程海濤 杜偉 費敏 朱曉康 孫鴻博

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-7683

摘? 要：機載激光掃描作業(yè)系統(tǒng)作為新一代的航空遙感系統(tǒng)，具有十分廣泛的用途。本文介紹激光雷達系統(tǒng)原理，就直升機、中大型固定翼無人機平臺輸電線路激光航測進行工程方案設計和驗證對比，有效地解決了中大型無人機在電力勘測設計領域應用的技術性難題，并就直升機、中大型無人機激光掃描系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)體系在電網工程新基建背景下的進一步應用作了探討和敘述。

關鍵詞：航空作業(yè)平臺? 勘測設計? 激光雷達? 中大型無人機

中圖分類號：P23 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0043-04

Comparative Application Research of Multi-Platform Laser Scanning in Transmission Line Survey and Design

CHENG Haitao1? DU Wei1? FEI Min2? ZHU Xiaokang1? SUN Hongbo1

（1.State Grid General Aviation Company， Beijing，102209 China; 2. Hangzhou Power Supply Company， State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.，? Hangzhou， Zhejiang Province， 310016 China）

Abstract： As a new generation of aerial remote sensing system， the airborne laser scanning operation system has a very wide range of uses. This article introduces the principle of the lidar system， and conducts engineering scheme design and verification comparison for the laser aerial survey of the transmission line of the helicopter and the medium and large fixed-wing UAV platform. It effectively solves the technical problems in the application of medium and large UAVs in the field of electric power survey and design. Discussed and described the further application of the cooperative operation system of the laser scanning system of helicopters and medium and large UAVs under the background of the new infrastructure of power grid engineering.

Key Words： Aviation operation platform; Survey and design; Lidar; Medium and large UAVs

輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著輸送電能的重任，隨著我國經濟水平的日益提升，電網基建過程中對輸電線路通道走廊的選擇日趨重要，為了能夠實現精準選線，降低工程造價、減少人地矛盾，同時將工程建設對環(huán)境的影響壓減至最低，輸電線路基建階段對高精度地理信息測繪數據的要求愈發(fā)迫切[1]。傳統(tǒng)的人工外業(yè)工程測量以及航空攝影測量已經難以滿足線路設計、基建需求。

隨著科技進步，技術變革加速了輸電線路勘測設計方式的轉變。機載激光雷達作為一種非接觸式的主動距離探測技術，能夠快速獲得被探測物體的空間幾何結構信息，目前廣泛應用于地理信息測繪及定位導航領域。在電網勘測設計中，主要用于架空線路的通道環(huán)境測繪及三維重建[2]。由于激光雷達設備昂貴、安裝精度高，目前主要以直升機為作業(yè)平臺開展線路巡檢，隨著無人機技術的發(fā)展，直升機的高成本凸顯。近年來，已經出現通過在中小型旋翼無人機搭載小型激光雷達開展輸電線路航拍勘測的應用試點，但受限于多旋翼無人機的航程短、載重小、速度慢等因素，通過多旋翼搭載高精度激光雷達開展勘測作業(yè)效率低，很難在電網領域大面積開展應用。中大型固定翼無人機由于飛行速度快、續(xù)航時間長、飛行性能優(yōu)越，特別是兼具多旋翼和固定翼無人機的垂直起降固定翼無人機，擺脫了傳統(tǒng)固定翼無人機對起降場地的限制，作為輸電線路激光航測的作業(yè)平臺具有較好的應用前景。本文從無人機及機載激光雷達技術發(fā)展出發(fā)，結合輸電線路勘測設計情況，提出一種基于固定翼無人機激光掃描的輸電線路勘測方法，并與直升機作業(yè)方式進行對比驗證。

1? 激光掃描作業(yè)原理

激光雷達系統(tǒng)集成了激光掃描儀、GNSS定位系統(tǒng)、慣性測量單元（IMU）及數碼相機，能夠直接、快速、精確地獲取目標的三維空間信息。利用多回波技術，激光可以穿透植被，獲取真實的地表模型[3]。

激光掃描儀通過激光發(fā)射裝置向目標發(fā)射激光脈沖，由接收器接收激光反射信息計算地物與激光發(fā)射點之間的距離，根據GNSS定位系統(tǒng)確定激光雷達精確的空間三維坐標（X，Y，Z），并利用IMU慣性測量單元測量激光掃描儀的姿態(tài)角度，同時時間同步系統(tǒng)將激光掃描儀、GNSS定位系統(tǒng)、慣性測量單元統(tǒng)一到同一時間基準下，最后由計算機控制系統(tǒng)根據幾何參數和空間關系得到地物點的空間三維坐標從而實現三維重建，其工作原理如圖1所示。

2? 直升機/中大型無人機激光掃描系統(tǒng)

激光掃描作業(yè)系統(tǒng)主要激光雷達系統(tǒng)搭配直升機、無人機作業(yè)平臺組成，其中激光雷達系統(tǒng)主要包括激光掃描儀、POS系統(tǒng)及航測相機。中大型無人機系統(tǒng)主要由飛行平臺、飛控系統(tǒng)、數據鏈系統(tǒng)。直升機主要包括操控系統(tǒng)和作業(yè)平臺，系統(tǒng)組成框架如圖2所示。

綜合多旋翼和固定翼無人機優(yōu)勢，越來越多的研究通過將多旋翼和固定翼相結合的總體設計方案，即垂直起降固定翼無人機，使固定翼無人機兼具多旋翼無人機的垂直起降優(yōu)勢，解決了固定翼無人機對起降場地的限制，能夠在山區(qū)、叢林等復雜作業(yè)條件下完成作業(yè)，極大的提高了固定翼無人機的應用范圍。

