无人机机载激光雷达在输电线路巡线中的应用

无人机机载激光雷达在输电线路巡线中的应用

陶桥恒

广西电网有限责任公司河池供电局 广西河池 547000

摘要：电力线路的安全巡检工作对于电网的安全稳定运行有着极为重要的作用，随着无人机技术的成熟化，电网安全工作人员开始把越来越多的无人机应用于电力线路巡检工作。将无人机技术运用到电力线路巡检工作中，以其便利性与灵活性，能为电网系统节省大批的人力资源，促进电力系统安全运行的可持续发展。本文在探讨无人机技术应用于电力线路巡检工作意义基础上，探讨了无人机机载激光雷达系统、巡线原理及技术流程，重点介绍了点云数据的处理，包括点云的分类、危险点分析、工况模拟分析。

关键词：电力巡线；激光雷达；无人机；应用

引言

随着我国电网建设水平不断提高，长距离、高海拔、大跨越等高建设难度的输电线路也越来越多，这些输电线路在提高广大人民群众用电质量的同时也大幅度增加了运维巡检人员的工作难度。巡检作业是保障输电线路稳定运行的重要基础，而无人机巡检作为信息时代新兴起的巡检技术，其不仅可以显著提高巡检效率和巡检质量，且不受环境因素的影响可多方位、多角度完成巡检作业，因而在实际应用中也得到了巡检人员的广泛认可。

1基本概述

1.1无人机巡检技术

无人机是一种可自主飞行或远程引导、不搭载人员的动力飞行器。无人机因可以搭载相机、定位系统、信息传输系统等硬件而广泛应用于紧急救灾、农业、测绘等领域。无人机巡检技术主要是指工作人员通过对无人机进行远程操作，利用无人机中的传感设备来高效、高质地完成对电力工程中架空输电线路的自动巡检工作。与传统的人工巡检方式相比，该技术可以将巡检效率提升八至十倍，且具有成本低廉、安全高效、操作简单、机动灵活、视野良好、无须线路改造等应用优势。虽然目前我国线路巡检工作中人工巡检和无人机巡检各占一半，但显而易见，随着无人机巡检技术的不断优化，想必其所占比例也会随之增加，成为未来电网巡检的重要支柱。

1.2机载激光雷达

机载激光雷达包含了激光扫描仪、GPS、IMU、数码相机等光谱成像设备。激光扫描仪可以主动获取输电线路通道的点云数据，结合GPS定位经坐标的转换获得通道内地物的三维坐标信息。点云数据是离散不规则的点，其格式主要有两种，ASCII码纯文本和LAS格式。由于地物复杂多样，因此需要对点云数据进行分类处理以区别不同的地物。

机载激光雷达技术获得的地物精度准确，操作快捷迅速，在测绘行业具有重要的作用，随着软硬件技术的迅速发展，其已逐步用于地物的自动化分类。

2电力线路巡检工作中无人机技术应用意义

我国幅员辽阔、地大物博，电力线路多架设在环境恶劣地区，且电力线路多是暴露在外，长期经受风吹日晒与自然灾害影响，容易产生一系列故障，这要求电力企业定期对电力线路进行巡检工作，以及时发现问题并解决问题。但以前多采用人工巡检的方法，对电力线路进行巡检工作，但是受环境因素影响，巡检效率一直不高，且容易忽略掉很多细微的问题，导致出现用电安全问题。无人机技术兴起之后，电力系统安全方面人员开始将无人机技术应用于电力线路巡检工作，通过无人机搭载巡检设备完成巡检工作，相对于传统的人力巡检方式有着多方面的积极意义，主要表现在三个方面：

其一，将无人机技术应用在电力线路巡检工作中，能够有效避免恶劣环境对巡检人员的伤害，极具安全性；其二，在任何时候都能进行巡检工作，排查电力系统中的问题，极具便利性；其三，无人机巡检速度最快可达一小时数十公里，相比于传统形式的人工建立巡检工作，极具高效性。虽然无人机技术应用还处于起步和发展阶段，有着诸多的不足，但是随着科技的发展，这些问题都将得到解决，且如今的无人机电力线路安全巡检系统有效结合了电子通讯技术、雷达定位技术、信息化分析技术等，让无人机在电力线路安全巡检中的应用焕发出更强的生命力。

