黃新君 葛銀杰 彭 瑞 楊永義

(浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院, 浙江 杭州 310012)

0 引言

目前輸電線(xiàn)路存在巡檢周期長(zhǎng)、作業(yè)強(qiáng)度大、無(wú)法保證巡檢結(jié)果客觀性與完整性的問(wèn)題[1]。傳統(tǒng)人工實(shí)測(cè)的方式效率低、成本高,隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使用旋翼無(wú)人機(jī)搭載短測(cè)程激光雷達(dá)的方式被應(yīng)用于輸電線(xiàn)路安全檢測(cè)作業(yè)中[2-3],但仍然存在航時(shí)短、效率相對(duì)較低的問(wèn)題。架空輸電線(xiàn)路巡檢中線(xiàn)路走廊環(huán)境巡檢屬于快速巡檢,要求能夠識(shí)別大面積下影響線(xiàn)路安全的典型目標(biāo)[4]?；诠潭ㄒ頍o(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行安全快速巡檢,具備效率高,且能夠得到高精度的平斷面數(shù)據(jù)、塔基地形及塔基斷面等數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)[5-6],保證了巡檢結(jié)果的客觀性和完整性。

本文提出了一種基于固定翼無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路安全快速巡檢方法,首先對(duì)比分析固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性,然后針對(duì)輸電線(xiàn)路的桿塔、導(dǎo)線(xiàn)、植被以及地面等特征對(duì)象進(jìn)行點(diǎn)云自動(dòng)分類(lèi),對(duì)分類(lèi)后的輸電線(xiàn)路進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)修復(fù)與當(dāng)前工況安全距離檢測(cè),最后對(duì)樹(shù)障分析結(jié)果進(jìn)行校核,得到安全檢測(cè)報(bào)告,以提高輸電線(xiàn)路安全隱患分析的準(zhǔn)確性。

1 研究方法

1.1 基于固定翼無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)的電力巡線(xiàn)

利用固定翼無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備極大地減少了外業(yè)的工作量,獲取到的輸電線(xiàn)路點(diǎn)云數(shù)據(jù)既能進(jìn)行線(xiàn)路常規(guī)安全檢測(cè),也能為精細(xì)化自動(dòng)巡檢提供基礎(chǔ)航線(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)[7]。在實(shí)際測(cè)量中,激光雷達(dá)的表面分辨率直接影響生成點(diǎn)云的密度,能反映出被測(cè)物體表面能夠被識(shí)別的最小特征尺寸。幾何關(guān)系如圖1所示,H為飛行器對(duì)地的垂直距離(m);雷達(dá)沿x軸掃過(guò)一個(gè)角度為β的角,并在x軸方向上的產(chǎn)生微小的增量ΔX;沿y軸掃過(guò)一個(gè)角度為α的角,并在y軸方向上的產(chǎn)生微小的增量ΔY[8]。

圖1 幾何關(guān)系圖

則X軸方向的分辨率計(jì)算如下:

ΔX=H×tanβ

(1)

y軸方向:

ΔY=H×tanα

(2)

因此,在單位面積內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)量:

(3)

式中,dα、dβ為已知數(shù)據(jù),即掃描儀的最小角度分辨率,本次試驗(yàn)中激光掃描儀最小角度分辨率為0.001°,所以在確定飛行高度H和角度α、β時(shí),即可計(jì)算該區(qū)域的掃描點(diǎn)數(shù)。

本文基于固定翼無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)的電力巡線(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 基于固定翼無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)的電力巡線(xiàn)流程

通過(guò)對(duì)多無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的輸電線(xiàn)路巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證基于固定翼無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路快速巡檢的可靠性,針對(duì)獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征對(duì)象自動(dòng)分類(lèi)與提取,并對(duì)提取的電力線(xiàn)進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)修復(fù)與擬合,最后得到當(dāng)前工況安全距離檢測(cè)報(bào)告。

1.2 輸電線(xiàn)路特征對(duì)象自動(dòng)分類(lèi)與導(dǎo)線(xiàn)修復(fù)

傳統(tǒng)的點(diǎn)云分割算法沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)輸電線(xiàn)路特征對(duì)象點(diǎn)云的分類(lèi)方法。輸電線(xiàn)路點(diǎn)云的特征對(duì)象自動(dòng)分類(lèi)與導(dǎo)線(xiàn)修復(fù)首先需要對(duì)劃?rùn)n后的點(diǎn)云使用不規(guī)則三角網(wǎng)漸進(jìn)加密算法進(jìn)行地面與植被點(diǎn)云分類(lèi),然后針對(duì)劃?rùn)n后的桿塔區(qū)間,根據(jù)線(xiàn)路走向、幾何特性、相對(duì)高程等分析提取電力線(xiàn)、桿塔所對(duì)應(yīng)的激光點(diǎn)。具體算法步驟如下[9-11]:

(1)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行空間拓展性分割,將所有點(diǎn)按照所處空間平面進(jìn)行歸類(lèi)。

