熊勇良 羅志勇 羅澤雄

摘 要將大型無人機當成是激光雷達的承載平臺，能夠加強線路LiDAR點云數(shù)據(jù)提取分析，為線路安全檢測提供依據(jù)?；诖耍疚慕Y合電力巡檢LiDAR點云安全距離診斷內(nèi)容，對基于大型無人機的線路LiDAR點云數(shù)據(jù)采集和分類提取問題進行了探討，提出了相應的安全距離診斷方法，為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞大型無人機;電力巡檢;LiDAR點云;安全距離診斷

0 引言

伴隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展，采用人工巡檢方式已經(jīng)無法滿足電力工作的高效開展需求。而大型無人機可以用于搭載激光雷達測量設備，高效完成線路點云數(shù)據(jù)采集。用于對線路安全距離開展診斷，能夠及時完成安全隱患排查，在節(jié)約人力、物力和時間成本的同時，滿足線路安全管理要求。因此還應加強大型無人機電力巡檢LiDAR點云安全距離診斷方法研究，以便為巡檢工作的高效開展提供支撐。

1 電力巡檢LiDAR點云安全距離診斷

在電力巡檢中，需要完成線路安全距離診斷。具體來講，就是對電力線與周圍構筑物、植被、河流等其他走廊地物間距進行計算，確定是否有地物處于危險范圍。針對判定的危險隱患，需要結合相關數(shù)據(jù)提交危險點報告，確保巡檢人員能夠及時完成地物清理，保證線路運行安全?，F(xiàn)階段，在電力巡檢中將采用激光雷達系統(tǒng)獲得電力線的LiDAR點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理完成電力線建模，用于區(qū)分電力線類別。在空間中，電力線屬于離散點，需要將點云生成矢量電力線，保存在矢量圖層中。電力線的安全距離與線路電壓等級和地物類型有關，如在220kV輸電線路安全規(guī)范中，與樹木應保持4.5m垂直距離，與建筑物則要保持6m垂直距離，與公路需要保持8m垂直距離。根據(jù)電力線走廊中導線與地物的安全距離標準，能夠通過分析矢量圖層完成危險距離診斷。

2 大型無人機電力巡檢LiDAR點云安全距離診斷方法

2.1 線路數(shù)據(jù)獲取

采用大型無人機進行電力巡檢，按照架空輸電線路運行規(guī)程管理要求，導線邊線向外側水平延伸的一定范圍與地面垂直形成的兩平行面內(nèi)都屬于保護區(qū)。結合線路電壓等級，可以確定保護區(qū)范圍，然后兩側各加50-100m寬作為巡檢范圍。66-110kV外邊線距為10m，電壓等級越高線距越大，750kV線路外邊線距為25m，所以無人機巡檢寬度在100-200m范圍內(nèi)[1]。無人機掃描帶寬與飛行高通常為0.8：1，在飛行高度達到100m的情況下，可以對80m寬范圍進行覆蓋。結合地形高度和激光點云密度，能夠對無人機飛行速度、高度等進行確認。結合影像拍攝的重疊度要求，可以提前完成拍攝時間間隔設定。

實際在對電力線路進行掃描檢測時，如果采用常規(guī)方式僅能獲取桿塔信息。為獲得地物和桿塔導線空間信息，需要采用橢圓掃描方式，對側面輪廓與信息進行采集，為后續(xù)矢量模型建立提供數(shù)據(jù)支撐。實際在外業(yè)數(shù)據(jù)采集期間，為滿足電力巡檢的高精度數(shù)據(jù)采集需求，需要在大型無人機底部完成激光雷達系統(tǒng)安裝，促使其以10～15m/s相對飛行高度飛行，通過自動化巡檢完成線路通道數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)利用GPS對信號發(fā)射參考點的空間位置進行確認，利用INS完成姿態(tài)參數(shù)測定，利用激光測距確定參考點到激光腳點的距離。

2.2 點云數(shù)據(jù)分類

在LiDAR點云數(shù)據(jù)提取方面，還要對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理，得到LAS文件，然后利用TerraScan軟件完成三維點云數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)植被、桿塔等不同地物數(shù)據(jù)的分類提取，用于建立矢量模型和完成線路安全距離診斷。在實際操作中，需要將采集到的數(shù)據(jù)導入到Waypoint Inertial Explorer軟件中，通過處理慣性測量元件數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)得到OUT格式的航跡文件。與RXP格式激光測距文件結合，能夠生成LAS格式激光點云文件。

