導(dǎo)語(yǔ)：激光雷達(dá)在輸電線路巡檢的應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了激光雷達(dá)在輸電線路巡檢中的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了點(diǎn)云精細(xì)分類和三維重建的方法并探討了未來(lái)研究方向，歸納了激光雷達(dá)在線路巡檢中的具體應(yīng)用，可為相關(guān)行業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；輸電線路；點(diǎn)云分類；三維重建；關(guān)鍵應(yīng)用

我國(guó)不斷發(fā)展電力事業(yè)，電網(wǎng)建設(shè)得到迅速發(fā)展，現(xiàn)已形成華北、東北、華中、華東、西北、南方六大區(qū)域電網(wǎng)，規(guī)模位居世界首位。我國(guó)在“十三五”規(guī)劃期間又對(duì)電力行業(yè)提出更高要求，指出要在2016－2020年間開始建設(shè)±1100kv高壓輸電線路，同時(shí)提升大電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行能力，加強(qiáng)電網(wǎng)災(zāi)害預(yù)防，使電網(wǎng)安全運(yùn)行技術(shù)達(dá)到世界前列。如今電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，線路長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，采用傳統(tǒng)人工巡檢不但耗時(shí)耗力，而且無(wú)法做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患、排除隱患。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為一種新型對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，能夠快速進(jìn)行探測(cè)，獲取目標(biāo)探測(cè)物的三維空間信息，并利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建真三維模型，還原輸電線路走廊地貌，彌補(bǔ)了人工巡檢的不足，無(wú)疑成為輸電線路巡檢技術(shù)未來(lái)探索和發(fā)展的方向。自20世紀(jì)50年代起，歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開始將激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于輸電線路搶修。我國(guó)則起步較晚，在2009－2013年間還處于技術(shù)探索階段，主要進(jìn)行小規(guī)模科研實(shí)驗(yàn)，2013年以后開始大規(guī)模應(yīng)用，該技術(shù)在國(guó)網(wǎng)、南網(wǎng)等大型電網(wǎng)公司的生產(chǎn)項(xiàng)目中取得了不錯(cuò)的成果，如國(guó)網(wǎng)通用航空有限公司在國(guó)內(nèi)率先應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行輸電線路巡線，結(jié)合帶電維修，形成了系統(tǒng)的運(yùn)維業(yè)務(wù)。2016年河南省電力公司首次將無(wú)人機(jī)與激光雷達(dá)三維成像技術(shù)結(jié)合用于500kv線路巡檢。同年，廣東電網(wǎng)采用無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)汕頭110kv崗河線、棉河線進(jìn)行掃描。2018年國(guó)網(wǎng)雅安電力（集團(tuán)）公司對(duì)220kv下石一、二線輸電線路開展了實(shí)驗(yàn)工作。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的產(chǎn)生大量減少了人力物力的投入，提高了生產(chǎn)效率，隨著成本逐步降低，必將在全國(guó)范圍內(nèi)擴(kuò)大應(yīng)用。本文將對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)和在電力巡檢中的具體應(yīng)用進(jìn)行論述，展望了激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展前景。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1激光雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的空間信息采集技術(shù)，通過(guò)發(fā)射高頻率激光脈沖，對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行掃描，獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅包含目標(biāo)物體的三維信息，還包含幾何結(jié)構(gòu)、弱紋理和語(yǔ)義信息。