徐海

摘要：目前，無(wú)人機(jī)裝備有多搭載紅外線攝像儀、數(shù)碼攝像機(jī)、照相機(jī)、高分辨率望遠(yuǎn)鏡、可見(jiàn)光錄像機(jī)等動(dòng)力巡檢設(shè)備。在飛行過(guò)程中，他們可以觀察通過(guò)路線，獲得線路走廊的可見(jiàn)光、紅外視頻和圖像數(shù)據(jù)。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集成本低。但隨著技術(shù)的不斷投入使用，其缺點(diǎn)是這些技術(shù)的空間定位精度不高，而且，更重要的是，通過(guò)航空影像數(shù)據(jù)很難精確判斷線路走廊地物（比如樹(shù)木等）到線路的距離，而距離不足引發(fā)的線路閃絡(luò)最終導(dǎo)致線路跳閘是許多線路安全事故的初始誘發(fā)因素。隨著無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，可以解決空問(wèn)定位和測(cè)量精度的問(wèn)題，因此將無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于電力線巡邏具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù);輸電線路;通道應(yīng)用

一、前言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的新技術(shù)被應(yīng)用于輸電線路通道之中，通過(guò)將無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)應(yīng)用與輸電線路通道之中并對(duì)輸電線路通道進(jìn)行巡檢，運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)輸電線路通道中的物質(zhì)進(jìn)行提取，之后通過(guò)真實(shí)三維技術(shù)，來(lái)重建輸電線路，這樣一來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路通道的形態(tài)、位置、模型、地表附著物等進(jìn)行恢復(fù)，從而能夠更加準(zhǔn)確地測(cè)量建筑物、跨越物、植物等之間的距離，通過(guò)將無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于輸電線路通道，能夠在實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理的同時(shí)提供了決策支持。

二、無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路通道功能

（一）線路資產(chǎn)管理

將無(wú)人機(jī)在進(jìn)行巡查過(guò)程中采集到的影像數(shù)據(jù)以及點(diǎn)云進(jìn)行處理，之后通過(guò)運(yùn)用三維技術(shù)對(duì)電力線路進(jìn)行建模。能夠恢復(fù)輸電線路的地表形態(tài)、地面構(gòu)成以及線路塔的具體位置等等，這樣一來(lái)能夠通過(guò)依靠這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)的有效管理。

（二）距離測(cè)量

通過(guò)將無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于輸電線路通道，能夠?yàn)榫€路工作人員提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)工作過(guò)程中設(shè)備的異常并進(jìn)行管理。與此同時(shí)，還在很大程度上減少了線路運(yùn)輸過(guò)程中跨越物對(duì)線路產(chǎn)生的威脅，通過(guò)充分的運(yùn)用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)能夠及時(shí)的檢測(cè)障礙物與輸電線路之間的距離是否在安全距離內(nèi)。

三、無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路通道的應(yīng)用

（一）工作原理

電力巡檢無(wú)人機(jī)通過(guò)激光雷達(dá)系統(tǒng)巡線采集、處理電力沿線的激光點(diǎn)云，可以實(shí)現(xiàn)電力線路的真實(shí)三維重建，恢復(fù)電力線的沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹(shù)木等）、線路桿塔三維位置和模型等。此方案可以為輸電線路監(jiān)護(hù)人員提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，了解輸電線路設(shè)備設(shè)施的結(jié)構(gòu)信息，發(fā)現(xiàn)其中的異常和隱患，以及線路走廊中被跨越物對(duì)線路的威脅。該方案收集的線路屬性參數(shù)還可以實(shí)現(xiàn)線路資產(chǎn)管理，與智能電網(wǎng)方案結(jié)合效果更好。

