陳永洪，謝榕昌，蔡振華*，曾深明，吳榮基

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510620；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽江供電局，廣東 陽江 529500）

輸電線路工程驗(yàn)收是保障電力系統(tǒng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，對于電網(wǎng)的可靠、穩(wěn)定和安全具有重要意義。驗(yàn)收的工作效率和水平直接影響工程能否按進(jìn)度投產(chǎn)以及運(yùn)行單位巡檢維護(hù)該項(xiàng)目的成本[1-4]。耐張塔和軟跳線是架空輸電線路系統(tǒng)的重要組成部分，耐張塔預(yù)偏值以及軟跳線安裝質(zhì)量檢測是輸電線路工程驗(yàn)收中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

傳統(tǒng)驗(yàn)收主要采用地面測量的方法，成果精度高，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、依賴于人員經(jīng)驗(yàn)、登高作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高。隨著技術(shù)的發(fā)展，直升機(jī)驗(yàn)收的方式被廣泛應(yīng)用。該方式不受地面通行條件限制、作業(yè)效率高、作業(yè)半徑大、人員勞動(dòng)強(qiáng)度相對較小、避免了人員經(jīng)驗(yàn)差異帶來的粗差，但載人直升機(jī)方式的飛行成本仍相對較高，且存在飛行安全風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)遙感具有安全性高、成本低、機(jī)動(dòng)靈活、工作效率高等優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速[5-6]，被廣泛應(yīng)用于輸電線路工程的驗(yàn)收和巡檢中[7]。目前采用的機(jī)型主要包括無人直升機(jī)、固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)等，載荷以光學(xué)相機(jī)為主。激光雷達(dá)（LiDAR）是集成了激光掃描儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、慣性測量單元、高速率存儲(chǔ)設(shè)備和計(jì)算機(jī)的一體化現(xiàn)代先進(jìn)空間測量系統(tǒng)，具有測距精度高的特點(diǎn)，可在輸電線路工程驗(yàn)收中發(fā)揮重要作用[8-12]。本文研究了基于LiDAR 的耐張塔預(yù)偏值和軟跳線安裝質(zhì)量智能檢測技術(shù)，并以廣東省云浮市西南500 kV 架空輸電線路驗(yàn)收為例，介紹了無人機(jī)LiDAR在耐張塔預(yù)偏值和軟跳線安裝質(zhì)量智能檢測中的應(yīng)用，可為相關(guān)研究工作提供參考。

1 技術(shù)方法

1.1 無人機(jī)LiDAR數(shù)據(jù)采集

在傳統(tǒng)基于無人機(jī)LiDAR 的輸電線路巡檢或工程驗(yàn)收中，無人機(jī)只飛行一遍；而為了保障線路和無人機(jī)系統(tǒng)的安全，在考慮無人機(jī)懸停精度和GPS定位誤差的條件下，無人機(jī)離輸電線路的水平和垂直距離均較大，這樣將導(dǎo)致獲取的激光點(diǎn)云密度和影像分辨率受限。

鑒于此，本文利用基于RTK的無人機(jī)搭載LiDAR進(jìn)行耐張塔預(yù)偏值和軟跳線安裝質(zhì)量智能檢測的數(shù)據(jù)采集。其主要步驟為：①利用無人機(jī)搭載LiDAR 設(shè)備，以等高的方式飛行，獲取線路走廊內(nèi)的高精度三維點(diǎn)云；②利用自動(dòng)/半自動(dòng)算法提取耐張塔、導(dǎo)線等關(guān)鍵地物以及三維地形信息；③利用提取的地物和地形信息進(jìn)行復(fù)雜的三維航跡規(guī)劃，自動(dòng)選定耐張塔本體精細(xì)化驗(yàn)收的拍照點(diǎn)；④依據(jù)規(guī)劃的三維飛行航跡，在RTK厘米級定位精度信號的支持下，進(jìn)行自主的貼近飛行，獲取更高密度、更高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；⑤基于高密度、高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行耐張塔預(yù)偏值和軟跳線安裝質(zhì)量智能檢測。

1.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)/半自動(dòng)分類

對于耐張塔預(yù)偏值和軟跳線安裝質(zhì)量檢測而言，最關(guān)注的地物為桿塔本體和軟跳線點(diǎn)云。然而，一次飛行任務(wù)獲取的輸電線走廊原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括掃描范圍內(nèi)所有地物目標(biāo)的三維空間信息，數(shù)據(jù)量龐大，且必然包含大量的噪聲點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中需剔除這些噪聲點(diǎn)，并將不同類型的地物要素分類。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理（去噪、分類等）是走廊三維重建、安全距離分析等應(yīng)用的基礎(chǔ)，是點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理研究的核心與難點(diǎn)，更是目前機(jī)載點(diǎn)云內(nèi)業(yè)處理中最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)/半自動(dòng)分類流程如圖1所示。

