèi)超過安全距離的樹木放電引起的線路閃烙、電網(wǎng)停電、林區(qū)火災(zāi)等事故屢見不鮮，給線路的安全運(yùn)行帶來了巨大的災(zāi)難。南方電網(wǎng)西電東送線路通道內(nèi)樹木植被茂密，傳統(tǒng)地面人工使用經(jīng)緯儀或手持激光測(cè)距儀測(cè)量管理樹木安全距離需要花費(fèi)大量人力、物力，工作效率低且存在精度不準(zhǔn)的情況。

探討利用南方電網(wǎng)超高壓輸電公司自有AS350B3型直升機(jī)為飛行作業(yè)平臺(tái)，掛載激光雷達(dá)，集成高分辨率相機(jī)、POS系統(tǒng)(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))等傳感器，研究開發(fā)一套成熟、實(shí)用、完整的直升機(jī)輸電線路測(cè)距掃描數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，并開展直升機(jī)輸電線路智能測(cè)距實(shí)用化應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)智能、及時(shí)、大量排查輸電線路樹障安全隱患的目標(biāo)[1]。

1 基本原理

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）通過發(fā)射激光脈沖，對(duì)線路通道進(jìn)行掃描，獲取激光反射多回波數(shù)據(jù)和目標(biāo)表面影像，經(jīng)過特效算法處理，結(jié)合GPS位置坐標(biāo)和POS系統(tǒng)激光方向信息，生成高精度、高密度的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù)。充分利用激光束分層反射特性，對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)一步分類和濾波，批量分類出所測(cè)的線路導(dǎo)線、桿塔、樹木、走廊地形以及其他交跨物的空間信息，通過對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，在三維建模軟件支持下，參考高分辨率影像數(shù)據(jù)，生成高精度數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字三維模型[2]，編制專業(yè)輸電線路樹障安全隱患排查程序?qū)臻g測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速批量分析處理，實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)輸電線路樹障安全隱患點(diǎn)的自動(dòng)、準(zhǔn)確、高效檢測(cè)和定位。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距數(shù)據(jù)采集示意圖Fig.1 Intelligentdetection based on helicopter liDAR data collection diagram

2 智能測(cè)距硬件組成

直升機(jī)機(jī)載三維激光掃描設(shè)備是實(shí)現(xiàn)智能測(cè)距方法的硬件支撐，主要由數(shù)字激光掃描儀、高分辨率相機(jī)、POS系統(tǒng)和機(jī)載計(jì)算機(jī)集成，其中激光掃描儀發(fā)射激光脈沖并接收物體表面反射激光點(diǎn)云；高分辨率相機(jī)采集線路走廊正射影像；機(jī)載POS系統(tǒng)是由GPS接收機(jī)和慣性測(cè)量裝置（IMU）組合而成的高精度定位定向系統(tǒng)，為激光掃描儀和相機(jī)提供所需要的外方位元素；機(jī)載計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集并保證數(shù)據(jù)同步，同時(shí)存儲(chǔ)基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。機(jī)載計(jì)算機(jī)一般安裝在機(jī)艙內(nèi)，外接操作和導(dǎo)航終端[3，4]。數(shù)字激光掃描儀、高分辨率相機(jī)、POS系統(tǒng)等多傳感器標(biāo)定集成整體后通過云臺(tái)和直升機(jī)連接，使用高性能的云臺(tái)能減少直升機(jī)震動(dòng)對(duì)影像、激光點(diǎn)云獲取準(zhǔn)確性的影響，能補(bǔ)償直升機(jī)飛行傾角變化，改善后續(xù)成果的質(zhì)量。機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距設(shè)備整體組成及結(jié)構(gòu)如圖2、3所示：

圖2 直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距設(shè)備組成圖Fig.2 Intelligentdetection based on helicopter liDAR equipment composition diagram

圖3 直升機(jī)機(jī)載三維激光掃描設(shè)備多傳感器框架及云臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The frame and PTZ structure of helicopter airborne 3D Laser scanning equipment multi-sensor

3 智能測(cè)距方法

直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距輸電線路樹障主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)后處理、結(jié)果分析應(yīng)用3個(gè)階段。