激光雷達(dá)系統(tǒng)在功能上整合了激光雷達(dá)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），通過(guò)搭載于不同的遙感平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高精度地形地貌數(shù)據(jù)的快速采集。其擁有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①數(shù)據(jù)精度高，目前激光雷達(dá)可獲得毫米甚至微米級(jí)別的探測(cè)。②數(shù)據(jù)量大。激光雷達(dá)每秒可以獲取數(shù)十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這為后期對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行還原和建模提供了大量可靠的數(shù)據(jù)資源。③不受天氣、太陽(yáng)高度角、地形等自然條件影響，支持全天候作業(yè)。④激光雷達(dá)不受電磁波的干擾，因此在低空、超低空的條件下仍可獲得清晰的影像。激光雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)搭載平臺(tái)的不同可分為星載、機(jī)載、車載和地面4類，其中機(jī)載激光雷達(dá)（如圖1）受天氣影響小，掃描角度靈活，應(yīng)用最為廣泛，目前已有70余種機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)投入市場(chǎng)，如瑞士Leica公司研發(fā)的ALS60、加拿大Optech公司的ALTM、奧地利IGI公司的RIGEL等。1.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)在豐富了地理空間信息的同時(shí)也產(chǎn)生了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理問(wèn)題。面對(duì)GB甚至TB級(jí)別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，單機(jī)內(nèi)存有限，基于全內(nèi)存的存儲(chǔ)方式不再適用，如何進(jìn)行高效存儲(chǔ)是一項(xiàng)重要的研究課題?；诜植际降拇鎯?chǔ)技術(shù)為海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了新的思路，其采用可擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)，利用多臺(tái)普通服務(wù)器組成分布式服務(wù)集群共同分擔(dān)存儲(chǔ)負(fù)荷，利用位置服務(wù)器定位存儲(chǔ)信息，提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率、降低了開發(fā)成本。分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，其中非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)更適合于非結(jié)構(gòu)化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。目前已經(jīng)成熟的技術(shù)有HBase、Cassandra和MongoDB等，研究人員基于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方案設(shè)計(jì)和研究。2010年崔鑫[1]提出了基于HBase的海量數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)的解決方案，并設(shè)計(jì)了并行處理引擎MapReduceGIS；2012年張廣弟[2]提出一種基于MongoDB和MapReduce的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與并行處理解決方案；2016年郭瑞[3]基于MongoDB搭建Sharding集群，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和并行處理進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該集群具有良好的故障轉(zhuǎn)移恢復(fù)和可擴(kuò)展性等特性。1.3激光點(diǎn)云精細(xì)分類。激光點(diǎn)云精細(xì)分類（如圖2）是將一系列離散的、不連續(xù)的點(diǎn)云按照一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行提取和識(shí)別。