林宇龍，李冰，白征東，程宇航

(1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司， 北京 100053； 2.清華大學(xué) 土木工程系， 北京 100084)

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高效、有序地對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理并保證其正常運(yùn)行成為電力系統(tǒng)建設(shè)中的重要問(wèn)題[1]。輸電線路作為電力網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，可以將電能輸送至全國(guó)各地，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2-3]。但是，傳統(tǒng)的人工測(cè)量輸電線路的方法已經(jīng)無(wú)法匹配電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的速度，并且對(duì)于輸電線路途經(jīng)區(qū)域地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的情況，傳統(tǒng)人工測(cè)量方法的效率和精度都較低[4-6]。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)為載體，以激光脈沖為測(cè)量媒介，可以同時(shí)采集測(cè)量區(qū)域的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率圖像，具有測(cè)量速度快、精度高、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，在輸電線路測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用[7-11]。其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是激光雷達(dá)的基本輸出，通用的文件格式是三維坐標(biāo)文件，包含每一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，除此之外可能含有顏色信息或者反射強(qiáng)度信息。使用激光雷達(dá)測(cè)量電塔、輸電線、通道和相間間隔棒，可以建立輸電線、電塔的電子臺(tái)賬，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行具有實(shí)際意義[12]。

然而，由于機(jī)載飛行平臺(tái)所搭載的激光雷達(dá)重量所限，其掃描分辨率一般較低，所以機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中點(diǎn)與點(diǎn)的間隔較大，無(wú)法得到電塔的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。鑒于此，文中提出一種機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與地面激光掃描儀協(xié)同工作的輸電線路測(cè)量方案，可以采集輸電線路的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊中危險(xiǎn)點(diǎn)的檢測(cè)[13]以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測(cè)[14]，圖1給出了組合激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作流程。

圖1 組合激光雷達(dá)系統(tǒng)工作流程Fig.1 Combined laser radar system workflow

1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)及其工作流程

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)集全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)、慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)和激光測(cè)距技術(shù)(Light Detection and Ranging，LiDAR)于一體，可以主動(dòng)式、無(wú)接觸地采集測(cè)量對(duì)象的空間信息。具體工作流程如圖2所示，包括飛行設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合解算3個(gè)步驟。

圖2 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of airborne lidar system

1.1 飛行設(shè)計(jì)

飛行設(shè)計(jì)包括無(wú)人機(jī)和激光雷達(dá)設(shè)備的選型以及飛行航線的規(guī)劃。文中選用多旋翼無(wú)人機(jī)，搭載Rigel mini VUX-1UAV激光雷達(dá)系統(tǒng)(參數(shù)如表1所示)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，可以將電力線軌跡導(dǎo)入系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)分辨率和條帶覆蓋寬度，根據(jù)地形信息限制，自動(dòng)生成安全跨線的條帶狀電力測(cè)量航線。

表1 激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Parameters of lidar system

1.2 數(shù)據(jù)采集

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)系統(tǒng)在進(jìn)行輸電線路測(cè)量時(shí)，需要采集的數(shù)據(jù)有點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高分辨率圖像、IMU觀測(cè)數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)GNSS數(shù)據(jù)和基站GNSS數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)人機(jī)操作人員需要通過(guò)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的GNSS信號(hào)、影像質(zhì)量、回波接收狀態(tài)和實(shí)時(shí)環(huán)境條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)應(yīng)對(duì)各種意外情況。

1.3 數(shù)據(jù)融合解算

為了得到輸電線路的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，具體數(shù)據(jù)解算流程如圖3所示。

圖3 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算流程Fig.3 Data solution flow chart of airborne lidar system

(1)RTK/PPK差分解算

實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic, RTK)在通信鏈路良好的情況下，可以基于流動(dòng)站和基準(zhǔn)站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，得到厘米級(jí)的定位結(jié)果。而在山區(qū)進(jìn)行輸電線路測(cè)量，通信鏈路較差的情況下，動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)(Post Processed Kinematic)可以在事后基于流動(dòng)站和基準(zhǔn)站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，同樣能夠得到厘米級(jí)的定位結(jié)果。