3.1 數(shù)據(jù)采集階段

使用直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)輸電線路走廊進(jìn)行飛行掃描，首先根據(jù)數(shù)據(jù)采集要求制定直升機(jī)掃描作業(yè)方案和實(shí)施方案，明確激光掃描設(shè)備安裝調(diào)試和掃描飛行技術(shù)措施，充分考慮輸電線路的走向、走廊寬度、導(dǎo)線排列方式等因素，設(shè)計(jì)飛行航帶，布設(shè)測(cè)繪基準(zhǔn)點(diǎn)，確定原始激光數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)的格式和精度指標(biāo)[4，5]。直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)通過起飛前準(zhǔn)備、校驗(yàn)飛行、掃描作業(yè)、原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等一系列標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程完成數(shù)據(jù)采集。

圖4 直升機(jī)機(jī)載三維激光掃描設(shè)備多傳感器實(shí)際安裝作業(yè)圖Fig.4 The actual installation work of helicopter airborne 3D Laser scanning equipment multi-sensor

3.2 數(shù)據(jù)后處理階段

對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理，激光點(diǎn)云方面，按照三維激光掃描數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行大地定向、檢校和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，利用專業(yè)激光分類軟件對(duì)地面和非地面的激光點(diǎn)云進(jìn)行自定義分類，有效識(shí)別和提取出高密度、高精度的線路導(dǎo)線、桿塔、樹木、交叉跨越、建筑、地表的激光點(diǎn)云，采用分類后地面激光點(diǎn)云生成精細(xì)數(shù)字高程模型（DEM），線路導(dǎo)線、樹木、交叉跨越、建筑等非地面激光點(diǎn)云則通過參照影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化高程渲染[6-8]；影像數(shù)據(jù)方面，利用機(jī)載POS系統(tǒng)所獲取的影像外方位元素和分類后的激光點(diǎn)云，對(duì)航攝的輸電線路走廊影像進(jìn)行糾正影像的鑲嵌拼接，生成數(shù)字正射影像（DOM）。基于上述預(yù)處理成果，將數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、非地面激光點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)疊置，匹配實(shí)際坐標(biāo)，結(jié)合矢量化地圖發(fā)布矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維空間數(shù)據(jù)對(duì)象分類提取、標(biāo)識(shí)、空間屬性匹配、建立邏輯關(guān)系和模塊化，形成導(dǎo)線、桿塔、樹木、建筑和地面的分類對(duì)象空間專題圖層信息，實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊三維數(shù)字模型構(gòu)建[9]，可以真實(shí)反映采集瞬間的輸電線路走廊的三維空間情況，包括走廊地形、地物和導(dǎo)線弧垂、掛點(diǎn)、桿塔等線路設(shè)施設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行空間信息。

圖5 輸電線路走廊三維數(shù)字模型效果圖Fig.5 The 3D digital model effect of transmission line corridor

3.3 結(jié)果分析應(yīng)用階段

在上一階段構(gòu)建實(shí)時(shí)輸電線路走廊三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，在三維數(shù)字可視化平臺(tái)內(nèi)配置《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》（線路通過林區(qū)）和《南方電網(wǎng)公司輸電線路樹障防控工作指導(dǎo)意見》（樹障隱患分級(jí)原則）等安全距離檢測(cè)規(guī)范，基于檢測(cè)規(guī)范安全距離要求建立輸電線路安全絕緣距離評(píng)估模型，自動(dòng)進(jìn)行空間位置關(guān)系分析和安全距離三維量測(cè)計(jì)算，如圖6所示，一旦樹木到導(dǎo)線的相對(duì)距離不符合相關(guān)要求，則自動(dòng)定位報(bào)警隱患點(diǎn)，提供隱患點(diǎn)空間信息、位置和平斷面圖，自動(dòng)匯總輸出設(shè)定分析線路區(qū)段的隱患點(diǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括全部隱患點(diǎn)描述以及安全裕度參考，達(dá)到輸電線路樹障智能測(cè)距的目標(biāo)，為地面人工清除樹礙和砍伐樹木提供全方位指導(dǎo)。

