基于无人机单线激光雷达技术的输电线路导地线路研究

高 骏，胡晓龙，徐嘉汗

（国网浙江省电力有限公司建德市供电公司，浙江 建德 311600）

0 引 言

进入21世纪以来，科学技术的快速发展改变了各行各业的工作形式，工作生产更加高效。无人机作为新型科学技术中最具代表性的产物，得到广泛应用。在雷达检测技术的创新下，基于科学技术的融合产生了无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）激光雷达技术。其中，无人机单线激光雷达技术结合无人机遥感传感技术的优势特点，依托于电磁波技术实现数据有效采集与分类处理，能够实现大范围的数据采集与分析，且受外部因素影响较低，抗干扰能力较强。为实现输电线路科学化运维，本文进行了基于无人机单线激光雷达技术的输电线路导地线跟随装置研制的专题研究，以此来丰富机载雷达检测技术的应用层面。

1 输电线路三模型构建

1.1 激光点云数据分类

在无人机单线激光雷达技术的输电线路导地线跟随装置研制中，可基于滤波法的应用对点云与地面数据的分离，具体要结合实际地形起伏特点来调整滤波参数，为增强输电线路导地线跟随装置的适用性，使其在输电线路运维管理中能够适用于异型地形复杂的山区环境中[1]。本研究结合无人机单线激光雷达技术的多样性与输电线路通道原始位置数据来进行激光点云数据的划分，具体运用的技术软件见表1。

表1 技术软件统计表

基于学习与借鉴国内外研究成果，阅读相关文献资料，发现输电线路、数目、杆塔及建筑物几何特征有明显差异，运用无人机单线激光雷达系统的方向特征分离输电线路杆塔点云数据。图1为无人机单线激光雷达系统实物。

图1 无人机单线激光雷达系统

为使基于无人机单线激光雷达技术的输电线路导地线跟随装置具备较强的实用性，在三维模型构建中要结合自适应邻域计算来明确激光点最佳邻域半径，并结合矩阵奇异值分解法计算不同类型的激光雷达点云数据，计算公式为

式中：A代表无人机单线激光雷达点云数据邻域内点集构建的协方差矩阵；U和V代表正交矩阵；A=diag(λ1，λ2， …，λn)是 对 角 矩 阵， 对 角 元 素 λ1，λ2，…，λn为矩阵A的奇异值，数值的大小将决定信息量表达的数量，数值越小则表达数量越少，越大就代表相关信息量表达越多，本研究以前3个奇异值λ1,λ2,λ3为例进行计算，具体计算公式为

式中：a1d、a2d、a3d代表X、Y、Z三维立体坐标轴上的维度特征，a1d+a2d+a3d=1。

在输电线路运维管理方面，基于多种地物具备的多样性点云空间分布特性来看，大部分输电线路导地线存在于树木丛生的环境中，该环境的特征为不规则性，在研制跟随装置时会出现因点云空间存有多向同性分布的特点，导致X、Y、Z坐标轴的维度特征更加相近，形态为球状目标。从用电供应的角度来看，在建筑物供电中，该物体的结构一般为类长方体，点云空间中2个维度特征大于第3个，则坐标轴维度特征a1d≈a2d＞a3d，形态为面状目标[2]。所以，在输电线路导地线跟随装置研制中，通过运用无人机单线激光雷达技术，结合该项技术的航测参数来提取有关建筑物、数目及输电线路的点云数据，航测参数见表2。输电线路导地线平行于水平面，同输电线路杆塔为90°垂直，可基于输电线路导地线的方向特征来分离线路杆塔点，设置跟随装置。

表2 无人机单线激光雷达技术航测参数

1.2 输电线路导地线拟合

运用无人机单线激光雷达技术进行输电线路导地线分离时，维度与方向特征的分离需预留部分杆塔点，这种方式会对输电线路导地线分离效果产生影响。结合输电线路导线的形态来看，通常以一定弧度的曲线为准，要严格禁止以杆塔两端直接进行连接，直线连接的方式会影响输电线路导地线跟随装置的精度，使该设备在技术层面难以符合相关标准。需采取拟合计算的方式来明确输电线路导地线模型的空间姿态[3]。从杆塔悬垂导地线三维空间姿态来看，在无人机单线极广雷达技术的应用中，关于输电线路导地线跟随装置的设置还需以悬链线方程对多种数据进行拟合分类与求解，具体步骤见图2。