圖1 電力走廊點(diǎn)云分類流程圖

1.3 基于LiDAR的耐張塔預(yù)偏值檢測

基于桿塔激光點(diǎn)云，在塔身部分拖動(dòng)生成一個(gè)上矩形面，取上矩形面與塔身主材相交的4個(gè)頂點(diǎn)（相同高度ht），其坐標(biāo)分別為（X1t,Y1t,ht）、（X2t,Y2t,ht）、（X3t,Y3t,ht）、（X4t,Y4t,ht）；再根據(jù)式（1）計(jì)算4 個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的矩形中心點(diǎn)T的坐標(biāo)（Xot,Yot,Zot）。

在塔基部分拖動(dòng)生成一個(gè)下矩形面，取下矩形面與塔身主材相交的4 個(gè)頂點(diǎn)（相同高度hb），其坐標(biāo)分別為（X1b,Y1b,hb）、（X2b,Y2b,hb）、（X3b,Y3b,hb）、（X4b,Y4b,hb）；再利用式（1）計(jì)算4 個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的矩形中心點(diǎn)B的坐標(biāo)（Xob,Yob,Zob）。

將點(diǎn)T投影到下矩形面，其投影點(diǎn)為P，坐標(biāo)為（Xp,Yp,Zp），Zp=hb；連接T、B、P三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)直角三角形，再根據(jù)勾股定理計(jì)算得到傾斜度、投影面夾角和水平偏移距離。傳統(tǒng)人工檢測方法只能檢測耐張塔預(yù)偏角度，本文方法可同時(shí)檢測預(yù)偏角度、距離和方向，極大地提高了耐張塔預(yù)偏值檢測的效率和準(zhǔn)確率。

1.4 基于LiDAR的軟跳線安裝質(zhì)量檢查

軟跳線安裝質(zhì)量檢查的具體步驟為：①對激光點(diǎn)云進(jìn)行分類，把軟跳線單獨(dú)分成一類，與桿塔本體區(qū)分開，分類方法同§1.2節(jié)；②根據(jù)桿塔的坐標(biāo)和軟跳線的點(diǎn)云高度，將軟跳線分為左上相、左中相、左下相、右上相、右中相和右下相；③分別計(jì)算各相軟跳線點(diǎn)云與桿塔本體點(diǎn)云的空間距離，判斷是否小于安全距離閾值，改變小于安全距離閾值的點(diǎn)云顏色；④生成正視圖、側(cè)視圖，從不同角度查看不符合安全距離的軟跳線點(diǎn)云情況，進(jìn)一步評估該軟跳線是否存在安全隱患，若小于安全距離閾值的點(diǎn)云數(shù)量多于10 個(gè)，則判定該軟跳線安裝質(zhì)量可能存在隱患；⑤生成軟跳線質(zhì)量檢測報(bào)告。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

本文選取的實(shí)驗(yàn)區(qū)為廣東省云浮市西南；地勢西南高、東北低；主要地貌為丘陵，多沿山地邊緣發(fā)育，高丘陵海拔為250～450 m，低丘陵海拔為100～250 m，低丘陵坡度平緩，多為15～20°。本次測試為500 kV架空輸電線路，平均塔高約為70 m。測區(qū)線路如圖2所示。

圖2 測區(qū)線路圖

2.2 無人機(jī)遙感系統(tǒng)

本文采用大疆M600飛行平臺和QLiDAR-H200H1C載荷獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。M600是DJI為專業(yè)級影視航拍以及行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域打造的全新一體化飛行平臺，集成了新一代精準(zhǔn)可靠的A3飛行控制系統(tǒng)和Lightbridge 2高清數(shù)字圖傳，支持高精度D-RTK GNSS 與地面站系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，提供最大6.0 kg 的有效載重。M600 不僅適配DJI 禪思系列云臺，還全面支持“如影”Ronin-MX和DJI無線跟焦器；掛載各類微單、單反、甚至RED Epic 電影攝像機(jī)時(shí)，攝影師可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)鏡頭的焦點(diǎn)和光圈。QLiDAR-H200H1C 是一款無人機(jī)機(jī)載點(diǎn)云影像一體化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成了有效測距200 m 的25 線激光掃描儀，平均點(diǎn)密度優(yōu)于200點(diǎn)/m2（@100 m高度@10 m/s），保證了場景適用性和高點(diǎn)密度；集成了2 400 萬像素的APS-C 數(shù)字相機(jī)；集成了APPLANIX APX15慣導(dǎo)系統(tǒng)，保證了使用穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)精度；擁有自主研發(fā)的智能控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的易用性，如表1所示。