(2)提取不同分割片的點(diǎn)云,對(duì)其進(jìn)行主成分分析,計(jì)算特征值,得到該分割片維度特征。

(3)使用多尺度分類(lèi)器自動(dòng)尋找分割的最佳尺度組合,最終實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)別點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)分割,將輸電線(xiàn)路點(diǎn)云分為桿塔、電力線(xiàn)、地面、植被4類(lèi)特征對(duì)象。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 數(shù)據(jù)獲取與平臺(tái)分析比較

本次試驗(yàn)采用垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)搭載獲取輸電線(xiàn)路點(diǎn)云數(shù)據(jù)。試驗(yàn)飛行速度27 m/s,飛行高度約200 m。通過(guò)巡線(xiàn)獲取到輸電線(xiàn)路三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),地表點(diǎn)密度約80個(gè)/m2,通過(guò)對(duì)地面點(diǎn)云進(jìn)行剖面分析,可知點(diǎn)云厚度為4 cm。

旋翼搭載的短測(cè)程激光雷達(dá)設(shè)備脈沖頻率和測(cè)距一般都低于固定翼搭載的長(zhǎng)測(cè)距激光雷達(dá)設(shè)備,且由于航時(shí)較短,較少用于大面積輸電線(xiàn)路巡檢,但是旋翼航速較低,單位面積點(diǎn)密度會(huì)多些。

為了驗(yàn)證固定翼無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路走廊環(huán)境的快速巡檢,本文將旋翼搭載的短測(cè)程8線(xiàn)激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和固定翼無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比分析,如表1所示。

表1 多平臺(tái)載激光雷達(dá)點(diǎn)云對(duì)比

由表1可知,固定翼載長(zhǎng)測(cè)距激光雷達(dá)點(diǎn)云厚度優(yōu)于旋翼載短測(cè)距激光雷達(dá)點(diǎn)云,滿(mǎn)足客戶(hù)點(diǎn)云密度不應(yīng)少于30點(diǎn)/m2的要求,且導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)云兩點(diǎn)間距較短,剖面效果良好,能實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路走廊環(huán)境的快速巡檢。

2.2 特征對(duì)象提取

輸電線(xiàn)路中對(duì)桿塔、導(dǎo)線(xiàn)、植被和地面等特征對(duì)象進(jìn)行提取,首先需將相鄰桿塔歸為一檔,對(duì)每一檔進(jìn)行特征對(duì)象提取,得到分類(lèi)后的點(diǎn)云,然后針對(duì)不連續(xù)的導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)云進(jìn)行修復(fù),根據(jù)導(dǎo)線(xiàn)的特性和點(diǎn)云的分布特征,自動(dòng)擬合出間斷處的點(diǎn)云。對(duì)該段導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)云測(cè)量可知間斷處長(zhǎng)度為1.8 m,對(duì)其按照點(diǎn)間距0.1 m進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)自動(dòng)擬合與修復(fù),得到0.1 m間距的導(dǎo)線(xiàn)連續(xù)點(diǎn)云。

2.3 安全檢測(cè)

輸電線(xiàn)路環(huán)境在進(jìn)行點(diǎn)云分類(lèi)后,基于擬合的電力線(xiàn)矢量數(shù)據(jù)和植被點(diǎn)云數(shù)據(jù),可量測(cè)任意位置輸電線(xiàn)路與植被的距離[8],通過(guò)與當(dāng)前電力線(xiàn)安全規(guī)范進(jìn)行比較,得到緊急缺陷、重大缺陷、一般缺陷及關(guān)注點(diǎn)等相關(guān)信息[9],并自動(dòng)生成輸電線(xiàn)路當(dāng)前工況安全距離檢測(cè)報(bào)告，如表2所示。

表2 當(dāng)前工況安全距離檢測(cè)報(bào)告

對(duì)其中桿塔區(qū)間的樹(shù)障點(diǎn)或預(yù)警點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行查看,分析其真實(shí)性,判斷是否因分類(lèi)錯(cuò)誤導(dǎo)致的誤檢,最終得到滿(mǎn)足電力線(xiàn)規(guī)范的安全檢測(cè)報(bào)告,如圖3所示。

圖3 危險(xiǎn)點(diǎn)詳情圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于固定翼無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其在輸電線(xiàn)路安全快速巡檢作業(yè)中的可行性。通過(guò)對(duì)多無(wú)人機(jī)平臺(tái)數(shù)據(jù)獲取方式進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)固定翼無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路走廊環(huán)境的快速巡檢;針對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)分類(lèi)與提取出桿塔、導(dǎo)線(xiàn)、植被和地面點(diǎn)云;通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)修復(fù)得到精確且完整的輸電線(xiàn)路點(diǎn)云后輸出當(dāng)前工況安全距離檢測(cè)報(bào)告。結(jié)果表明,固定翼無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)一方面可以進(jìn)行輸電線(xiàn)路快速巡檢,精準(zhǔn)地判別輸電線(xiàn)路危險(xiǎn)點(diǎn),另一方面可以為自動(dòng)駕駛精細(xì)化巡檢作業(yè)提供基礎(chǔ)航線(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù),具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。