基于机载激光雷达智能测距输电线路树障的方法研究

毛 强

（中国南方电网公司超高压输电公司检修试验中心，广东 广州 510663）

0 引言

近年来，我国林业产业发展迅速，线路通道内的树木已成为线路运行的重大隐患，由对线行通道内超过安全距离的树木放电引起的线路闪烙、电网停电、林区火灾等事故屡见不鲜，给线路的安全运行带来了巨大的灾难。南方电网西电东送线路通道内树木植被茂密，传统地面人工使用经纬仪或手持激光测距仪测量管理树木安全距离需要花费大量人力、物力，工作效率低且存在精度不准的情况。

探讨利用南方电网超高压输电公司自有AS350B3型直升机为飞行作业平台，挂载激光雷达，集成高分辨率相机、POS系统(惯性导航系统)等传感器，研究开发一套成熟、实用、完整的直升机输电线路测距扫描数据分析处理系统，并开展直升机输电线路智能测距实用化应用研究，实现智能、及时、大量排查输电线路树障安全隐患的目标[1]。

1 基本原理

机载激光雷达（LiDAR）通过发射激光脉冲，对线路通道进行扫描，获取激光反射多回波数据和目标表面影像，经过特效算法处理，结合GPS位置坐标和POS系统激光方向信息，生成高精度、高密度的三维激光点云数据和高分辨率影像数据。充分利用激光束分层反射特性，对激光点云进一步分类和滤波，批量分类出所测的线路导线、杆塔、树木、走廊地形以及其他交跨物的空间信息，通过对激光点云数据格式转换，在三维建模软件支持下，参考高分辨率影像数据，生成高精度数字高程模型（DEM）和数字三维模型[2]，编制专业输电线路树障安全隐患排查程序对空间测量数据进行快速批量分析处理，实现通道内输电线路树障安全隐患点的自动、准确、高效检测和定位。

图1 机载激光雷达智能测距数据采集示意图Fig.1 Intelligentdetection based on helicopter liDAR data collection diagram

2 智能测距硬件组成

直升机机载三维激光扫描设备是实现智能测距方法的硬件支撑，主要由数字激光扫描仪、高分辨率相机、POS系统和机载计算机集成，其中激光扫描仪发射激光脉冲并接收物体表面反射激光点云；高分辨率相机采集线路走廊正射影像；机载POS系统是由GPS接收机和惯性测量装置（IMU）组合而成的高精度定位定向系统，为激光扫描仪和相机提供所需要的外方位元素；机载计算机控制数据采集并保证数据同步，同时存储基础测量数据。机载计算机一般安装在机舱内，外接操作和导航终端[3，4]。数字激光扫描仪、高分辨率相机、POS系统等多传感器标定集成整体后通过云台和直升机连接，使用高性能的云台能减少直升机震动对影像、激光点云获取准确性的影响，能补偿直升机飞行倾角变化，改善后续成果的质量。机载激光雷达智能测距设备整体组成及结构如图2、3所示：

图2 直升机机载激光雷达智能测距设备组成图Fig.2 Intelligentdetection based on helicopter liDAR equipment composition diagram

图3 直升机机载三维激光扫描设备多传感器框架及云台结构图Fig.3 The frame and PTZ structure of helicopter airborne 3D Laser scanning equipment multi-sensor

3 智能测距方法

直升机机载激光雷达智能测距输电线路树障主要分为数据采集、数据后处理、结果分析应用3个阶段。

3.1 数据采集阶段

使用直升机机载激光雷达对输电线路走廊进行飞行扫描，首先根据数据采集要求制定直升机扫描作业方案和实施方案，明确激光扫描设备安装调试和扫描飞行技术措施，充分考虑输电线路的走向、走廊宽度、导线排列方式等因素，设计飞行航带，布设测绘基准点，确定原始激光数据、影像数据、导航数据的格式和精度指标[4，5]。直升机机载激光雷达通过起飞前准备、校验飞行、扫描作业、原始数据质量检查等一系列标准化作业流程完成数据采集。

图4 直升机机载三维激光扫描设备多传感器实际安装作业图Fig.4 The actual installation work of helicopter airborne 3D Laser scanning equipment multi-sensor