這一部分內(nèi)容是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的重中之重，約占整個(gè)數(shù)據(jù)后處理60%～70%的工作量，是構(gòu)建數(shù)字地面模型、復(fù)雜場(chǎng)景建設(shè)等后續(xù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，因此研究也最多。由于激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了所有地物點(diǎn)，所以對(duì)輸電線路走廊進(jìn)行分析前需要先從海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分離出地面點(diǎn)（即濾波），然后將非地面點(diǎn)按照一定的規(guī)則細(xì)分出輸電線路（桿塔、導(dǎo)線）、建筑、植被（高植被、低植被）、橋梁等，主要流程如圖3所示。其中地面點(diǎn)濾波主要分為基于坡度[4]、基于形態(tài)學(xué)、基于曲面擬合、基于不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）[5]、基于分割和基于機(jī)器學(xué)習(xí)6種方法。其中基于不規(guī)則三角網(wǎng)算法最為穩(wěn)健，能夠較好地處理具有階躍特征的地貌[6]，其原理是首先對(duì)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將各網(wǎng)格中的最低點(diǎn)作為地面種子點(diǎn)建立不規(guī)則三角網(wǎng)，通過(guò)測(cè)量非種子點(diǎn)到所在三角形的反復(fù)角和反復(fù)距離，將滿足閾值條件的點(diǎn)加入TIN中，最終分離出地面點(diǎn)[7]。對(duì)于除地面以外的其他地物，多利用其自身點(diǎn)云形態(tài)、點(diǎn)云密度、高度差和回波次數(shù)等特征進(jìn)行區(qū)分。例如導(dǎo)線位于電力走廊最上部，呈線狀分布且只具有一次回波；桿塔在空間上點(diǎn)云密度大，俯視時(shí)輪廓為矩形；樹木的點(diǎn)云形態(tài)多不規(guī)則、密度較大，具有多次回波；建筑物屋頂則多呈規(guī)則矩形，一般只具有一次回波。利用這些特性，通過(guò)一定算法可將不同地物從點(diǎn)云中分別提取出來(lái)。由于輸電線路地處環(huán)境復(fù)雜，探索不同地形情景下的點(diǎn)云濾波仍是今后的熱點(diǎn)，融合不同濾波算法的優(yōu)勢(shì)將有利于提高地面點(diǎn)云提取精度。此外目前地物分類技術(shù)多針對(duì)單一地物的提取，不同地物需要采取不同的分類算法，為了降低地物分類的復(fù)雜程度，擺脫過(guò)度依賴人工定義特征[8]，提高工作效率，研究人員正在朝著機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方向進(jìn)行輸電線路走廊地物自動(dòng)識(shí)別和提取。李曉天等[9]基于層次分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滁州市郊區(qū)地物進(jìn)行自動(dòng)分類，能夠較好的區(qū)分出大比例尺地形圖要素；熊艷等[10]利用隨機(jī)森林法分類，有效降低了數(shù)據(jù)特征維度。機(jī)器學(xué)習(xí)將在未來(lái)電力走廊地物分類中有很大的發(fā)展空間，但是在樣本特征選擇、樣本數(shù)量、分類器選擇、模型訓(xùn)練等多個(gè)方面還需進(jìn)行深入研究。此外由于激光雷達(dá)設(shè)備自身性能原因?qū)е虏杉降狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，常會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題，因此除了對(duì)方法進(jìn)行改進(jìn)外，對(duì)于硬件設(shè)備的研發(fā)也是突破地物精細(xì)分類的一個(gè)重要途徑。1.4三維重建技術(shù)利用激光雷達(dá)獲取的海量高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用三維重建技術(shù)可真實(shí)再現(xiàn)輸電線路及走廊內(nèi)地物、地貌特征以及輸電設(shè)備的空間信息，便于巡檢人員進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)，分析不同工況條件下線路安全情況，便于在電力走廊建設(shè)前期進(jìn)行優(yōu)化選線，提高線路設(shè)施集中數(shù)字化管理效率和水平，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。三維重建主要包括導(dǎo)線重建和桿塔、絕緣子等其他地物的重建（如圖4）。輸電導(dǎo)線重建是后期散股、斷股等缺陷識(shí)別和交跨距離量測(cè)的基礎(chǔ)，因此是輸電線路設(shè)施重建的主要對(duì)象。輸電導(dǎo)線模型歸結(jié)起來(lái)主要分為兩類，一類是“間接法”，另一類是“直接法”?！