圖6 輸電線路樹障隱患點(diǎn)智能檢測(cè)Fig.6 Intelligent detection of hidden tree barrier points along transmission line

2015年以來，南方電網(wǎng)公司范圍內(nèi)開展了多次直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距輸電線路樹障試點(diǎn)作業(yè)，實(shí)操作業(yè)取得了預(yù)期效果，南方電網(wǎng)公司“十三五”輸電線路“機(jī)巡+人巡”推進(jìn)方案也明確下一步將優(yōu)化作業(yè)方案，提高數(shù)據(jù)處理效率和質(zhì)量，不斷推進(jìn)直升機(jī)三維激光雷達(dá)掃描作業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用。

4 關(guān)鍵技術(shù)

通過研究與實(shí)踐，基于直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距輸電線路樹障方法存在以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）準(zhǔn)確模擬輸電線路導(dǎo)線、樹木

實(shí)際掃描輸電線路導(dǎo)線、樹木采集的激光點(diǎn)云是離散的，無法全面準(zhǔn)確展示各個(gè)空間對(duì)象，針對(duì)上述問題，導(dǎo)線部分通過懸掛點(diǎn)激光點(diǎn)云使用架空線懸鏈線方程計(jì)算弧垂和線長(zhǎng)，結(jié)合激光點(diǎn)云校正還原導(dǎo)線曲線[10、11]；樹木部分則融合激光點(diǎn)云空間結(jié)構(gòu)信息和影像紋理信息來解決樹木激光點(diǎn)云不均的問題；通過上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的線路導(dǎo)線及周圍交跨樹木的三維測(cè)量，從而準(zhǔn)確評(píng)估線路導(dǎo)線到周圍交跨樹木的相對(duì)距離。

（2）海量數(shù)據(jù)高效處理

傳統(tǒng)直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪掃描作業(yè)，每天飛行作業(yè)6 h的影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)會(huì)達(dá)到TB級(jí)，數(shù)據(jù)量十分龐大。進(jìn)行直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距樹障，由于主要關(guān)注線路走廊內(nèi)樹木和建筑物的影響，因此對(duì)采集的非地面激光點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)，分類濾波出導(dǎo)線、樹木和建筑物的激光點(diǎn)云，從源頭將每天數(shù)據(jù)容量降為GB級(jí)，大幅減少數(shù)據(jù)處理的工作量。研究組建專用光纖網(wǎng)絡(luò)，提高I/O連通性，構(gòu)建采集數(shù)據(jù)的批量快速存取通道，縮減采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間。搭建基于hadoop大數(shù)據(jù)技術(shù)的分布式云計(jì)算架構(gòu)，提高激光點(diǎn)云分類、渲染、建模和應(yīng)用方面的分析處理能力，最終實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理。

（3）模擬不同狀態(tài)下安全距離分析

模擬最高氣溫、最大覆冰無風(fēng)、最大設(shè)計(jì)風(fēng)速無覆冰等多種氣象設(shè)計(jì)條件，基于線路實(shí)際的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行線路各種狀態(tài)下導(dǎo)線安全距離檢測(cè)，可以進(jìn)一步提升線路防災(zāi)抗災(zāi)水平。

5 結(jié)論

機(jī)載激光雷達(dá)可以較好地解決空間分析和三維量測(cè)的問題，配合直升機(jī)掃描飛行其數(shù)據(jù)采集快速、便捷、高效的優(yōu)勢(shì)十分明顯，通過系統(tǒng)分析能準(zhǔn)確高效地測(cè)量線路通道地物（特別是樹木）到線路導(dǎo)線的距離，開展基于直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距在線路樹木隱患排查等方面具有人工測(cè)量無可比擬的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步拓寬了架空輸電線路直升機(jī)巡視作業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)目前已成長(zhǎng)起一批機(jī)載激光雷達(dá)硬件和掃描數(shù)據(jù)分析服務(wù)供應(yīng)商，為發(fā)展直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距提供了有利條件，隨著三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)深化應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展，直升機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)智能測(cè)距輸電線路樹障也將逐步進(jìn)入常規(guī)化應(yīng)用階段。

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