无人机机载激光雷达在输电线路巡线中的应用

杨磊 牛甲芳 李会平 陈鹏宇 刘晓庆

山东鲁邦地理信息工程有限公司 山东 济南 250101

引言

近年来，我国的电力事业发展迅猛，各种规模、类型的输配电工程项目实施，满足了人们基本的电力事业需求，给人们提供了良好的电力服务。但为保障输配电的稳定性，电力企业在日常的工作中同样要做好输电线路巡线工作，当下的输电线路巡线主要是由无人机机载激光雷达来完成的，有效发挥了激光雷达便捷性、高效性的优势，无论在数据采集还是数据分析和利用上，都有着传统人工巡线方式所难以比拟的特点，未来势必将带动整个电力行业的现代化发展。

1 机载激光雷达的具体概述与研究现状

机载激光雷达在空间测量领域属于一种相对先进的技术，在具体的应用中，机载激光雷达中集成了多种的技术和设备，比如，激光扫描仪、全球导航卫星系统、惯性测量单元、高速率存储设备等，技术和设备的集成性都充分反映了机载激光雷达的先进性，势必在社会经济生活领域有着巨大的应用潜力。在利用机载激光雷达来进行相应的三维空间信息获取时，需在事先搭设好的机载平台上以高频率进行激光脉冲的发送，在该脉冲发射的过程中同步对脉冲发射时间和达到地面返回到机载平台接收器的时间加以有效记录，根据对这一时间的把握，也就能够准确获得机载平台与地面点之间的距离信息，在该信息获取以后，相关测量人员再根据前期所获得的地面GPS数据和POS数据，对这些数据和信息加以充分整合与处理以后，生成最终的地面空间三维坐标和可视化三维点云数据。机载激光雷达与常规的测量技术相比，因为其定位和测距的精度异常高，使得这一技术在当下的很多领域都越发引起了人们的重视，尤其是在电力工程领域，输电线路巡线中，这一技术的优势凸显，有效改变了人工巡线方式的巨大限制，不仅使得巡线的难度系数有所降低，更在很大程度上节约了这一方面的成本。

在利用机载激光雷达进行相应的测量工作时，三维点云解算中的航迹获取时，因为常规的方式无法得到，一般要在被测区域进行地面站的架设，由地面站来负责在测量工作中的GPS差分运算，在这一条件下所得到的轨迹数据具有更高的精度，但地面站架设的工作难度系数较大，往往需综合考虑多方面的因素，做好前期的选点、布设，再加上存在一定的单基站距离限制，导致在地面站架设时，应做好现场调查。电力线长距离的巡检作业开展中，为确保机载激光雷达能够获得完整准确的轨迹数据和信息，往往需在测区布设多个基站，以保障巡检作业的高效实施。当输电线路巡线作业中遇到的是一些地形地势比较恶劣的区域时，无法满足基站建设的条件，针对这种情况，在机载激光雷达技术的应用中，可以采用精密单点定位的方式来克服常规基站建设中的诸多限制，因为在这一技术应用不需要进行地面站的架设就可以获得相应的航迹信息，基本上不存在距离限制的影响，正是因为这一技术的这些特点，使得在输电线路巡线中的作用量和作业成本都大大降低。现阶段，精密单点定位技术随着技术的进步迎来了崭新的发展，技术越来越先进且有了更为广泛的应用空间，高精度的技术特点，使得精密单点定位技术在未来还有着巨大的发展潜力。比如，部分人员利用精密单点技术进行了滑坡的监测，发现这一技术在滑坡等各类地质灾害的动态监测、预警方面有着突出的技术优势；部分人员结合了GPS/GLONASS进行了精密单点定位技术的深入研究，发现这一技术比单纯的GPS的精密单点定位技术有着明显的技术优越性。

2 无人机机载激光雷达系统

在输电线路巡线过程中，如果利用的是无人机机载激光雷达的方式，就需要进行无人机机载激光雷达系统的设计，这一系统内往往包含了多个构成要素，其中激光扫描头主要是进行设备线视场内的测距信息序列获取的；而位置姿态子系统主要进行的是每一个测距时刻所对应的地理位置和姿态信息采集；时间同步模块的存在，使得激光扫描头能够与位置姿态测量子系统保持同一时间状态下的工作状态，也就可以使得整个的测量工作进行中，能够在时间同步模块的辅助下确保后续数据解密工作的高效实施；控制和存储子系统负责在整个测量工作中的信息与数据整合与存储；电源模块是为了给整个无人机机载雷达系统的运行提供充足的电力资源。从总体来看，无人机机载激光雷达系统中，其系统构成十分复杂，在系统内包含了多个的要素，为确保信息采集和处理的全面实施，必须要确保系统内每个构成要素的高度配合与协调。

2.1 无人机系统

无人机属于一种动力飞行器，在利用其开展相应的测量任务时，完全兼具自主飞行、远程引导的特征。无人机机载激光雷达系统的应用中，无人机系统的构成十分复杂，因为无人机可搭载相机、定位系统或者信息传输系统等，使得在当下的应急救援、农业等领域，对于无人机系统都有着极为广泛的应用[1]。根据无人机系统的构成，除了基本的无人机本体，还包含飞行控制系统、动力系统、能源系统和通信系统、地面监控站，在利用无人机开展相应的测绘任务时，不同部分之间的高度配合，保障了无人机在飞行过程中的数据采集。

