基于激光雷達與傾斜攝影融合技術的電力巡檢系統(tǒng)設計

韓 光，陳龍慶，許 義，王 偉，路 健

(國網安徽省電力有限公司合肥供電公司，安徽 合肥 230022)

0 引言

電力系統(tǒng)的定期巡檢是電網安全運行的基本保障，但是隨著我國電網基礎設施的建設發(fā)展，電網電纜的規(guī)模劇增，在一些復雜電網線路中，架空輸電線路走廊存在交叉跨越的情況，線下也會有一些樹木、房屋、街道等復雜情況，僅僅依靠人工進行線纜維護無法實現(xiàn)巡檢的全覆蓋。集成了航空、通信、圖像采集和識別的無人機電力巡檢系統(tǒng)以它獨特的優(yōu)勢在電網實際應用中得到了認可，成為電力巡檢新的發(fā)展方向[1]。

目前，激光雷達和傾斜攝影在電力巡檢系統(tǒng)中都有一定程度的應用，主要對輸電線路進行三維建模和進行交互與測量，并在平臺上呈現(xiàn)線路走廊的三維實景，為電力巡檢等工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐和技術手段[2]。單獨應用激光雷達或傾斜攝影技術，無法兼顧可視化效果與無人機巡檢效率。為此，本文在電力巡檢系統(tǒng)中，將激光雷達與傾斜攝影技術融合，實現(xiàn)電力巡檢系統(tǒng)設計。

1 基于激光雷達與傾斜攝影融合技術的電力巡檢系統(tǒng)設計

1.1 激光雷達設計

激光雷達主要由激光掃描器、差分GPS接收機以及慣性測量單元構成，如圖1所示。

圖1 激光雷達結構

激光雷達依靠掃描儀完成激光發(fā)射點到目標點之間的距離測量，激光所攜帶的能量高，相干性和方向性都比較好，能夠實現(xiàn)對目標物體方位和速度的精確測量[3-4]。動態(tài)差分GPS的機載站GPS與機載LiDAR相連接，信號與地面的基準站同步處理，利用存在的載波相位測量差分技術獲取投影中心點坐標[5-6]。其中慣性測量單元利用激光脈沖測距原理，能夠測定激光主軸的俯仰角、側滾角以及航偏角信息。本文采用的激光掃描器的型號為LMS511，掃描距離最大為85 m，測量的精度能夠達到mm級，慣性測量單元的測量頻率大概為150～200次/s，最大的角度范圍為±85°，角度分辨率可達0.167～0.664°，通信接口采用的是RS232/以太網。激光發(fā)射器發(fā)射出激光脈沖波，能夠實現(xiàn)測距，相關計算公式為

(1)

S為激光源到被測點的距離；t1為內部定時器的記錄時間；t2為返回激光波時內部定時器的接收時間；C為光速。結合激光器的高度，激光掃描角度，就可以準確地計算出每一個地面光斑的三維坐標，通過無人機搭載激光雷達可以實現(xiàn)對通道內電力設施和周圍地物進行掃描，然后生成高精度點云數(shù)據(jù)，可以提供電力走廊三維空間信息，實現(xiàn)走廊凈空異常檢查、提供精確的塔桿GPS坐標，特別是其獨特的穿透林區(qū)及植被縫隙的能力[7-8]，可以獲得植被地區(qū)精細地形、地貌及植被高度、塔桿、輸電線路等分類信息，從而為輸電線路巡查和數(shù)字化管理提供新的技術手段。

1.2 傾斜攝影相機

本文系統(tǒng)中的傾斜攝影技術是目前巡檢技術中的重點研究內容，是一種通過三維重建模型進行信息搜集和分析的尖端科技。傾斜攝影相機搭載在無人機上同時從垂直角度和4個不同的傾斜角進行影像采集，可以采集到完整、準確的地面物體信息，得到真實紋理的三維數(shù)據(jù)，建立更符合人眼視覺的真實直觀三維模型，實現(xiàn)輸電線路走廊的三維實景漫游，對通道內的房屋、道路、樹木等調查、量測，構建出電力系統(tǒng)的真實場景[9-10]。本文采用的傾斜攝影相機拍攝角度如圖2所示。