伴g接法”在建模時(shí)考慮了點(diǎn)云的水平誤差和高程誤差，并將電力線三維重建模型分為兩部分，例如直線和懸鏈線模型[11]、直線和一元二次多項(xiàng)式（拋物線）模型[12]、直線和二元多次多項(xiàng)式模型[13]；而“直接法”僅考慮點(diǎn)云的高程誤差、直接對(duì)電力線進(jìn)行建模，如多項(xiàng)式模型[13]。直線與懸鏈線相結(jié)合的模型是最為經(jīng)典的算法，主要涉及導(dǎo)線在水平面的投影和在鉛錘面的投影。其中水平投影采用法線式方程構(gòu)建，如式（1）：d=x×cosα+y×sinα（1）含義為過(guò)原點(diǎn)向直線做一條垂線段，該垂線段所在直線的傾斜角為α，其中d代表導(dǎo)線在水平面的長(zhǎng)度。導(dǎo)線在鉛錘面上近似作為懸鏈線，如式（2）：y=×αh−cos1αx（2）式中，k、C1、C2為懸鏈線系數(shù)。對(duì)于導(dǎo)線模型構(gòu)建的研究很多，梁靜等[14]采用人機(jī)交互法提取導(dǎo)線點(diǎn)云，利用多項(xiàng)式模型進(jìn)行擬合；林祥國(guó)等[15]基于隨機(jī)分層抽樣和懸鏈線模型進(jìn)行了單檔單根導(dǎo)線重建擬合；周汝琴等[16]利用二分法對(duì)分裂導(dǎo)線子導(dǎo)線進(jìn)行提取，并采用懸鏈線模型擬合；汪駿等[17]基于點(diǎn)云分段、聚類分析和懸鏈線擬合進(jìn)行分裂導(dǎo)線精細(xì)三維重建研究?；诩す恻c(diǎn)云的其他地物重建多依據(jù)點(diǎn)云空間分布特點(diǎn)，采用人工勾畫或通用模型替代。以桿塔重建為例，國(guó)外雖有軟件可以利用人機(jī)交互方式生成模型，但是比較粗糙，因此一般通過(guò)點(diǎn)云獲取桿塔高度、桿塔掛點(diǎn)、絕緣子長(zhǎng)度及類型等數(shù)據(jù)，生成簡(jiǎn)易桿塔模型，該模型可用于分析導(dǎo)線的安全距離及受力情況，如不同工況的安全距離分析、風(fēng)偏模擬分析、覆冰模擬分析、桿塔傾斜分析等。三維重建技術(shù)為實(shí)現(xiàn)輸電線路三維可視化提供了技術(shù)支撐，為輸電線路信息管理提供了便利，其中仍存在一些問(wèn)題：①在導(dǎo)線重建研究中，對(duì)于單一導(dǎo)線三維重建算法研究較多，而對(duì)于分裂導(dǎo)線的研究較少。由于分裂導(dǎo)線跨度大，相鄰導(dǎo)線間隔小，加之點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失、激光雷達(dá)系統(tǒng)噪聲等不可避免的因素影響使得擬合重建困難，通常只把分裂導(dǎo)線當(dāng)作單導(dǎo)線處理，造成了許多細(xì)節(jié)丟失，在高壓、超高壓、特高壓電路分析時(shí)往往得不到理想結(jié)果；②目前電力走廊中的其他地物的模型多為輔助導(dǎo)線安全距離分析等簡(jiǎn)單功能而建，其自身的缺陷無(wú)法識(shí)別分析，例如桿塔傾斜、絕緣子自爆別以及其他電力設(shè)施的故障。難以滿足輸電線路精細(xì)建模以及高精度分析等需求。

2機(jī)載激光雷達(dá)主要應(yīng)用

2.1模擬工況分析。輸電線路常暴露在復(fù)雜的自然環(huán)境下，受到惡劣的自然條件影響。采用激光雷達(dá)技術(shù)可以快速獲取輸電線路的三維空間信息和影像信息，實(shí)現(xiàn)缺陷的識(shí)別、定位，便于巡檢人員對(duì)缺陷嚴(yán)重程度進(jìn)行判斷，輔助制定缺陷修復(fù)進(jìn)程安排。導(dǎo)線與樹木距離過(guò)近是最常見的安全隱患。激光雷達(dá)技術(shù)利用采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)樹木進(jìn)行分類并構(gòu)建三維模型，然后在系統(tǒng)中輸入各類樹木的基本生長(zhǎng)參數(shù)，便可模擬出未來(lái)幾年樹木的生長(zhǎng)模型，通過(guò)設(shè)置安全距離值，將小于安全距離值的區(qū)域標(biāo)記為缺陷隱患點(diǎn)，可以幫助巡檢人員及時(shí)預(yù)防、發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)。此外在大風(fēng)覆冰等惡劣自然條件下，輸電線會(huì)發(fā)生舞動(dòng)，弧垂?fàn)顟B(tài)隨之改變，通過(guò)在軟件系統(tǒng)中輸入氣溫、風(fēng)速、覆冰厚度等自然條件參數(shù)以及導(dǎo)線自身參數(shù)，運(yùn)用架空線路電線力學(xué)計(jì)算可實(shí)現(xiàn)電力線狀態(tài)動(dòng)態(tài)模擬，結(jié)合掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠?qū)Σ煌瑲夂驐l件下的電力線進(jìn)行安全距離檢測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線走廊下的隱患點(diǎn)。2.2線路增容分析。傳統(tǒng)高壓輸電線隨著時(shí)間的推移，其輸電量和輸電距離都逐漸下降，而經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展對(duì)于電力的需求不斷增加，這使導(dǎo)線增容改造成為必然趨勢(shì)[18]。