3.2 数据后处理阶段

对采集的原始数据先进行预处理，激光点云方面，按照三维激光扫描数据分类标准规范，在对激光点云进行大地定向、检校和坐标转换后，利用专业激光分类软件对地面和非地面的激光点云进行自定义分类，有效识别和提取出高密度、高精度的线路导线、杆塔、树木、交叉跨越、建筑、地表的激光点云，采用分类后地面激光点云生成精细数字高程模型（DEM），线路导线、树木、交叉跨越、建筑等非地面激光点云则通过参照影像数据进行三维可视化高程渲染[6-8]；影像数据方面，利用机载POS系统所获取的影像外方位元素和分类后的激光点云，对航摄的输电线路走廊影像进行纠正影像的镶嵌拼接，生成数字正射影像（DOM）。基于上述预处理成果，将数字高程模型、数字正射影像、非地面激光点云进行配准叠置，匹配实际坐标，结合矢量化地图发布矢量数据，进行三维空间数据对象分类提取、标识、空间属性匹配、建立逻辑关系和模块化，形成导线、杆塔、树木、建筑和地面的分类对象空间专题图层信息，实现输电线路走廊三维数字模型构建[9]，可以真实反映采集瞬间的输电线路走廊的三维空间情况，包括走廊地形、地物和导线弧垂、挂点、杆塔等线路设施设备的实际运行空间信息。

图5 输电线路走廊三维数字模型效果图Fig.5 The 3D digital model effect of transmission line corridor

3.3 结果分析应用阶段

在上一阶段构建实时输电线路走廊三维数字模型的基础上，在三维数字可视化平台内配置《架空输电线路运行规程》（线路通过林区）和《南方电网公司输电线路树障防控工作指导意见》（树障隐患分级原则）等安全距离检测规范，基于检测规范安全距离要求建立输电线路安全绝缘距离评估模型，自动进行空间位置关系分析和安全距离三维量测计算，如图6所示，一旦树木到导线的相对距离不符合相关要求，则自动定位报警隐患点，提供隐患点空间信息、位置和平断面图，自动汇总输出设定分析线路区段的隐患点统计报表，包括全部隐患点描述以及安全裕度参考，达到输电线路树障智能测距的目标，为地面人工清除树碍和砍伐树木提供全方位指导。

图6 输电线路树障隐患点智能检测Fig.6 Intelligent detection of hidden tree barrier points along transmission line

2015年以来，南方电网公司范围内开展了多次直升机机载激光雷达智能测距输电线路树障试点作业，实操作业取得了预期效果，南方电网公司“十三五”输电线路“机巡+人巡”推进方案也明确下一步将优化作业方案，提高数据处理效率和质量，不断推进直升机三维激光雷达扫描作业规模化应用。

4 关键技术

通过研究与实践，基于直升机机载激光雷达智能测距输电线路树障方法存在以下关键技术：

（1）准确模拟输电线路导线、树木

实际扫描输电线路导线、树木采集的激光点云是离散的，无法全面准确展示各个空间对象，针对上述问题，导线部分通过悬挂点激光点云使用架空线悬链线方程计算弧垂和线长，结合激光点云校正还原导线曲线[10、11]；树木部分则融合激光点云空间结构信息和影像纹理信息来解决树木激光点云不均的问题；通过上述技术实现稳定可靠的线路导线及周围交跨树木的三维测量，从而准确评估线路导线到周围交跨树木的相对距离。

（2）海量数据高效处理

传统直升机机载激光雷达测绘扫描作业，每天飞行作业6 h的影像、点云数据及POS数据会达到TB级，数据量十分庞大。进行直升机机载激光雷达智能测距树障，由于主要关注线路走廊内树木和建筑物的影响，因此对采集的非地面激光点云进行精简，分类滤波出导线、树木和建筑物的激光点云，从源头将每天数据容量降为GB级，大幅减少数据处理的工作量。研究组建专用光纤网络，提高I/O连通性，构建采集数据的批量快速存取通道，缩减采集数据的存储时间。搭建基于hadoop大数据技术的分布式云计算架构，提高激光点云分类、渲染、建模和应用方面的分析处理能力，最终实现海量数据的高效处理。

（3）模拟不同状态下安全距离分析

模拟最高气温、最大覆冰无风、最大设计风速无覆冰等多种气象设计条件，基于线路实际的激光点云数据和环境参数进行线路各种状态下导线安全距离检测，可以进一步提升线路防灾抗灾水平。

5 结论

机载激光雷达可以较好地解决空间分析和三维量测的问题，配合直升机扫描飞行其数据采集快速、便捷、高效的优势十分明显，通过系统分析能准确高效地测量线路通道地物（特别是树木）到线路导线的距离，开展基于直升机机载激光雷达智能测距在线路树木隐患排查等方面具有人工测量无可比拟的优势，进一步拓宽了架空输电线路直升机巡视作业业务领域。

国内目前已成长起一批机载激光雷达硬件和扫描数据分析服务供应商，为发展直升机机载激光雷达智能测距提供了有利条件，随着三维激光雷达扫描数据深化应用进一步发展，直升机机载激光雷达智能测距输电线路树障也将逐步进入常规化应用阶段。

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