三維激光雷達(dá)在輸電線路機(jī)巡中的應(yīng)用

王珂 張攀

摘? 要：原來(lái)的輸電線路巡查采用人工的方式，工作效率無(wú)法得到保證。本文對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)工作原理進(jìn)行分析，并對(duì)三維激光雷達(dá)在輸電線中的應(yīng)用展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光三維激光雷達(dá);輸電線路;巡線

最近十多年來(lái)，激光雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于遙感測(cè)量領(lǐng)域，性能最為先進(jìn)的為三維航空遙感測(cè)量技術(shù)，不會(huì)受到地面植被的影響，原來(lái)所采取的航空遙感技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)該性能。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)可以更為直接、準(zhǔn)確地得到三維空間中的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，在不接觸被測(cè)量物體時(shí)實(shí)現(xiàn)較高精度、密度，數(shù)字化的測(cè)量手段不需要投入更多的資金，可以用于對(duì)輸電線路巡查工作，可效的減小電力巡線工作的強(qiáng)度。

1機(jī)載激光雷達(dá)工作原理

機(jī)載三維激光雷達(dá)主要由控制單元、飛行平臺(tái)、定位和慣性測(cè)量模塊、激光掃描裝置等構(gòu)成。飛行平臺(tái)可采用直升飛機(jī)或固定翼飛機(jī)，激光掃描裝置主要有相位測(cè)距掃描和脈沖測(cè)距掃描儀。定位和慣性測(cè)量模塊主要由GPS及慣性測(cè)量裝置構(gòu)成。為了提高測(cè)量精度，還需要在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)配置高精度數(shù)碼相機(jī)。

每個(gè)傳感器被固定到飛機(jī)相對(duì)位置，保證每個(gè)傳感器可以在時(shí)間上達(dá)到同步。GPS可以用來(lái)接收飛行時(shí)獲取到的位置信息，IMU用于記載飛機(jī)產(chǎn)生的航向角度、俯仰角度和側(cè)滾角等飛機(jī)姿態(tài)信息。三維激光掃描儀及數(shù)碼相機(jī)采用固定的頻率對(duì)航行區(qū)域進(jìn)行攝像，激光掃描儀向地面輸出激光脈沖，然后依據(jù)激光脈沖從輸出到接收激光所需要的時(shí)間來(lái)計(jì)算掃描設(shè)備到地面光斑相互間的距離，利用DGPS來(lái)獲取到掃描裝置的三維坐標(biāo)，采用高精度慣性測(cè)量?jī)xIMU就可以獲取到激光掃描儀工作瞬時(shí)空間姿態(tài)參數(shù)，主要參數(shù)有航偏角К、傾斜角φ及旁向傾角ω，從而建立起空間幾何與參數(shù)間的關(guān)系，從確定出地表激光位置點(diǎn)三維坐標(biāo)（x，y，z）：

+R，公式中的R是旋轉(zhuǎn)矩陣。

2三維激光雷達(dá)在輸電線中的應(yīng)用

2.1三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路勘探測(cè)量中的應(yīng)用

機(jī)載方式的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)信息，主要有回波強(qiáng)度圖像、激光點(diǎn)云等數(shù)據(jù)信息。一般情況下，可應(yīng)用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)劃分類型，主要有非地表激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而形成DEM數(shù)據(jù)信息。應(yīng)用形成的DEM數(shù)據(jù)信息和航空數(shù)碼影像方位元素，比如，飛行過(guò)程中機(jī)載三維激光雷達(dá)應(yīng)用DGPS及IMU得到的航空數(shù)碼影像外方位元素，再對(duì)航空數(shù)碼影像采取正射糾正的辦法來(lái)建立起DOM數(shù)據(jù)，也可以應(yīng)用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)形成DSM，或者對(duì)輸電線路附近的房屋、道路和植被等信息進(jìn)行有效的采集。

把激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及及航空數(shù)碼影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，從而形成DEM及DOM，對(duì)二者進(jìn)行疊加可以建立起輸電線路走廊三維圖像，使輸電線路變得更為直觀，可以模擬出輸電線路作業(yè)區(qū)的地貌特點(diǎn)，電力設(shè)計(jì)人員可以在三維圖像中來(lái)對(duì)輸電路徑進(jìn)行優(yōu)化選擇，主要有輸電線路路徑、立體空間測(cè)量、對(duì)建筑物等繞行、土方開(kāi)挖量的計(jì)算和拆遷費(fèi)用計(jì)算等，可以使后續(xù)輸電線路區(qū)域所需要的拆遷工作變得更為快捷，對(duì)工程量進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估和計(jì)算，從而制定出最佳的決定方案。在內(nèi)業(yè)平斷面進(jìn)行測(cè)圖時(shí)，施工作業(yè)人員可以在三維圖像中對(duì)平面物體和危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行采集，斷面數(shù)據(jù)可以從DEM數(shù)據(jù)信息內(nèi)提取出來(lái)。三維激光雷達(dá)與原來(lái)采用的航空攝影技術(shù)對(duì)比來(lái)看，具有下述多種優(yōu)勢(shì)：1）具有較高精度的DEM和DOM數(shù)據(jù)信息，可以通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行支持，可以對(duì)地面地形和物體進(jìn)行識(shí)別和判斷，對(duì)空間位置信息進(jìn)行測(cè)量，獲取到數(shù)據(jù)信息更為快速、準(zhǔn)確，輸電線路的選擇和優(yōu)化更為全面。特別在植被覆蓋區(qū)中，平斷面精度可以得到保證，塔位確定的更為科學(xué)、合理。2）可以為輸電線路的終勘定位，或者施工作業(yè)時(shí)改線提供數(shù)據(jù)支持。對(duì)選線平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)時(shí)，不再單獨(dú)配置航空攝影測(cè)量設(shè)備，電力設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用便攜式裝置在野外條件下就可以完成選線工作，然后按著即時(shí)斷面數(shù)據(jù)信息來(lái)進(jìn)行預(yù)排桿工作。3）可以更好的提高施工作業(yè)效率，施工成本得到有效控制。輸電線路雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)化處理，不再進(jìn)行航外像控測(cè)量，野外環(huán)境開(kāi)展的調(diào)繪工作會(huì)大幅減少，利用三維圖像進(jìn)行選線更加便捷，電力設(shè)計(jì)人員可以從空間上掌握好輸電線路的路徑。4）輸電線路選線時(shí)可以提供豐富的輔助信息。應(yīng)用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以在輸電線路選線時(shí)更為便捷地向電力設(shè)計(jì)人員提供詳細(xì)的塔高、房高等數(shù)據(jù)信息。5）采用精度較高的三維激光雷達(dá)技術(shù)，可在數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中組建起三維模型，可以更好的滿足電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)要求。