3无人机机载激光雷达在输电线路巡检中的应用

3.1激光点云数据采集

（1）点云数据采集的前期准备工作包括实地踏勘、航线设计等。

①实地踏勘的目的是详细了解测区的情况，如测区边界、地形地貌、交通情况等。

②航线设计遵循高效、经济的原则，在实地踏勘的基础上，根据已有地形图并按照需求方的要求、行业规范及实地具体天气情况，制定详细的航飞路线、航飞计划及人员安排计划。随着点云数据采集的进行，航飞设计要不断变化更新，以保质保量地完成数据采集工作。

（2）点云数据的采集包括控制测量、数据采集、补测等。

①控制测量的目的是通过选点埋石、网型的设计及测量、数据的解析等建立点云数据的坐标基准。

②数据采集包括设备安装、设备检查、试飞爬升、自主巡航、返回降落。其中设备检查是为了确保外业数据采集的顺利完成，主要包括无人机设备外形、零部件及性能的检查以及激光雷达设备的供能设备检查。

③补测是在对外业采集的数据进行检查的基础上，对漏飞、点云密度不符合要求的区域进行补飞测量。

3.2点云数据处理

点云数据处理包括数据的预处理、数据的处理及分析。

（1）数据的预处理包含数据的质量检查、数据转换、轨迹解算、点云数据解算等。

①数据质量的检查主要有检查机载雷达POS数据是否完整、点云数据是否有漏洞、前后两天时间及不同架次数据是否无缝拼接等。

②数据转换是将地面基站和机载POS系统获取的原始数据转换成通用的数据格式。

③轨迹解算经后差分处理获得飞行平台的三维坐标。

④点云数据的解算是根据轨迹解算的结果与原始点云数据获得输电线路通道内点云数据的三维坐标。

（2）数据的处理包含数据的去噪、点云数据的分类、危险点分析、工况模拟分析等。

3.2.1点云去噪

在无人机飞行过程中，输电线路通道内的地物、输电线、杆塔等的外形、材质以及空中漂浮物会造成点云数据存在部分噪声点。此外，无人机飞行过程中的减速、转弯、地面起伏等因素，也会造成点云数据存在部分噪声点。噪声点的存在会在一定程度上干扰点云数据的分类及危险点的分析。

3.2.2点云分类

激光雷达采集数据时，一次性采集通道内的所有目标，为了更好地区分多样地物，并根据不同地物点云测算地物至输电线路的距离与交叉跨越距离，需要进行点云分类。通常情况下，输电线路的通道点云可以分为电力线、杆塔、高植被、低植被、建筑、道路。为了区分不同目标，用不同的颜色对分类后的点云加以区分，分类方法通常采用滤波分类法。

3.2.3危险点分析

根据点云分类的结果分别计算导线间的交叉跨越距离、导线与地物之间的距离，并根据电网行业要求的安全距离规范，判定测算距离是否安全并划分危险点等级。为便于存档和巡检人员现场排除安全隐患，需生成危险点分析报告。

3.2.4工况模拟分析

输电线路长期处于动态的野外环境中，环境的变化会给线路的安全运行带来巨大的威胁，如由自然环境引起的线路舞动、覆冰、风偏都会对输电线路造成损害，且在恶劣的环境下，巡检人员工作受到限制，因此需要进行工况模拟。根据悬链线方程及气温、风速等因子模拟分析线路的变化，动态评估输电线路的状态。

4结束语

无人机巡检已然成为输电线路项目中巡检作业未来的发展趋势。激光雷达探测技术与无人机技术进行有效的结合，可以让地面工作人员根据激光雷达的扫描线路，获取激光点的云数据信息，然后通过高清摄像机的航拍对故障位置进行三维建模，进而确定其位置，提升故障处理效率，有效加强电力线路巡检质量。

参考文献

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[3] 侯国瑞.激光LiDAR点云在电力巡线中的应用[J].经纬天地，2019(04)

[4] 陈剑刚.无人机在架空输电线路巡检中的应用研究[J].湖南电力，2019(05)