（二）機(jī)載激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代后期，它將GPS定位與激光測(cè)距相結(jié)合，可高效、快速獲取地面物體的高精度三維坐標(biāo)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)相比，其量測(cè)精度更高，地物坐標(biāo)獲取更加直接，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪生產(chǎn)。機(jī)載激光雷達(dá)掃描儀通過(guò)對(duì)地面進(jìn)行掃描，獲取反射回來(lái)的激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，在三維空間中呈不規(guī)則分布的密集點(diǎn)集，在三維空間的分布形態(tài)呈現(xiàn)隨機(jī)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)“點(diǎn)云”（PointsCloud）。激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)不僅包含目標(biāo)點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)信息，還包括物體反射強(qiáng)度等信息?，F(xiàn)階段，比較通用的數(shù)據(jù)格式為ASCII碼純文本和LAS格式，這兩種格式可以相互轉(zhuǎn)化。在這些激光點(diǎn)中，有些點(diǎn)位于真實(shí)地形表面，有些點(diǎn)位于人工建筑物（房屋、塔、輸電線等）或自然植被（樹(shù)、灌木、草）。通常情況下，從激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中去除掉地物回波點(diǎn)，提取數(shù)字高程模型（DEM）稱為激光數(shù)據(jù)的濾波。而從激光數(shù)據(jù)點(diǎn)云中區(qū)分不同地物，比如植被、房屋、道路等，則稱為激光數(shù)據(jù)的分類，某些時(shí)段濾波和分類是同時(shí)進(jìn)行的。

（三）地物點(diǎn)云分類

輸電線路通道是電網(wǎng)的最主要部分，通道內(nèi)地形、地貌、地物（植被、建筑等）、電塔、掛線點(diǎn)位置等是電網(wǎng)建設(shè)和管理極為關(guān)注的對(duì)象。但一次飛行任務(wù)獲取的原始點(diǎn)云包括了輸電線走廊內(nèi)的所有地物目標(biāo)，而實(shí)際應(yīng)用中需要將不同類型地物目標(biāo)的激光點(diǎn)分離出來(lái)，即濾波分類。濾波即將原始點(diǎn)分為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，地面激光點(diǎn)經(jīng)過(guò)插值或構(gòu)網(wǎng)可得到走廊的數(shù)字地形模型（DEM），而非地面點(diǎn)可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理提取各類地物點(diǎn)。

（四）激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的濾波

從激光數(shù)據(jù)點(diǎn)云中提取數(shù)字表面高程模型（DTM/DEM），需要將其中的地物數(shù)據(jù)腳點(diǎn)去掉，這就是所謂的“激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的濾波”。如果要進(jìn)行地物提取和建筑物的三維重建，就需要對(duì)激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行分類（分割），區(qū)分植被數(shù)據(jù)點(diǎn)和人工地物點(diǎn)，以提取數(shù)據(jù)點(diǎn)云系列，這就是所謂的“激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分類”。針對(duì)電力線點(diǎn)的提取工作，也是先通過(guò)濾波分離地面點(diǎn)與地物點(diǎn)，然后使用分類方法分離植被點(diǎn)與電力線點(diǎn)。濾波和分類是機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。

（五）三維模型的建立

輸電線路走通道三維重建，即輸電線路本體建模是輸電線路安全分析的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)三維電力巡線地理信息系統(tǒng)的建立為線路的安全運(yùn)行提供了決策支持。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)制作中，需要對(duì)采集的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)每隔一段時(shí)間需要重新采集和更新，所以，必須實(shí)時(shí)三維重建出電力線通道地表模型及地物模型，包括DEM、電力線、電力塔及周圍的植被等。該系統(tǒng)中應(yīng)集成輸電線路通道影像、電力線三維拓?fù)鋽?shù)據(jù)、輸電線路通道中植被類型數(shù)據(jù)等，比如電力線安全緩沖區(qū)分析、電力線在最大弧垂下與地面的最小距離、電力線在最大弧垂或風(fēng)偏情況下與周圍樹(shù)木之間的距離等。目前，除了DEM等可自動(dòng)重建外，通道內(nèi)的很多地物主要還是依賴人工勾繪和第三方軟件，比如AutoCAD、3DMax等。

（六）電力線路安全巡檢

電力線走廊數(shù)字化重建后，即可得在電腦中直觀立體顯示電力線、電塔的位置、與走廊地物的空間關(guān)系，結(jié)合桿塔上安裝的溫度、濕度、風(fēng)速等監(jiān)控設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，即可在三維數(shù)字化電網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行各種電力作業(yè)分析，比如預(yù)測(cè)與模擬不同溫度、風(fēng)速、覆冰下弧垂變化情況，模擬樹(shù)木生長(zhǎng)情況等。

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