丁 華 張 輝

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運(yùn)行檢修分公司，貴州貴陽(yáng)550002；2.中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較慢的山區(qū)，大規(guī)模的輸電線路長(zhǎng)期暴露于雨雪、寒流、高溫高壓等環(huán)境下，給輸電線路造成了巨大損害，如金具銹蝕、導(dǎo)線斷股、絕緣子閃絡(luò)等。

為了保證輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，各電力巡檢系統(tǒng)都需要對(duì)輸電線路進(jìn)行定期巡檢。

傳統(tǒng)輸電線路的巡檢主要依靠人工巡線，存在巡線周期長(zhǎng)、效率低、成本高等缺點(diǎn)，已不能滿足大規(guī)模電網(wǎng)的巡線需求，而惡劣的環(huán)境、艱苦的條件也給人工巡檢帶來了很大的限制。

直升機(jī)的出現(xiàn)雖然給輸電線路巡檢帶來了極大的便利，但是直升機(jī)需要由專業(yè)的技術(shù)人員操作，一般電力巡檢公司均沒有直升機(jī)，可操作性不強(qiáng)，同時(shí)直升機(jī)巡檢需要申請(qǐng)空域，手續(xù)繁多，會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間。

因此，輕便的無人機(jī)給輸電線路巡檢帶來了質(zhì)的改變，其結(jié)合激光雷達(dá)對(duì)輸電線路進(jìn)行點(diǎn)云采集，解決了機(jī)載相機(jī)無法準(zhǔn)確得到輸電線路通道內(nèi)地物至電力線距離的問題[1]。

1 無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)是一種可自主飛行或遠(yuǎn)程引導(dǎo)、不搭載人員的動(dòng)力飛行器。無人機(jī)因可以搭載相機(jī)、定位系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)等硬件而廣泛應(yīng)用于緊急救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、測(cè)繪等領(lǐng)域。

通常情況下，無人機(jī)系統(tǒng)除了無人機(jī)本體外，還包括飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、任務(wù)荷載設(shè)備、通信系統(tǒng)、地面監(jiān)控站。

（1）飛行控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部位，用于控制無人機(jī)的起飛、降落等各種工作狀態(tài)。

（2）動(dòng)力系統(tǒng)即發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)附件設(shè)施。

（3）能源系統(tǒng)即為無人機(jī)系統(tǒng)提供電能的相關(guān)部件。

（4）任務(wù)荷載設(shè)備即根據(jù)業(yè)務(wù)需求搭載的相關(guān)軟硬件設(shè)備，如氣象設(shè)備、農(nóng)藥噴灑設(shè)備、相機(jī)等。

（5）通信系統(tǒng)即數(shù)據(jù)傳輸軟硬件。

（6）地面監(jiān)測(cè)站用于控制并調(diào)整無人機(jī)飛行的路線、高度、角度等參數(shù)[2]。

1.2 機(jī)載激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)包含了激光掃描儀、GPS、IMU、數(shù)碼相機(jī)等光譜成像設(shè)備。激光掃描儀可以主動(dòng)獲取輸電線路通道的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS定位經(jīng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換獲得通道內(nèi)地物的三維坐標(biāo)信息。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散不規(guī)則的點(diǎn)，其格式主要有兩種，ASCII碼純文本和LAS格式。由于地物復(fù)雜多樣[3]，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理以區(qū)別不同的地物。

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲得的地物精度準(zhǔn)確，操作快捷迅速，在測(cè)繪行業(yè)具有重要的作用，隨著軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，其已逐步用于地物的自動(dòng)化分類。

2 輸電線路激光點(diǎn)云的采集及數(shù)據(jù)處理

2.1 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的前期準(zhǔn)備工作包括實(shí)地踏勘、航線設(shè)計(jì)等。

1）實(shí)地踏勘的目的是詳細(xì)了解測(cè)區(qū)的情況，如測(cè)區(qū)邊界、地形地貌、交通情況等。

2）航線設(shè)計(jì)遵循高效、經(jīng)濟(jì)的原則，在實(shí)地踏勘的基礎(chǔ)上，根據(jù)已有地形圖并按照需求方的要求、行業(yè)規(guī)范及實(shí)地具體天氣情況，制定詳細(xì)的航飛路線、航飛計(jì)劃及人員安排計(jì)劃。隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的進(jìn)行，航飛設(shè)計(jì)要不斷變化更新，以保質(zhì)保量地完成數(shù)據(jù)采集工作。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集包括控制測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)測(cè)等。

1）控制測(cè)量的目的是通過選點(diǎn)埋石、網(wǎng)型的設(shè)計(jì)及測(cè)量、數(shù)據(jù)的解析等建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)基準(zhǔn)。