文件中包含桿塔、植被等各種地物數(shù)據(jù)，同時也包含灰塵、水汽等外界因素帶來的噪點，還要通過去噪處理得到準確數(shù)據(jù)參數(shù)。由于噪點屬于孤立點，相較于周圍點存在高程突變。在對噪點進行濾除時，需要選擇點云數(shù)據(jù)中高程最低的點作為低點，考慮到這些點容易出現(xiàn)錯誤，還要作為初始計算點完成不規(guī)則三角網(wǎng)模型建立。采用迭代方法在模型中完成新點添加，能夠完成新模型構建。多次迭代后，得到的模型將會接近地面真實地物分布情況。如在構筑物尺寸為60m的情況下，可以認為60×60m范圍內(nèi)存在落在地面的最低點。在三角面上，存在目標點的投影點，與最接近目標點的三角面頂點連線構成的角度最大。將三角形較大時迭代不發(fā)生大幅度跳躍當成是條件，可以完成迭代距離的設置。將地面模型當成是基礎，能夠完成地物點云數(shù)據(jù)分類。

2.3 矢量模型分析

完成點云數(shù)據(jù)分類后，需要對各種走廊地物到導線距離進行量測，為安全距離診斷提供數(shù)據(jù)支撐。結合這一目標，需要對導線垂弧坐標進行準確提取，完成矢量擬合，為導線到地物的距離分析提供便利。在三維空間中，位于桿塔之間的導線屬于曲線，擁有曲率，不能單純根據(jù)桿塔間距確認。在線路分布不均的情況下，采用分段質心擬合方法能夠輕松完成點云矢量擬合，但存在段間不平滑問題，容易造成激光點云數(shù)據(jù)的直線部分缺失[2]。針對這一問題，還要采用連續(xù)光滑的懸鏈線完成導線擬合，精確反映導線弧垂，避免點云數(shù)據(jù)缺失。采用懸鏈線模型，需要利用模型定義方程對模型參數(shù)進行求解，如式（1），用于實現(xiàn)曲線矢量重建。

采用上述方法，需要利用區(qū)域生長法對電力線路點進行分隔，然后利用Levenberg-Marquardt實現(xiàn)模型計算和擬合，經(jīng)過2-3次循環(huán)迭代分析能夠使算法得到收斂。

2.4 安全距離診斷

根據(jù)得到的擬合曲線，可以完成導線與地物距離測算。具體來講，就是通過分段剖面運算對曲線矢量數(shù)據(jù)和地物點云數(shù)據(jù)進行處理，將計算得到的距離與標準安全距離比較。發(fā)現(xiàn)導線與地物的距離不符合安全標準要求，將設定為危險點，發(fā)出預警的同時，提交坐標、危險等級等信息。以某220kV線路巡檢為例采用Z5大型無人機搭載機載雷達進行線路走廊LiDAR點云數(shù)據(jù)采集。在完成線路導線矢量擬合的基礎上，按照高程完成線路數(shù)據(jù)分割，可以得到條帶狀點云數(shù)據(jù)，其中包含多個線路點云子集。與原始點云相比，對于導線不相關的走廊地物進行了剔除，并且能夠使地面點得到濾除，促使地物空間分布得到較好反映。如圖1所示，結合地物空間幾何分布特征，完成了植被、導線和桿塔點云數(shù)據(jù)分離。由于線路所在區(qū)域處于山區(qū)，因此不存在鐵路、建筑物等地物。從檢測結果來看，線路的兩個桿塔間存在四個安全隱患點，還要進一步與安全標準進行比較，為人員開展工作提供依據(jù)。

考慮到桿塔點云密度較大，相鄰桿塔點云密度將減小，可以完成桿塔分割，能夠得到多段數(shù)據(jù)。對垂直線路走向的剖面進行測算，能夠得到導線與地物的垂直距離、水平距離和凈空距離[3]。采用相同方法，也能完成相鄰桿塔剖面區(qū)段安全距離檢測，確定周圍地物與線路區(qū)段的安全距離。如表1所示，為提取得到的四個安全隱患點的安全距離診斷結果。通過人工方式對樹障點進行查找，然后對實際距離值進行測量。通過比較發(fā)現(xiàn)，利用采集到的點云數(shù)據(jù)計算得到的安全距離診斷結果與人工測量值誤差最大為0.14m，結果的一致性能夠達到96.5%，最終可以判定確實存在安全隱患，能夠達到巡檢目標。

3 結論

綜上所述，應用大型無人機開展電力巡檢工作，可以利用采集到的空間閾機載LiDAR數(shù)據(jù)完成線路快速提取，得到精準矢量模型開展安全距離診斷工作。結合診斷結果對超限地物發(fā)出預警，能夠幫助巡檢人員掌握線路安全狀況，及時完成線路安全隱患排查，繼而為線路穩(wěn)定運行提供有效保障。

參考文獻

[1]李嘯嘯，范寶偉.機載LiDAR點云電力線數(shù)據(jù)處理及安全檢測[J].測繪地理信息，2020，45（01）：110-113.

[2]侯國瑞.激光LiDAR點云在電力巡線中的應用[J].經(jīng)緯天地，2019（04）：19-22.