2.2 机载激光雷达

机载激光雷达的构成复杂，激光扫描仪、GPS、IMU、数码相机等均是其中不可或缺的设备，经由不同构成部分之间的相互配合，有效发挥了机载激光雷达在数据采集、处理方面的作用。在将其应用在输电线路巡线时，激光扫描仪可以自动进行输电线路通道点云数据的采集，经由GPS定位系统的辅助，也就可以将前期所得到的通道数据实施坐标转换，进而得到被测量实体的三维坐标系信息。

3 输电线路激光点云的采集及数据处理

3.1 激光点云数据采集

输电线路巡线中采用无人机机载激光雷达，最为基础性的环节就是要进行点云数据的采集，为了通过巡线来及时发现输电线路中所存在的问题，相关人员必须要将所采集到的点云数据加以存储和处理、分析。事实上，点云数据采集中，为保障点云数据的完整性和准确性，首先要做好前期的准备工作，不仅要安排专业人员深入到现场来开展勘察和调查，更要进行科学的航线设计。实际勘察工作主要是为了帮助相关测量人员及时了解测区范围内的边界、地形地貌、交通等基本情况，在航线设计的过程中，要严格遵循经济性、高效性的标准，使得最终的航线设计可以满足无人机飞行测量的要求，保障经由该航线设计，能够获得完整、准确的点云数据[2]。

点云数据的采集方面，包含了控制测量、数据采集和补测，首先，控制测量工作中，相关测量人员通过选点埋石、网型设计与测量、数据解析等多个流程来构建完善的点云数据坐标基准。其次，数据的采集工作中，为提高采集效率和精度，应在现场开展专业设备的安装，当安装作业结束且检查通过后，进入试飞爬升、自主巡航和返回降落的阶段，使得这些设备或者参数设计都能够符合数据采集的基本要求。补测是要在前期外业采集的基础上进行，对于一些漏飞或者点云密度不符合要求的地方开展再次的测量。

3.2 点云数据处理

在利用无人机机载激光雷达开展输电线路巡线的过程中，点云数据的处理尤为关键，激光点云和影像数据的处理流程都十分复杂，具体包含了多个的处理流程，只有严格执行了这些处理环节，才能够有效提升点云数据的利用价值。

3.2.1 数据预处理。数据预处理作为基础性的环节，在处理的过程中，重点是要进行数据的质量检查、数据转换、轨迹解算和点云数据解算。在数据质量检查环节，相关检查人员要对机载雷达POS数据的完整性、前后两天时间与不同架次数据的拼接情况加以全面检查。数据转换时要将地面基站和机载POS系统的原始数据转化成为通用的数据格式，重点开展的是格式转变，经由轨迹解算以后也就得到了飞行平台的三维坐标信息。首先开展航迹文件的处理，将无人机飞行过程中的GPS基站、流动站、IMU数据开展组合导航解算，当由专业人员检查结束且不存在任何问题以后，自动输出航迹文件。其次，点云数据的处理方面，首先要进行激光原始数据文件、航迹文件，在此基础上进行系统校验参数的科学优化，保障坐标变换矩阵的科学性，随后在激光点反射率、距离的基础上开展粗滤波过滤噪点，最终所得到的点云直接保存下来，就是预处理的结果。

3.2.2 激光雷达数据处理及3D数据处理。激光雷达数据处理与3D数据处理环节，专业人员要及时将测区中的LiDAR 点云裁切为小范围数据，该数据要能够给后续的数据处理流程提供便捷。在此环节的数据处理中，同样要进行航带拼接误差的调整，如果重叠区域内针对有多条航带的点云，需由专业人员对数据加以粗分类。伴随着无人机飞行作业的进行，在输电线路通道内因为存在有很多的无关要素，这些要素都会最终影响到点云数据精度，因此，在数据处理环节，同样要对这些影响因素加以全面控制，消除由于地物、输电线、杆塔等外形、材质等引起的点云数据噪声点，当然，无人机飞行中的减速、转弯或者地面起伏等情况，也会导致一定的噪声点存在。如果在数据处理环节忽略了去噪处理，势必会导致点云数据的精度不足，因此，针对这一情况，在点云数据的处理中，同样要做好去噪处理。

在无人机机载激光雷达的数据采集环节，因为一次性采集通道内的全部目标，也就使得在整个的采集工作进行时，往往会采集到很多的数据，这些数据的种类繁多且数量庞大[3]。为了根据所采集到的数据来进行地物的有效区分，并结合不同地物点云测算地物与输电线路的距离和交叉跨越距离的信息，就必须要进行点云数据的分类。根据一般经验，输电线路的通道点云一般有电力线、杆塔、高低植被、建筑和道路等多种区分，而准确实现对目标的区分，一般要采用不同的颜色对分类以后的点云加以划分，滤波分类法更为有效。

3.2.3 数字高程模型（DEM）处理。数字高程模型处理环节，在模型建立的过程中，要根据前期分类以后所得到的地面点来进行建立，但整个测量工作进行时，由于存在不完整区域，这些区域可能是由于激光点采集、过滤方面的问题所引起，针对这些区域，一般要通过添加特征线数据的方式来完成补充，最后使用双线性内插法来进行三角网模型的构建。

3.2.4 数字表面模型（DSM）处理。在点云分类基础上所获得的地面点、非地面点、噪点等数据，在将其中的噪点完全去除以后，再将地面点、非地面点严格按照相应的标准来实现最终的处理，最终来获得数字表面模型。

4 结束语

现阶段的输电线路巡线工作进行中，无人机机载激光雷达的优势突出，有效改变了传统的人工巡线方式限制，整体的效率偏高且具有一定的自动化。未来随着电力事业的稳步发展，输电线路巡线中的无人机机载激光雷达势必会得到越来越广泛的应用。