图2 悬链线方程的输电线路无序导地线数据拟合计算步骤

1.3 安全距离计算

运用无人机单线激光雷达技术计算出输电线路、地物、导地线激光的点云数据，以此来明确输电线路导地线与地物的距离，依据有关标准计算安全距离。同时，可基于无人机单线激光雷达技术来构建通输电线路导地线点云数据滤波后的数字高程模型，以模型分析的方式研制输电线路导地线跟随装置。依据输电线路导地线和地物安全距离的计算来得出科学合理的安全距离，以明确跟随装置设置的距离，加强对风险点的管控，为跟随装置后续研制提供依据，步骤如下文所述。

（1）结合相关文献提出的跟随装置研制方法，网格单元都以边长1 m正方形为准。（2）结合无人机单线激光雷达技术的应用计算输电线路导地线中不同网格导地线和地物的安全距离，其中涉及到水平、垂直以及直接净距离。考虑到输电线路走廊的形态特征，结合外树木倒伏产生的风险因素，在计算中还需结合对树木倒伏时，顶点和输电线路导地线安全距离进行计算[4]。同时，要依据网格内树木点云数据的中心点与树木高度来计算倒伏过程中圆弧的中心点，从而获取圆弧的数据信息，进一步明确圆弧和跟随装置的安全距离。（3）该步骤以步骤（2）的跟随装置研制法为基础，计算相邻网格输电线路导地线和网格的安全距离。（4）结合输电线路运维管理的新规程计算出不同网格间的安全距离，基于相关技术标准来比较安全距离，若安全距离数值不符合标准范围内，则需对输电线路导地线风险因素进行检测，并进行走廊清理，最后对出风险点坐标位置进行计算。

2 实现的主要功能与应用效果

2.1 实现的功能

基于无人机单线激光雷达技术来研究输电线路导地线跟随装置功能的实现，以距离测量为准，为凸显跟随装置在输电线路运维管理中的效用，还需获取输电线路导地线运行的相关数据信息来加强对输电线路设备的管理。在设备出现故障时，跟随装置能够基于无人机单线激光雷达技术对数据信息的有效采集与准确性分析来获取高精度点云数据，进而对不同物体与跟随装置间安全距离进行测算，从而满足跟随装置在输电线路运维管理中应用的技术标准与基本要求，以此来增强输电线路运维管理的科学性、合理性及规范性。此外，跟随装置的研制有助于线路资产管理的实现，运用无人机单线激光雷达技术来构建三位模型，获取点云与高清影像数据，通过数据信息的分类整合可通过输电线路导地线属性参数的录入，实现线路资产管理[5]。

2.2 应用效果

无人机单线激光雷达技术输电线路导地线跟随装置的应用能够自动巡检，实现对输电线路的动态监管，以无人机巡视的工作形式替代传统人工巡检的输电线路运维管理形式，促进输电线路运维管理效率及水平的提高。运用机载单线激光雷达系统来实现对电线塔、电力线及附近植被地物点云数据的有效采集，以数据分析的方式构建三维模型，从而实现对输电线路的精准测算，掌握真实有效的数据信息，能够避免线路事故停电，降低经济损失[6]。

3 结 论

在输电线路运维中，运用无人机单线激光雷达技术来研究输电线路导地线跟随装置，借助跟随机制来加强对输电线路的运维管理，确保输电线路能够平稳、安全的运行。以科学化准确跟随的特点来了解输电线路导地线运行的实际情况，以动态监管的方式基于奇异值组合来明确三维立体坐标轴上维度和方向的特征，从而实现对输电线路中导地线、杆塔和地物的有效管理。基于创新性跟随装置的研制，能够为输电线路走廊清理方案的设计与完善提供依据。