左 羅，田 其，郭力馳

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司中超建設(shè)管理公司，湖北 武漢 430000；2.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000；3.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

輸電線路建設(shè)如火如荼，每年都有大批的輸電線路工程竣工。在交付運(yùn)營(yíng)前，都需要對(duì)輸電線路工程進(jìn)行檢查驗(yàn)收。竣工驗(yàn)收除確認(rèn)工程的施工質(zhì)量外，還需要對(duì)線路走廊的障礙物清理情況進(jìn)行驗(yàn)收，確保線路運(yùn)行安全。目前輸電線路工程通道驗(yàn)收主要采用人工作業(yè)模式，需要驗(yàn)收人員翻山越嶺沿電力線通道進(jìn)行巡視，依靠經(jīng)驗(yàn)判斷是否存在危及電力線安全運(yùn)行的因素。驗(yàn)收人員在地面目視電力線，特別是在植被茂密地區(qū)，存在很大的盲區(qū)，通過(guò)目視無(wú)法判斷電力線與障礙物之間的凈空距離，依靠手持測(cè)距儀也很難準(zhǔn)確測(cè)量其空間距離，驗(yàn)收作業(yè)存在很大的主觀性，缺乏定量測(cè)量依據(jù)［1-31］。目前通道驗(yàn)收存在以下問(wèn)題：

1）驗(yàn)收難度大。驗(yàn)收人員沿著輸電線路逐塔巡查，大部分輸電線路遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、道路，位于崇山峻嶺之中，地形復(fù)雜、交通條件不便，且植被覆蓋率高，驗(yàn)收人員沿著線路巡查驗(yàn)收的方式花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作安全性低。

2）測(cè)量精度低。由于在地面檢測(cè)，受到空間位置和探測(cè)儀器的限制，短時(shí)間內(nèi)不能對(duì)輸電線路進(jìn)行全局地、詳細(xì)地勘察。驗(yàn)收結(jié)果更多的是依靠驗(yàn)收人員的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，不可避免地存在著缺陷發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、巡查不全面等情況，因此傳統(tǒng)的驗(yàn)收方式已無(wú)法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理與現(xiàn)代電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展需要。

激光掃描技術(shù)是一種非接觸主動(dòng)式快速獲取物體表面三維密集點(diǎn)云的技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)可以直接獲取具有三維坐標(biāo)、一定屬性（回波、反射強(qiáng)度等）的海量、不規(guī)則空間分布的三維點(diǎn)云，同時(shí)具有一定的植被穿透能力［32-34］。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備獲取輸電線路及其走廊環(huán)境內(nèi)的地表高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路、桿塔等自動(dòng)獲取，并計(jì)算輸電線與地物的空間距離，從而實(shí)現(xiàn)輸電線路通道危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)，并可通過(guò)交叉跨越分析、林木分析等，提前發(fā)現(xiàn)隱患，達(dá)到通道驗(yàn)收目的。

1 利用雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行通道檢測(cè)流程

利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)沿輸電線路采集通道內(nèi)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云分類后，可進(jìn)行桿塔分析、實(shí)時(shí)工況分析、模擬工況分析等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路廊道的障礙物清理情況進(jìn)行檢測(cè)，以數(shù)據(jù)來(lái)支持通道驗(yàn)收，如圖1所示。

圖1 流程示意圖Fig.1 Flow diagram

目前外業(yè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理已基本成熟。多旋翼無(wú)人機(jī)具有成本低、運(yùn)輸方便、操作靈活、起飛場(chǎng)地要求低等優(yōu)勢(shì)。利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)設(shè)備，可以沿輸電線路進(jìn)行仿地飛行，獲取輸電線路及其走廊環(huán)境內(nèi)的地表高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)配套的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行POS 解算、數(shù)據(jù)融合等預(yù)處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

利用已有的桿塔坐標(biāo)文件或者人工通過(guò)點(diǎn)云識(shí)別確定鐵塔位置，然后根據(jù)桿塔位置和電壓等級(jí)對(duì)環(huán)境的影響按照一定通道寬度對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切，每一檔數(shù)據(jù)裁切為一個(gè)文件，以減少后期運(yùn)算的建模難度和計(jì)算量。