表1 QLiDAR-H200H1C無人機(jī)LiDAR系統(tǒng)的主要參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 線路走廊高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

第一次飛行的相對航高為120 m，飛行速度為10 m/s，旋轉(zhuǎn)頻率為10 Hz，點(diǎn)云密度為286 點(diǎn)/m2。采用配套的數(shù)據(jù)處理軟件生成線路走廊的高精度三維點(diǎn)云；再利用人工智能算法自動(dòng)提取桿塔、導(dǎo)線等關(guān)鍵地物和三維地形信息；然后利用這些信息進(jìn)行三維航跡規(guī)劃（圖3），并自動(dòng)選定耐張塔本體精細(xì)化驗(yàn)收的拍照點(diǎn)（圖4）。依據(jù)規(guī)劃的三維飛行航跡，在RTK厘米級定位精度信號的支持下進(jìn)行第二次自主貼近飛行，相對航高為100 m，飛行速度為10 m/s，旋轉(zhuǎn)頻率為10 Hz，點(diǎn)云密度為343 點(diǎn)/m2，從而獲取更高密度、更高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖5）。

圖3 航跡規(guī)劃示意圖

圖4 拍照點(diǎn)位置示意圖

圖5 高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.3.2 LiDAR點(diǎn)云的分類結(jié)果

根據(jù)LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)/半自動(dòng)分類算法，對貼近飛行獲取的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，從而劃分為桿塔、軟跳線、導(dǎo)線、地線、絕緣子等類型，如圖6所示。

圖6 點(diǎn)云分類結(jié)果

2.3.3 耐張塔預(yù)偏值智能檢測

利用無人機(jī)LiDAR采集的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展耐張塔預(yù)偏值智能檢測，檢測主要界面如圖7 所示，可實(shí)現(xiàn)塔高、傾斜距離、傾斜角、傾斜度等多個(gè)指標(biāo)的檢測。檢測結(jié)果如圖8 所示，提高了檢測準(zhǔn)確率和效率，減輕了工作人員負(fù)擔(dān)，為耐張塔驗(yàn)收提供了一種有效的技術(shù)支撐。

圖7 耐張塔預(yù)偏值檢測

圖8 耐張塔預(yù)偏值檢測結(jié)果

2.3.4 軟跳線安裝質(zhì)量智能檢測

利用無人機(jī)LiDAR采集的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)開展軟跳線安裝質(zhì)量智能檢測，檢測主要界面如圖9 所示，可實(shí)現(xiàn)電氣間隙安全距離的檢測，為軟跳線安裝質(zhì)量驗(yàn)收提供了快速方法。另外，針對軟跳線進(jìn)行距離分析對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度要求較高，采用本文提出的數(shù)據(jù)采集模式可滿足軟跳線安裝質(zhì)量檢查對點(diǎn)云密度的要求。軟跳線安全距離檢測結(jié)果如圖10所示。

圖9 軟跳線安裝質(zhì)量檢測界面

圖10 軟跳線安全距離檢測結(jié)果

3 結(jié) 語

本文針對輸電線路工程驗(yàn)收中耐張塔預(yù)偏值和軟跳線安裝質(zhì)量智能檢測需求，提出了一種基于無人機(jī)LiDAR的桿塔安裝質(zhì)量檢查技術(shù)。該技術(shù)要求進(jìn)行兩次無人機(jī)飛行，第一次以等高方式飛行，獲取線路走廊內(nèi)的高精度三維點(diǎn)云，再利用人工智能算法自動(dòng)提取桿塔、導(dǎo)線等關(guān)鍵地物和三維地形信息，進(jìn)行復(fù)雜的三維航跡規(guī)劃，并自動(dòng)選定桿塔本體精細(xì)化驗(yàn)收的拍照點(diǎn)；第二次飛行依據(jù)規(guī)劃的三維飛行航跡，在RTK厘米級定位精度信號的支持下進(jìn)行自主貼近飛行，從而獲取更高密度、更高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)/半自動(dòng)分類和桿塔模型重建，用于耐張塔預(yù)偏值和軟跳線安裝質(zhì)量檢測。通過廣東省云浮市進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該方法的可行性和有效性，可滿足智能化驗(yàn)收工作的要求。