无人机机载三维激光雷达在电力巡线中的应用

无人机机载三维激光雷达在电力巡线中的应用

熊立时宏郢李朝晖皮俊

国网荆州供电公司检修分公司

摘要：无人机巡检技术目前主要是利用可见光及红外检测技术对线路本体、附属设施、线路通道进行缺陷查找，所获得的巡检数据都是离散的平面影像，而对于很多影响线路安全运行的三维数据无法测量。通过无人机搭载三维激光雷达，可以实现线路的三维数字化建模，直观的查看线路的三维数据，有效的提升线路运维水平。

关键词：电力巡线；无人机；激光雷达

0引言

随着无人机巡线的大力推广，无人机所搭载的可见光设备和红外设备并不能进行空间测量的毛病日益显露出来，而线路运维中对房障，树障，交叉跨越等距离的测量尤为重要，三维激光雷达的应用恰好可以弥补其不足。它通过对物体表面的扫描获取物体空间点的三维数据和信息，而空间点距离的测量精度高，速度快，可以快速的进行相关数据的测量。

1、三维激光扫描技术的介绍

三维激光扫描技术是近几年迅速发展并成熟的一项高新技术，是继GPS之后测绘技术的又一新的突破。三维激光测量技术的出现克服了传统测量的局限性，通过对物体的无接触扫描，能够轻松获取被侧对象的空间信息并迅速转换成计算机可以处理的数据。

它利用三维激光扫描仪向物体发射大量激光点，运用激光测距原理计算被测点与扫描仪的精确位置来获取物体表面特征的一种新型测量方法。扫描的结果由密集的点组成，每个点都带有三维坐标、反射强度等数字信息，称之为点云。

三维激光雷达系统又称Lidar系统。它是一种集激光扫描仪，全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术于一身的系统，用于获取数据并生成精确的数字高程模型（DEM）。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个底面光斑的坐标X、Y、Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在1分钟内记录六十万个点。扫描式激光扫描仪的测距精度可达1.5~2.5个厘米，而LIDAR系统的精确度除了受激光测距精度，GPS测量精度、惯导测量精度的影响，还受到激光扫描系统、GPS系统及惯性测量单位（IMU）三者同步精度的影响。

2、无人机搭载激光雷达在巡线中的作用及特点

输电线路激光三维扫描，能生成线路数字立体图像，可以测量空间任意两点、剖面和立体任意范围的距离、面积和体积。能进行线路设计精确勘测和相间间隔棒等长度准确测量；监测运行线路的各种安全、绝缘距离，并可将导线弧垂转换为高温、低温、重覆冰、大风等边界条件下的模态，以预期边界条件下的变化，为输电线路的安全运行和决策提供依据。它在应用中具有以下特点：

1、激光雷达测量是一种直接测量方式，不需要对被测量与其他实测的量进行函数关系的辅助运算，因此测量过程迅速。一次飞行作业完成后，能够立即读取点云数据，对关键部位进行测量。

2、由于LiDAR直接获取地面点的三维坐标，一般情况下，数据处理后，LiDAR的高程精度优于10cm，平面精度优于30cm。并随着技术的发展点云数量越来越密集，精度越来越高。基本满足输电线路一般测量要求。

3、LiDAR能够识别笔激光斑点小的物体，能够对输电线路导线进行测量。

4、LiDAR能全天候的采集数据，实际应用中背景反射越弱，测距效果越好。

5、可对带可见光无人机巡检进行有效的补充，发挥其灵活的特点，特别是在多线路交叉跨越的复杂通道或是中低压线路的巡检有较大的优势。

6、能同时测量地面和非地面层。对多层次物体进行测量。

3、无人机载三维激光雷达的应用实例

3.1建立线路通道走廊模型

叠加纹理模型是将机载激光雷达设备采集的输电线路通道内高清晰数码影像和高精度三维高程数据，经数据处理后生成的DOM和DEM并以DEM为“骨架材料”，以DOM为“贴图纹理”而生成的电子三维沙盘模型。它可以很直观的将输电线路跨越的各种复杂地形、地貌展现出来。

3.2数字化的电力作业

1、危险点现状分析：根据已取得的定位定量的线路三维立体数据，生成按线路运行管理规定进行分类的专家诊断报告。其内容包括铁塔状况、金具状况、走廊状况(交叉跨越、房屋、树障、设施增减等)、导线状况和安全距离状况。作出线路各种安全距离列表。

2、危险点预期分析：在建立导线及杆、塔模型的基础上，外加覆冰、风偏及高温等边界条件，进行预期分析，提出成果报告，并显示相应的正视、俯视和剖视图及可量测界面。当预期迎峰度夏树枝对导线的安全距离时，不仅考虑了温度升高引起的弧垂模态变化，还要输入预期时段的树木增长量和树态尺寸，从而得出结论安全距离和砍伐的安全性。

3、部分状态量分析

激光扫描和高速影像合成能展现出立体高清晰度塔形、塔基、塔上设施和走廊图形，从而定量判读塔位、塔体、塔基、金具、三相导线、子导线、间隔棒、地线和走廊的异常变化，必要时可调出相关段位界面，进行分析、量测。

4、力学荷载分析

对严重覆冰、大风和重负荷集中加载，可以通过软件进行运算，判断导、地线在相应状况下线夹处的运行张力、张力差和正压力，杆塔承受的垂直档距重力荷载和风载压力，从而进行铁塔和导线力学负荷的安全分析。

5、为电力线路选线提供高精度的线路塔位三维模拟，通过三维模型对现场的实际情况进行更好的展现。

4、结束语

随着无人机技术在电网中不断的推广，通过搭载不同的任务设备，无人机与生产结合得越来越紧密。三维激光雷达也因为通过无人机和自身的轻量化，能够轻松的采集到悬空的输电线路杆塔的点云数据，并结合相关软件，能够自动的分析得到了以往复杂的人工测量才能的到的各种数据，做到了无人机飞完了，工作也做完了，从而极大的提高了生产的效率。