2）數(shù)據(jù)采集包括設(shè)備安裝、設(shè)備檢查、試飛爬升、自主巡航、返回降落。其中設(shè)備檢查是為了確保外業(yè)數(shù)據(jù)采集的順利完成，主要包括無人機(jī)設(shè)備外形、零部件及性能的檢查以及激光雷達(dá)設(shè)備的供能設(shè)備檢查。

3）補(bǔ)測(cè)是在對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查的基礎(chǔ)上，對(duì)漏飛、點(diǎn)云密度不符合要求的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛測(cè)量。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)的處理及分析。

（1）數(shù)據(jù)的預(yù)處理包含數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、軌跡解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算等。

1）數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查主要有檢查機(jī)載雷達(dá)POS數(shù)據(jù)是否完整、點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否有漏洞、前后兩天時(shí)間及不同架次數(shù)據(jù)是否無縫拼接等。

2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將地面基站和機(jī)載POS系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成通用的數(shù)據(jù)格式。

3）軌跡解算經(jīng)后差分處理獲得飛行平臺(tái)的三維坐標(biāo)。

4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解算是根據(jù)軌跡解算的結(jié)果與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲得輸電線路通道內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)。

（2）數(shù)據(jù)的處理包含數(shù)據(jù)的去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類、危險(xiǎn)點(diǎn)分析、工況模擬分析等。

2.2.1 點(diǎn)云去噪

在無人機(jī)飛行過程中，輸電線路通道內(nèi)的地物、輸電線、桿塔等的外形、材質(zhì)以及空中漂浮物會(huì)造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在部分噪聲點(diǎn)。此外，無人機(jī)飛行過程中的減速、轉(zhuǎn)彎、地面起伏等因素，也會(huì)造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在部分噪聲點(diǎn)。噪聲點(diǎn)的存在會(huì)在一定程度上干擾點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類及危險(xiǎn)點(diǎn)的分析。

點(diǎn)云去噪圖如圖1所示，圓圈內(nèi)的點(diǎn)即為噪聲點(diǎn)。

圖1 點(diǎn)云去噪圖

2.2.2 點(diǎn)云分類

激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)時(shí)，一次性采集通道內(nèi)的所有目標(biāo)，為了更好地區(qū)分多樣地物，并根據(jù)不同地物點(diǎn)云測(cè)算地物至輸電線路的距離與交叉跨越距離，需要進(jìn)行點(diǎn)云分類。通常情況下，輸電線路的通道點(diǎn)云可以分為電力線、桿塔、高植被、低植被、建筑、道路。為了區(qū)分不同目標(biāo)，用不同的顏色對(duì)分類后的點(diǎn)云加以區(qū)分，分類方法通常采用濾波分類法。點(diǎn)云分類效果圖如圖2所示。

2.2.3 危險(xiǎn)點(diǎn)分析

根據(jù)點(diǎn)云分類的結(jié)果分別計(jì)算導(dǎo)線間的交叉跨越距離、導(dǎo)線與地物之間的距離，并根據(jù)電網(wǎng)行業(yè)要求的安全距離規(guī)范，判定測(cè)算距離是否安全并劃分危險(xiǎn)點(diǎn)等級(jí)。為便于存檔和巡檢人員現(xiàn)場(chǎng)排除安全隱患，需生成危險(xiǎn)點(diǎn)分析報(bào)告。

如圖3所示，黑色點(diǎn)是測(cè)算出來的危險(xiǎn)植被點(diǎn)。危險(xiǎn)點(diǎn)分析報(bào)告如圖4所示。

圖2 點(diǎn)云分類效果圖

圖3 危險(xiǎn)植被點(diǎn)圖

圖4 危險(xiǎn)點(diǎn)分析報(bào)告圖

2.2.4 工況模擬分析

輸電線路長(zhǎng)期處于動(dòng)態(tài)的野外環(huán)境中，環(huán)境的變化會(huì)給線路的安全運(yùn)行帶來巨大的威脅，如由自然環(huán)境引起的線路舞動(dòng)、覆冰、風(fēng)偏都會(huì)對(duì)輸電線路造成損害，且在惡劣的環(huán)境下，巡檢人員工作受到限制，因此需要進(jìn)行工況模擬。根據(jù)懸鏈線方程及氣溫、風(fēng)速等因子模擬分析線路的變化，動(dòng)態(tài)評(píng)估輸電線路的狀態(tài)。

工況模擬結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)語(yǔ)

利用無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)輸電線路進(jìn)行外業(yè)巡檢，根據(jù)數(shù)據(jù)的處理分析實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析、危險(xiǎn)點(diǎn)分析、工況模擬分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路通道的快速巡檢。此技術(shù)解決了復(fù)雜地區(qū)巡檢難的問題，大幅度降低了人力勞動(dòng)成本，提高了巡檢效率。同時(shí)，激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸電線路的三維坐標(biāo)測(cè)量，且精度較高，實(shí)踐證明，輕量化、成本低的無人機(jī)在電力巡檢中具有重要作用。

圖5 工況模擬圖