在不更換原有導(dǎo)線的情況下進(jìn)行增容，會(huì)使線路溫度增加，受載荷影響弧垂增大，導(dǎo)致輸電線路與走廊內(nèi)地物距離減小，同時(shí)隨著其電壓增加，安全距離也隨之增大，這要求對(duì)增容后的導(dǎo)線進(jìn)行安全評(píng)估，判斷其是否能進(jìn)行改造。利用激光點(diǎn)云可以模擬增容后導(dǎo)線模型，測(cè)量增大后的弧垂與地物的空間距離，對(duì)照更高電壓的安全距離標(biāo)準(zhǔn)檢查其距離是否符合要求。2.3線路防舞。在覆冰強(qiáng)風(fēng)區(qū)，輸電線路常發(fā)生舞動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致閃絡(luò)跳閘，給輸電部門帶來(lái)巨大損失。為防止導(dǎo)線舞動(dòng)，通常會(huì)在易發(fā)生舞動(dòng)的導(dǎo)線間架設(shè)相間間隔棒，這需要對(duì)導(dǎo)線間距進(jìn)行測(cè)量。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建高精度導(dǎo)線模型，可以在沒(méi)有拉閘斷電的情況下進(jìn)行導(dǎo)線間的距離測(cè)量，為制作相間間隔棒提供數(shù)據(jù)支持[17]，同時(shí)保證了社會(huì)各項(xiàng)生產(chǎn)生活的正常運(yùn)行。2.4平斷面圖分析。利用激光點(diǎn)云構(gòu)建的電力模型，可以實(shí)現(xiàn)任意角度斷面的提取，根據(jù)選定的角度，系統(tǒng)自動(dòng)抽取該斷面上的激光點(diǎn)云，借助多維可視化平臺(tái)將三維模型信息轉(zhuǎn)化為二維的輸電線路平斷面圖信息（如圖5），包括地面高程信息、交叉跨越物及其距離、方位等，可以直觀地顯示路徑和跨越物的距離方位關(guān)系。圖5　平斷面分析基于激光點(diǎn)云的平斷面分析避免了傳統(tǒng)航測(cè)作業(yè)中由內(nèi)業(yè)人員逐點(diǎn)進(jìn)行立體量測(cè)的繁瑣過(guò)程，作業(yè)效率提高75%左右，絕大部分機(jī)載LiDAR斷面點(diǎn)高程誤差在0.5m以內(nèi)，能夠滿足線路設(shè)計(jì)、排桿的需要，還能建立地質(zhì)預(yù)測(cè)模型，為防災(zāi)提供參考。2.5空間距離量測(cè)。通過(guò)構(gòu)建三維可視化模型，系統(tǒng)能夠在三維場(chǎng)景下進(jìn)行距離量測(cè)，具體包括對(duì)地距離量測(cè)、最短距離量測(cè)和空間距離量測(cè)，實(shí)現(xiàn)線路交跨距離和安全距離檢測(cè)，在出現(xiàn)線路故障及自然災(zāi)害時(shí)，能夠通過(guò)距離量測(cè)設(shè)計(jì)最優(yōu)路線進(jìn)行搶修。2.6輸電線路資產(chǎn)管理通過(guò)巡線采集的點(diǎn)云和高清影像數(shù)據(jù)，處理成DOM、DEM影像，結(jié)合分類后的點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)電力線路的三維建模，恢復(fù)電力線沿線地表形態(tài)、地表附著物（建筑、樹木等）、線路桿塔三維位置和模型等，將線路的名稱、桿塔信息、巡檢歷史和缺陷故障等信息錄入系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)線路三維信息化資產(chǎn)管理[19]（如圖6）。3結(jié)　語(yǔ)

激光雷達(dá)技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)攝影測(cè)量對(duì)輸電線路巡檢的不足，利用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)對(duì)線路走廊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、精細(xì)分類和三維建模，可以對(duì)線路安全問(wèn)題隱患和異常進(jìn)行分析。為了充分發(fā)揮激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)從軟硬件設(shè)備研發(fā)、算法優(yōu)化、系統(tǒng)優(yōu)化管理等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行完善，隨著激光雷達(dá)技術(shù)與相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步的結(jié)合，使獲取電網(wǎng)相關(guān)環(huán)境信息速度更快、成本更低、精度更高，使輸電線路運(yùn)行維護(hù)從人工化向數(shù)字化、智能化進(jìn)一步邁進(jìn)。

作者:操松元 郭可貴 譚弘武 賈玲君單位:1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司 2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司 3.北京煜邦電力技術(shù)股份有限公司