圖2 傾斜攝影相機拍攝角度

該傾斜攝影相機配備1個下視鏡頭和4個傾斜視鏡頭，鏡頭可以選擇RGB和RGBN鏡頭，影像可達到8千萬像素，且能夠變換三視和五視模式，三視模式下鏡頭的傾斜角為45°，五視模式下鏡頭的傾斜角為35°，不同視角下會出現(xiàn)攝影重疊情況，如圖3所示。

圖3 傾斜攝影相機攝影示意

傾斜攝影技術是通過可見光進行拍攝的，因此對光線要求比較高，并且對植被下的地形無能為力，對細小物體(電塔、電力線)的建模能力不足，主要用來構建三維真實化場景。

1.3 軟件設計

本文系統(tǒng)是針對輸電線路中電力線、鐵塔、附屬設施和通道環(huán)境的空間信息進行三維激光掃描，形成輸電線路通道內的高精度三維激光點云[11-12]。然后利用無人機傾斜攝影測量技術獲取輸電線通道高分辨率影像，建立輸電線通道三維地表模型，最后進行數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)輸電線通道以及相關設施的真實場景還原，并具備相關的量測、坐標獲取以及隱患信息獲取等功能。

1.3.1 點云數(shù)據(jù)、圖片的采集與處理

激光雷達由于使用了激光脈沖測距，因此其測量精度非常高。激光雷達是連續(xù)的激光點云發(fā)射和接收的過程，采樣數(shù)據(jù)以空間離散點云的形式存在。通過確定起飛點、制定飛行計劃，完成外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，得到GPS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、碼盤數(shù)據(jù)和原始微光點云，經過差分處理和解算姿態(tài)參數(shù)后，生成航跡，得到激光點云的三維數(shù)據(jù)。由于激光雷達會受到多種誤差源的影響，需要對其進行精度校驗，表達式為：

(2)

(3)

W=2Ltanθ

(4)

ρ為激光點云的密度；d為掃描光斑的直徑；L為距離；W為帶寬；θ為掃描半角。將上述雷達參數(shù)進行調整，與全站儀量測結果進行比較，選擇結果最佳的參數(shù)作為最終參數(shù)。

傾斜攝影測量技術獲取數(shù)據(jù)通過野外踏勘、選擇像控點點位，并布設測量像控點，得到最終的外業(yè)測量結果；對傾斜攝影相機進行標定，通過無人機航拍得到垂直和傾斜的影像，將發(fā)生畸變的影像進行校正，得到矯正后的影像，協(xié)同外業(yè)測量成果和POS數(shù)據(jù)，經過空三加密、點云加密和點云坐標計算，得到影像匹配點云[13-15]。至此完成點云數(shù)據(jù)的采集和處理。

1.3.2 傾斜攝影與激光雷達技術融合建模

傾斜攝影與激光雷達技術獲取數(shù)據(jù)的效率都比較高，這2種技術之間的區(qū)別如表1所示。

表1 傾斜攝影與激光雷達技術的區(qū)別與特點

從表1可以看出，傾斜攝影與激光雷達都有自己的特點，剛好能夠互補，因此將這2種技術在電力巡檢系統(tǒng)中進行融合建模。具體的項目實施流程如圖4所示。

圖4 電力巡檢系統(tǒng)工作流程

在該電力巡檢系統(tǒng)中，同時使用激光雷達航測和傾斜攝影技術采集點云數(shù)據(jù)與傾斜影像，對激光雷達技術獲取的點云數(shù)據(jù)進行分層，分離出建筑、道路等地面物體，結合傾斜攝影的垂直影像，制作出正射影像圖(DOM)[16]，結合電力走廊的數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字表面模型(DSM)，建立無貼圖紋理的走廊三維模型，并通過傾斜攝影技術在電力走廊的表面紋理數(shù)據(jù)貼圖，進行自動化處理和高精度自動化構建，完成輸電線路走廊的三維視景建模。

2 系統(tǒng)性能測試

2.1 測試準備

為了驗證本文設計的系統(tǒng)是否具有一定有效性，選取220 kV常賈線進行實驗，實驗區(qū)地形如圖5所示。

圖5 實驗區(qū)概況

依據(jù)線路巡檢的應用需求，按照傾斜攝影帶寬左右各100 m，激光雷達左右各50 m進行飛行設計。確定本測試工程中的線路路徑走向，傾斜攝影的測量范圍為線路路徑左右500 m，根據(jù)條件進行合理的無人機飛行劃分，并根據(jù)測區(qū)大小選取具有標志性的點現(xiàn)場測量，用于后期數(shù)據(jù)處理和成果檢驗，并保證坐標系統(tǒng)和高程基準的統(tǒng)一。實驗中需要用到的設備以及相關參數(shù)如表2所示。