在點(diǎn)云分類中，采用常規(guī)的濾波算法可以分類出地面點(diǎn)、植被點(diǎn)、房屋等，但是對(duì)于電力線的分類效果并不好。機(jī)器學(xué)習(xí)算法近年來(lái)廣泛應(yīng)用于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云處理中，相比于傳統(tǒng)的濾波點(diǎn)云分類方法，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以自動(dòng)學(xué)習(xí)分類規(guī)則，對(duì)某些復(fù)雜點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以取得更為優(yōu)越的分類效果。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法對(duì)分檔點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的電力線、桿塔、地面點(diǎn)、建筑物、植被等進(jìn)行分類。目前自動(dòng)分類并不能達(dá)到100%的準(zhǔn)確率，尤其是耐張塔分類時(shí)，易出現(xiàn)錯(cuò)分類的情況，需要人工手動(dòng)將分類不準(zhǔn)確的類別進(jìn)行修改。

利用分類好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)地線、導(dǎo)線、桿塔等進(jìn)行矢量化建模，進(jìn)而計(jì)算出弧垂、掛點(diǎn)對(duì)塔身的距離等，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔情況的定量分析。

利用分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及建模的輸電線路設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)工況分析，包括危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)、交叉跨越分析、林木分析等。通過(guò)計(jì)算每一檔數(shù)據(jù)中的導(dǎo)線、引流線與其他地物的凈空距離，并與提前設(shè)置好的凈空安全距離進(jìn)行對(duì)比分析，如果計(jì)算出的凈空距離不滿足安全距離要求，則判定為危險(xiǎn)點(diǎn)［35］。人工需要對(duì)每一處判定為危險(xiǎn)點(diǎn)的地方進(jìn)行再次檢查，確認(rèn)是否存在誤分類的情況，核實(shí)是否為真正的危險(xiǎn)點(diǎn)。

進(jìn)行交叉跨越分析前，需要對(duì)照影像，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的“三跨”線路（公路、鐵路和重要輸電通道的電力線路）進(jìn)行識(shí)別與分類，目前尚無(wú)法做到全自動(dòng)識(shí)別。需要人工參照正射影像，將對(duì)應(yīng)的“三跨”進(jìn)行手動(dòng)分類。

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較大林木的單體分割，可以確定樹高、樹密度等。用于分析通道內(nèi)的林木生長(zhǎng)情況。

2 案例分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

項(xiàng)目試點(diǎn)為某竣工的±800 kV特高壓項(xiàng)目，位于湖北省恩施土家族苗族自治州巴東縣境內(nèi)。采用六旋翼無(wú)人機(jī)搭載RIGEL VUX-1LR 激光雷達(dá)設(shè)備及數(shù)碼相機(jī)，其最大測(cè)距達(dá)1 350 m，最大激光發(fā)射頻率50萬(wàn)點(diǎn)/s。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)飛行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)要模擬出桿塔及導(dǎo)線、地線等輸電線路設(shè)施，點(diǎn)云密度應(yīng)超過(guò)1∶500地形圖16點(diǎn)/m2的最低要求，點(diǎn)云密度越高，測(cè)量到的輸電線路點(diǎn)云越多，但數(shù)據(jù)量也相應(yīng)增加，后期數(shù)據(jù)處理工作量也相應(yīng)變大，因此保持點(diǎn)云密度在50～100 點(diǎn)/m2是比較合適的。影響點(diǎn)云密度的因素主要有飛行高度、飛行速度、激光雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射頻率、航線重疊度等。在飛行高度選擇上主要考慮激光的有效測(cè)距。飛行速度一般選擇10 m/s，速度較為適中，也能保證較高的數(shù)據(jù)采集效率。采用多旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)一般是采用雙航線設(shè)計(jì)，因此可以偏離輸電線路中線進(jìn)行航線布設(shè)，既可以提高飛行安全性，也盡可能減少了塔身的遮擋，能夠獲得較為完整的塔身及金具的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描開角一般設(shè)置為左右各45°，單航線掃描寬度約為相對(duì)航高的2 倍，點(diǎn)云通道寬度一般都會(huì)超過(guò)200 m，完全滿足通道安全分析的要求。在輸電桿塔落差較大的地區(qū)，一般采用仿地飛行模式，可以保證點(diǎn)云采集密度較為一致。