2.2三維激光雷達(dá)在輸電線路巡線中的應(yīng)用

對(duì)建成并投入應(yīng)用的輸電線路進(jìn)行巡線，是保證供電網(wǎng)絡(luò)安全的重要措施，是運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理部門(mén)開(kāi)展的重要工作。對(duì)輸電線路進(jìn)行定期的巡查，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路的安全隱患，保證輸電線路的安全、穩(wěn)定供電。對(duì)巡查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的線路安全隱患，比如，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路走廊是否存在違章建筑，或違章施工等。原來(lái)的輸電線路運(yùn)行維護(hù)方式，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作效率也無(wú)法得到保證，尤其有輸電線路出現(xiàn)突發(fā)故障，或者在異常氣候條件下，輸電線路運(yùn)行維護(hù)人員需要乘座交通工具，或者地面行走的方式，采用普通的故障診斷設(shè)備，或者憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)輸電線路和電力設(shè)備故障進(jìn)行判斷，這與信息化時(shí)代的快捷、高效完全不符，需要建立起滿足當(dāng)前智能電網(wǎng)要求的巡線技術(shù)，采用機(jī)載三維激光雷達(dá)進(jìn)行巡線可以有效的提高工作效率。

利用機(jī)載三維激光雷達(dá)對(duì)輸電線路進(jìn)行巡線時(shí)，如果輸出的激光束碰到樹(shù)木、電纜等物體時(shí)，采集到信號(hào)返回到探測(cè)器時(shí)就可以獲取到具體的空間位置信息，在對(duì)多個(gè)激光回波信號(hào)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)時(shí)，需要針對(duì)不同的回波信息進(jìn)行分析和處理，就可以得到樹(shù)冠底在地面信息和樹(shù)木高度。較高密度的LIDAR數(shù)據(jù)信息可以系統(tǒng)地建立起樹(shù)冠模型，并對(duì)樹(shù)冠形狀進(jìn)行評(píng)估和描述，光譜信息可在數(shù)字影像中提取出來(lái)，近紅外影像技術(shù)可以識(shí)別出闊葉類樹(shù)木及針葉樹(shù)。所以，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，可以對(duì)植被覆蓋情況進(jìn)行區(qū)別，從而得到樹(shù)木的高度、種類和體積，對(duì)輸電線路附近的樹(shù)森生產(chǎn)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。為了對(duì)輸電線路通道樹(shù)木自然生長(zhǎng)率情況進(jìn)行掌握，應(yīng)該按著運(yùn)行規(guī)程的要求，采用直升機(jī)裝載三維激光雷達(dá)來(lái)過(guò)行掃描測(cè)繪，可以獲取到樹(shù)木最為合理的剪伐量，保證輸電線路的安全運(yùn)行。

3結(jié)論與建議

直升機(jī)巡線可以更為方便地發(fā)現(xiàn)輸電線路故障和缺陷，這是傳統(tǒng)的故障測(cè)量?jī)x器無(wú)法比擬的，取代原來(lái)的人工巡線方式，可以把巡線工作深入到山川及河流等人員難以靠近的區(qū)域，有效地提升了輸電線路巡查效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路存在的安全隱患，保證輸電線路的安全性、可靠性，可以得到較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但機(jī)載三維激光雷達(dá)技術(shù)需要投入較高成本，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，雷達(dá)設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步降低，會(huì)在電網(wǎng)維護(hù)管理中得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭勁松，許俊，李娟. 無(wú)人機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)在電力上的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2018（04）：152-154.

[2]熊偉. 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用[J]. 門(mén)窗，2013（08）：337+339.

[3]林昀，吳敦，李丹農(nóng). 基于機(jī)載激光雷達(dá)的高精度電力巡線測(cè)量[J]. 城市勘測(cè)，2011（05）：71-74.

[4]陽(yáng)鋒，徐祖艦. 三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路運(yùn)行與維護(hù)的應(yīng)用[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3（02）：62-64.

作者簡(jiǎn)介：王珂（1987.4-），男，廣西南寧人，南寧供電局輸電管理所運(yùn)行專責(zé)，工程師，單位：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局。

張攀（1987.02-），男，河南商丘人，廣西大學(xué)電氣工程研究生，工程師，工作單位：廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局，研究方向：輸電線路。