表2 測試設備以及參數(shù)

為了保證滿足實驗要求的地面采樣距離，需要控制無人機的飛行高度來控制攝影物距D為

(5)

q為地面采樣距離；nl為長邊像元數(shù)量；F為鏡頭水平方向視場角。

根據(jù)測區(qū)大小選取具有標志性的點現(xiàn)場測量，用于后期數(shù)據(jù)處理和成果檢驗，并保證坐標系統(tǒng)和高程基準的統(tǒng)一。

在上述的測試環(huán)境下，分別使用本文設計的系統(tǒng)與激光雷達電力巡檢系統(tǒng)、傾斜攝影電力巡檢系統(tǒng)共同進行測試，并將測試結果進行分析對比。

2.2 實驗結果分析與對比

在上述測試環(huán)境下，激光雷達和傾斜數(shù)據(jù)處理完成后，將2套數(shù)據(jù)的坐標調整為同一個坐標系系統(tǒng)和高程基準，然后取激光雷達的導線、桿塔激光點云與傾斜數(shù)據(jù)進行融合，以滿足展示、量測、分析等功能。

2.2.1 三維模型

本文系統(tǒng)構建的三維模型如圖6所示。

圖6 本文系統(tǒng)構建的模型

2.2.2 巡檢時間

為了驗證所設計系統(tǒng)的無人機巡檢效率，采用所設計系統(tǒng)、基于傾斜攝影系統(tǒng)以及基于激光雷達系統(tǒng)檢測無人機巡檢時間，不同系統(tǒng)下巡檢時間結果如圖7所示。

圖7 不同系統(tǒng)下巡檢時間

分析圖7可知，不同系統(tǒng)的無人機巡檢時間不同。當線路長度為10 km時，設計系統(tǒng)的無人機巡檢時間為2 min，基于傾斜攝影系統(tǒng)的無人機巡檢時間為18 min，基于激光雷達系統(tǒng)的無人機巡檢時間為22 min。當線路長度為30 km時，設計系統(tǒng)的無人機巡檢時間為5 min，基于傾斜攝影系統(tǒng)的無人機巡檢時間為58 min，基于激光雷達系統(tǒng)的無人機巡檢時間為42 min。

測試結果表明，本文方法的無人機巡檢時間明顯低于其他方法，具有較高的巡檢效率。這是因為本文有效融合了激光雷達或傾斜攝影技術，提升了巡檢效率。

2.2.3 輸電線走廊可視化效果

采用本系統(tǒng)對輸電線走廊進行可視化處理，得到結果如圖8所示。

圖8 輸電線走廊可視化效果

由圖8可知，所設計系統(tǒng)對輸電線走廊的可視化效果極好，可獲得高精度的電力走廊三維空間信息，為走廊凈空異常檢查提供精確的塔桿GPS坐標，通過其穿透林區(qū)及植被縫隙的能力，可以獲得植被地區(qū)精細地形、地貌及植被高度、塔桿、輸電線路等分類信息，從而簡化輸電線路巡查工作。

3 結束語

輸電線路覆蓋的區(qū)域逐漸增加，一些地形復雜、環(huán)境惡劣的山區(qū)等也逐步通電，為保證輸電線路的安全運行，需要對供電設備定期巡檢。為了提高巡檢效率，電力巡檢系統(tǒng)成為了安全、高效的巡檢方式。

本文針對傳統(tǒng)系統(tǒng)在三維建模方面的弊端，設計一種基于激光雷達和傾斜攝影融合技術的電力巡檢系統(tǒng)。實驗結果表明，本文設計的系統(tǒng)在一定程度上能夠減少電力巡檢時間，提高巡檢效率，這種融合技術也是無人機電力巡檢重要的發(fā)展方向。在本文系統(tǒng)建立的模型中，可以實現(xiàn)漫游、旋轉、量測，對交叉跨越信息、樹障進行分析，查找線路隱患、摸清線路周圍情況，為線路運維檢修提供切實的協(xié)助。