本次飛行采用仿地飛行模式，相對(duì)航高250 m，飛行速度10 m/s，偏離輸電線路中線30 m飛行，每架次先沿輸電線路左側(cè)飛行，返航時(shí)沿輸電線路右側(cè)飛行，一共完成了20 km 線路，合計(jì)51 基塔的激光點(diǎn)云及數(shù)碼影像的采集工作。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)及影像經(jīng)過(guò)處理后，點(diǎn)云密度達(dá)到95點(diǎn)/m2，檢測(cè)點(diǎn)的高程中誤差為0.05 m，影像地面分辨率為4.5 cm。

2.2 點(diǎn)云分類

根據(jù)桿塔位置按60 m 帶寬對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切檔處理，每一檔數(shù)據(jù)為一個(gè)文件。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)分類，分類出地面點(diǎn)、低矮植被點(diǎn)、中等植被點(diǎn)、高植被點(diǎn)、低點(diǎn)、地線、導(dǎo)線、鐵塔、絕緣子、引流線、交叉跨越線等。當(dāng)前自動(dòng)分類對(duì)于直線塔的分類效果比較好，但是對(duì)于耐張塔的分類效果并不理想，誤分類的情況較多。需要人工對(duì)所有的分類數(shù)據(jù)進(jìn)行一次全面的檢查和修改。圖2紅色方框區(qū)域內(nèi)就出現(xiàn)了將絕緣子和導(dǎo)線錯(cuò)分類成了高植被，需要人工將錯(cuò)分的高植被類修改為絕緣子類和導(dǎo)線類，否則在進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的提醒。

圖2 耐張塔點(diǎn)云分類圖Fig.2 Point cloud classification diagram of tensioning tower

2.3 危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)

利用分類好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)線、引流線等對(duì)其他地物的距離來(lái)判斷是否滿足規(guī)范對(duì)安全距離的要求。經(jīng)計(jì)算，共發(fā)現(xiàn)有14 處植被的對(duì)地距離不滿足13.5 m的安全距離要求，如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)工況凈空危險(xiǎn)點(diǎn)凈空危險(xiǎn)點(diǎn)匯總Fig.3 Summary of clearance danger points in real-time working condition

查看N3808-N3809 區(qū)域提示的凈空危險(xiǎn)點(diǎn)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可以看出，不滿足安全距離要求的植被點(diǎn)位于N3808 號(hào)塔附近，其相對(duì)于左側(cè)的引流線凈空距離只有12.84 m，不滿足13.5 m 的安全距離要求，如圖4～圖6 中紅色三角是標(biāo)注的危險(xiǎn)點(diǎn)位置。通過(guò)林木分析，可以對(duì)較大的樹木實(shí)現(xiàn)單體化分割，統(tǒng)計(jì)出樹高及樹木密度。通過(guò)圖7～圖10 可以看出，在N3808_N3809 區(qū)間林木總計(jì)有810 棵，在鐵塔附近的林木已基本砍伐掉了，林木分布稀疏，臨近的林木高度均低于17.71 m。

圖4 N3808_N3809區(qū)間缺陷俯視圖Fig.4 Top view of N3808_N3809 interval defect

圖5 N3808_N3809區(qū)間缺陷正視圖Fig.5 Front view of N3808_N3809 interval defect

圖6 N3808_N3809區(qū)間缺陷點(diǎn)云Fig.6 Point cloud of N3808_N3809 interval defect

圖7 桿塔區(qū)間7-8(N3808_N3809)樹高圖Fig.7 Tree height map of 7-8 (N3808_N3809) tower interval