(2)GNSS-IMU聯(lián)合解算

GNSS-IMU聯(lián)合解算是指將GNSS數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)一定算法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行解算。GNSS具有精度高、誤差不隨時(shí)間發(fā)散的優(yōu)點(diǎn)，但其采樣率低且容易受遮擋影響；IMU具有采樣率高、短時(shí)精度高且受外界環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，但其誤差隨時(shí)間累積。采用GNSS-IMU聯(lián)合解算可以獲得更高精度的定位數(shù)據(jù)，從而提高機(jī)載激光雷達(dá)的測(cè)量精度。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)定向

得到準(zhǔn)確的定位結(jié)果后，聯(lián)合系統(tǒng)的參數(shù)可以獲取無(wú)人機(jī)的航跡文件，并為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每一個(gè)點(diǎn)賦予坐標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的定向。經(jīng)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集到的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 部分輸電線路走廊點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.4 Part of point cloud data of transmission line corridor

2 地面激光掃描儀及其作業(yè)方案

地面激光掃描儀是激光掃描技術(shù)的又一載體，相比于機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，地面激光掃描儀具有更高的掃描分辨率和測(cè)量精度，可以采集到測(cè)量對(duì)象更為精細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.1 設(shè)備選型

文中采用的地面激光掃描儀型號(hào)為L(zhǎng)eica ScanStation P50，掃描距離可達(dá)1 000 m，能夠在360°×290°的掃描視場(chǎng)內(nèi)以1 000 000點(diǎn)/秒的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)距精度可達(dá)1.2 mm +10 ppm。

2.2 作業(yè)方案

利用地面激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于激光沿直線傳播且測(cè)量環(huán)境中遮擋物的存在，實(shí)際測(cè)量時(shí)需要對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行多測(cè)站多視角掃描，獲取測(cè)量對(duì)象的分站點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后將各個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到測(cè)量對(duì)象的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。考慮到輸電線路測(cè)量區(qū)域大尺度、長(zhǎng)條狀的特點(diǎn)，作業(yè)時(shí)采用已知后視點(diǎn)拼接方法，在掃描的同時(shí)完成數(shù)據(jù)拼接，這種方法可以兼顧拼接的精度與效率，示意圖如圖5所示。

圖5 已知后視點(diǎn)拼接示意圖Fig.5 Schematic diagram of known back-sight registration

作業(yè)方案的具體實(shí)施如下：

(1)測(cè)區(qū)踏勘。全面了解測(cè)區(qū)的范圍和地形特征，選取合適的測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)，完成測(cè)區(qū)草圖的繪制；

(2)坐標(biāo)測(cè)量。采用GNSS接收機(jī)，利用RTK定位技術(shù)，測(cè)量各個(gè)測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)并記錄；

(3)掃描。設(shè)定掃描儀測(cè)站信息并捕捉后視點(diǎn)標(biāo)靶，設(shè)定合適的掃描范圍和掃描參數(shù)，對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行掃描。

3 輸電線路測(cè)量試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

輸電線路測(cè)量試驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省張家口市張北縣，時(shí)間是2019年10月。輸電線路為張北500 kV高壓輸電線，全長(zhǎng)約20公里呈帶狀分布，地形起伏較小。

3.1.1 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)作業(yè)