垂直起降固定翼無人機系統(tǒng)中飛控系統(tǒng)及數據鏈系統(tǒng)主要由飛行控制與導航系統(tǒng)、機載傳感器、數傳天線等模塊組成，通過地面站發(fā)送控制指定，結合機載傳感器參數，實現自動控制導航，并與地面站實現上下鏈路通信。系統(tǒng)主要結構如圖3所示。垂直起降固定翼無人機在執(zhí)行作業(yè)任務時，不同于直升機，可根據飛行員目視判斷，及時規(guī)避障礙物，當固定翼無人機在視距外飛行時只能通過地面站軟件，在飛控的協(xié)同下控制無人機。因此固定翼無人機在執(zhí)行任務時應保持在遠離重要地物，避免長時間在輸電線路、公路、鐵路等上方飛行，飛行高度應根據線路電壓等級、地形情況進行設置，確保無人機在安全的飛行高度下實施作業(yè)。

3? 工程驗證

本文以輸電線路激光航測工程項目為依托，采用直升機、中大型垂直起降固定翼無人機為平臺，分別搭載中型、輕型激光雷達設備，對安徽省某地區(qū)一段136.8km、500kV電壓等級輸電線路進行激光航測，獲取激光點云及影像，構成2km帶寬的輸電走廊數據。

3.1 測區(qū)概況

本次驗證線路工程分布于安徽省北部地區(qū)，線路沿線分布以平原、丘陵為主，地勢由西北向東南傾斜，海拔為15～120m，整體地勢有一定起伏。

3.2 方案制定

為全面驗證直升機、無人機激光雷達勘測作業(yè)的作業(yè)成果和作業(yè)效率，本次驗證在按照直升機先行作業(yè)，中大型垂直起降固定翼無人機后續(xù)作業(yè)的方式，分別進行數據采集，并將作業(yè)過程和成果情況進行比較。

點云密度是分辨地物細微程度的重要屬性，也是評價數據質量的重要指標，反映了數據用于生產的應用能力。激光掃描電力勘測對點云密度要求較高。直升機激光掃描作業(yè)時通常保持15～17m/s的飛行速度開展作業(yè)，而固定翼無人機需以不低于失速速度飛行，否則易產生安全隱患，適用于激光掃描的固定翼無人機失速速度通常為15～20m/s左右，因此實際飛行速度通常為25～30m/s左右。受限于失速速度的限制，固定翼無人機在開展激光掃描勘測作業(yè)時，需以較高的速度飛行，因此需要將作業(yè)高度降低，增加航線規(guī)劃公里成數以滿足掃描點云密度要求。

數據要求：本次沿作業(yè)線路可行性研究路徑進行高分辨率數字航拍，數據采集覆蓋帶寬2km，線路中心線兩側各1km。本次實驗飛行保證影像分辨率優(yōu)于0.1m。為確保成果質量，設計影像航向重疊度≥60%，旁向重疊度≥30%;點云航線旁向重疊度≥20%;數字正射影像（DOM）和數字高程模型（DEM）比例尺優(yōu)于1：1000。

3.3 效率對比

由于航測作業(yè)需嚴格保持飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性，且在切換航線時準確度要求較高，直升機作業(yè)受飛行員技術水平影響較大，同時效率亦受起降場位置影響。而無人機按規(guī)劃航線作業(yè)，因而人為影響較小，作業(yè)效率相對穩(wěn)定。

如表1所示，直升機在現場作業(yè)效率方面具有一定優(yōu)勢，中大型垂直起降固定翼無人機可依托成本優(yōu)勢，通過增派作業(yè)機組等形式實現效率的本質提升。

3.4 成果質量對比

本項目采用地面工程測量方式，共布設地面校驗點15處，對直升機、中大型垂直起降固定翼無人機作業(yè)成果數據進行了精度校驗，校驗結果、數據質量如表2、圖4、圖5所示。直升機、中大型垂直起降固定翼無人機激光掃描數據成果在平面精度和高程精度上各有微弱優(yōu)勢，但均完全滿足并超出相關行業(yè)標準要求。通過數據處理，可在輸電線路工程初步設計、施工圖設計等階段提供平縱斷面圖、塔位地形圖、塔基斷面圖、桿塔高低腿設計依據等全方位支撐，大量減輕外業(yè)工作量負擔，提升了工程設計質量和效率。

綜上所述，與直升機激光掃描系統(tǒng)相比，中大型垂直起降固定翼無人機激光掃描作業(yè)系統(tǒng)具有人員精簡、成本較低等優(yōu)勢，但也存在續(xù)航時間、載荷能力、懸停能力等劣勢，如表3。

4? 結語

隨著無人機及激光雷達技術的發(fā)展，以及點云濾波和分類算法的進步，以無人機為作業(yè)平臺通過搭載激光雷達設備開展空間數據獲取已經在測繪、公路、鐵路、電力等領域取得了一定的應用。本文以直升機、垂直起降固定翼無人機為作業(yè)平臺搭載高精度激光雷達設備開展工程對比驗證，通過分析表明基于中大型垂直起降固定翼無人機激光航測作業(yè)能夠同時實現降低成本并保證高質量數據成果，該方案可與直升機作業(yè)形成有效互補，可廣泛應用于遠距離、復雜地形跨區(qū)輸電線路勘測設計中，并可向鐵路、公路等帶狀地形圖測繪領域延伸，具有廣闊的應用前景。

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