圖8 桿塔區(qū)間7-8(N3808_N3809)樹密度圖Fig.8 Tree density map of 7-8 (N3808_N3809) tower interval

圖9 交叉跨越分析對(duì)比Fig.9 Cross-over analysis and comparison

圖10 N3837G_N3839G缺陷俯視圖Fig.10 Top View ofN3837G_N3839G defects

通過(guò)交叉跨越分析，可以看出該段線路內(nèi)仍然存在未拆除的建筑物。

通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類，可以建模出導(dǎo)線、地線、引流線、桿塔等輸電線路設(shè)施，通過(guò)計(jì)算分析可以自動(dòng)識(shí)別出危險(xiǎn)點(diǎn)，用戶也能夠更直觀地看到輸電線路周邊的真實(shí)三維環(huán)境情況，并量測(cè)查看相關(guān)的信息，使竣工驗(yàn)收的資料更直觀、準(zhǔn)確，從傳統(tǒng)的依靠人工經(jīng)驗(yàn)判斷提升到定量分析。

對(duì)自動(dòng)識(shí)別出的危險(xiǎn)點(diǎn)需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工復(fù)核，現(xiàn)場(chǎng)利用免棱鏡全站儀對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)的凈空距離進(jìn)行了測(cè)量，與激光點(diǎn)云計(jì)算的凈空距離誤差均小于0.2 m，確認(rèn)通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別危險(xiǎn)點(diǎn)的結(jié)果是可信的。

3 存在的問(wèn)題

目前通過(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)竣工輸電線路通道的檢測(cè)，排查危險(xiǎn)點(diǎn)，達(dá)到檢查驗(yàn)收的目的。但是在試驗(yàn)的過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)題：

1）點(diǎn)云自動(dòng)分類精度不高。在對(duì)輸電線路設(shè)施進(jìn)行精細(xì)分類時(shí)，容易出現(xiàn)錯(cuò)分類的情況，尤其是耐張塔，極易出現(xiàn)將輸電線路設(shè)施誤分類為高植被點(diǎn)的情況；手動(dòng)分類的工作量較大，且容易出現(xiàn)手動(dòng)分類也不完全的情況。致使在后面的建模分析時(shí)，出現(xiàn)錯(cuò)誤警報(bào)，需要重復(fù)進(jìn)行修改分類后再進(jìn)行分析處理。

2）“三跨”信息無(wú)法自動(dòng)分類，需要人為結(jié)合正射影像將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類，人工的工作量大。

3）林木雖然能夠?qū)崿F(xiàn)單體化分割，但是無(wú)法確定其樹種。在進(jìn)行樹木生長(zhǎng)預(yù)警分析時(shí)，只能將樹木生長(zhǎng)高度按照統(tǒng)一的年生長(zhǎng)高度進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法確定其自然生長(zhǎng)高度，對(duì)林木生長(zhǎng)預(yù)計(jì)分析不夠準(zhǔn)確。

4）采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為單次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)于極端工況需要進(jìn)行模擬分析。目前尚無(wú)法準(zhǔn)確模擬各種極端工況，需要進(jìn)一步完善。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可以看出利用無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)測(cè)量技術(shù)來(lái)進(jìn)行通道竣工驗(yàn)收是可行的。相比較傳統(tǒng)的驗(yàn)收手段，無(wú)人機(jī)機(jī)載雷達(dá)測(cè)量技術(shù)能夠獲取到輸電線路通道的真實(shí)三維環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)建模分析，可以自動(dòng)計(jì)算出危險(xiǎn)點(diǎn)，并對(duì)通道內(nèi)的“三跨”、林木、建筑物等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為竣工驗(yàn)收提供詳實(shí)、可靠的三維數(shù)據(jù)，達(dá)到定量分析，使得通道竣工驗(yàn)收有據(jù)可查。

該套操作方法流程不僅僅適用于輸電線路的竣工通道檢查，也適用于后期的電力線路巡檢。