根據(jù)我國(guó)電力營(yíng)運(yùn)安全規(guī)范DLT 741-2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)范》，對(duì)于500 kV的輸電線路，需要排查輸電線路走廊兩邊各20 m的走廊寬度。根據(jù)輸電線路高度、地形條件和測(cè)量要求，飛行高度為80 m ～140 m、相對(duì)于避雷線(最上層的電力線)20 m，掃描分辨率為3 cm，航向重疊率和旁向重疊率分別為80%和70%。飛行時(shí)由人工和自主飛行組成，在掃描飛行前先進(jìn)行快速直線和“8”字繞行來(lái)進(jìn)行GNSS/IMU組合導(dǎo)航的校準(zhǔn)精度的提高，然后升高到預(yù)定高度，沿航線進(jìn)行飛行掃描，掃描結(jié)束后飛出測(cè)量區(qū)域做完“8”字繞行和快速直線后返回降落。其中一個(gè)電塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)共包含55 580個(gè)點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)-機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)Fig.6 Point cloud data of electric tower-airborne lidar system

3.1.2 地面激光掃描儀作業(yè)

利用地面激光掃描儀對(duì)電塔進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每個(gè)電塔分兩站進(jìn)行掃描，測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)GNSS接收機(jī)連接千尋知寸厘米級(jí)高精度定位服務(wù)，可以在幾秒內(nèi)獲得厘米級(jí)定位結(jié)果。掃描范圍通過(guò)掃描儀內(nèi)置相機(jī)確定，掃描分辨率為1.6 mm@10 m，最大測(cè)量距離為120 m，每個(gè)測(cè)站掃描時(shí)間約5 min。其中一個(gè)電塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)共包含889 287個(gè)點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)-地面激光掃描儀Fig.7 Point cloud data of electric tower-terrestrial laser scanner

3.2 試驗(yàn)結(jié)果處理

由圖6、圖7可以看出，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取到的電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)中點(diǎn)與點(diǎn)的間隔較大，而地面激光掃描儀獲取到的電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)分辨率很高，桿塔結(jié)構(gòu)清晰，絕緣子可見(jiàn)。為了獲取輸電線路的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以將機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)和地面激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合在一起，如圖8所示。

圖8 融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.8 Fusion point cloud data

其實(shí)質(zhì)是兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，通過(guò)選擇3個(gè)以上的同名特征點(diǎn)對(duì)，如電塔的角點(diǎn)、頂點(diǎn)，計(jì)算出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)——旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。

(1)

(2)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

基于機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)和地面激光掃描儀獲取到的融合后的輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)DLT 741-2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)范》和輸電線路測(cè)量要求，可以實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊中各個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的檢測(cè)以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測(cè)。實(shí)際試驗(yàn)表明，組合激光雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的測(cè)量結(jié)果可以滿足輸電線路的測(cè)量精度要求[15]。

3.3.1 危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)

輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)中通常囊括了電塔、電力線、植被和地面等信息，在進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)前，需要分類提取這些數(shù)據(jù)。在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件中，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類，分類結(jié)果如圖9所示。

圖9 輸電線路走廊點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類圖Fig.9 Point cloud data classification diagram of transmission line corridor

在輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以對(duì)輸電線路走廊進(jìn)行直觀的觀察并對(duì)電力線-植被、電力線-地面、電力線-建筑物和電力線-電力線等危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的位置、類型和相對(duì)距離都可以從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中精確獲得，圖10給出了部分危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果。

圖10 危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)Fig.10 Danger point detection

3.3.2 電塔傾斜度與變形監(jiān)測(cè)

電塔的傾斜度與變形速率是判斷其在輸電線路運(yùn)行過(guò)程中是否安全的重要依據(jù)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可以得到電塔幾何特征點(diǎn)的精確坐標(biāo)，利用這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電塔的傾斜度。通過(guò)掃描不同時(shí)期的電塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)比不同時(shí)期的電塔幾何特征點(diǎn)的相對(duì)位置即可實(shí)現(xiàn)電塔的變形監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)量輸電線路方法精度與效率較低的問(wèn)題，提出一種機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與地面激光掃描儀協(xié)同工作的組合激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集輸電線路走廊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用地面激光掃描儀采集電塔高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，實(shí)現(xiàn)兩組點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊中危險(xiǎn)點(diǎn)的檢測(cè)以及電力塔的傾斜度與變形監(jiān)測(cè)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。