三维激光雷达在输电线路机巡中的应用
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摘 要：原来的输电线路巡查采用人工的方式，工作效率无法得到保证。本文对机载激光雷达工作原理进行分析，并对三维激光雷达在输电线中的应用展开探讨。
关键词：机载激光三维激光雷达;输电线路;巡线
最近十多年来，激光雷达技术被广泛应用于遥感测量领域，性能最为先进的为三维航空遥感测量技术，不会受到地面植被的影响，原来所采取的航空遥感技术无法实现该性能。机载激光雷达技术可以更为直接、准确地得到三维空间中的数据信息，并对数据进行自动处理，在不接触被测量物体时实现较高精度、密度，数字化的测量手段不需要投入更多的资金，可以用于对输电线路巡查工作，可效的减小电力巡线工作的强度。
1机载激光雷达工作原理
机载三维激光雷达主要由控制单元、飞行平台、定位和惯性测量模块、激光扫描装置等构成。飞行平台可采用直升飞机或固定翼飞机，激光扫描装置主要有相位测距扫描和脉冲测距扫描仪。定位和惯性测量模块主要由GPS及惯性测量装置构成。为了提高测量精度，还需要在机载激光雷达系统内配置高精度数码相机。
每个传感器被固定到飞机相对位置，保证每个传感器可以在时间上达到同步。GPS可以用来接收飞行时获取到的位置信息，IMU用于记载飞机产生的航向角度、俯仰角度和侧滚角等飞机姿态信息。三维激光扫描仪及数码相机采用固定的频率对航行区域进行摄像，激光扫描仪向地面输出激光脉冲，然后依据激光脉冲从输出到接收激光所需要的时间来计算扫描设备到地面光斑相互间的距离，利用DGPS来获取到扫描装置的三维坐标，采用高精度惯性测量仪IMU就可以获取到激光扫描仪工作瞬时空间姿态参数，主要参数有航偏角К、倾斜角φ及旁向倾角ω，从而建立起空间几何与参数间的关系，从确定出地表激光位置点三维坐标（x，y，z）：
+R，公式中的R是旋转矩阵。
2三维激光雷达在输电线中的应用
2.1三维激光雷达技术在输电线路勘探测量中的应用
机载方式的激光雷达数据信息，主要有回波强度图像、激光点云等数据信息。一般情况下，可应用激光点云数据来划分类型，主要有非地表激光点云数据、地面激光点云数据，从而形成DEM数据信息。应用形成的DEM数据信息和航空数码影像方位元素，比如，飞行过程中机载三维激光雷达应用DGPS及IMU得到的航空数码影像外方位元素，再对航空数码影像采取正射纠正的办法来建立起DOM数据，也可以应用激光点云数据来形成DSM，或者对输电线路附近的房屋、道路和植被等信息进行有效的采集。
把激光点云数据及及航空数码影像数据进行自动处理，从而形成DEM及DOM，对二者进行叠加可以建立起输电线路走廊三维图像，使输电线路变得更为直观，可以模拟出输电线路作业区的地貌特点，电力设计人员可以在三维图像中来对输电路径进行优化选择，主要有输电线路路径、立体空间测量、对建筑物等绕行、土方开挖量的计算和拆迁费用计算等，可以使后续输电线路区域所需要的拆迁工作变得更为快捷，对工程量进行准确的评估和计算，从而制定出最佳的决定方案。在内业平断面进行测图时，施工作业人员可以在三维图像中对平面物体和危险点进行采集，断面数据可以从DEM数据信息内提取出来。三维激光雷达与原来采用的航空摄影技术对比来看，具有下述多种优势：1）具有较高精度的DEM和DOM数据信息，可以通过激光点云数据进行支持，可以对地面地形和物体进行识别和判断，对空间位置信息进行测量，获取到数据信息更为快速、准确，输电线路的选择和优化更为全面。特别在植被覆盖区中，平断面精度可以得到保证，塔位确定的更为科学、合理。2）可以为输电线路的终勘定位，或者施工作业时改线提供数据支持。对选线平台进行优化和改进时，不再单独配置航空摄影测量设备，电力设计人员可以应用便携式装置在野外条件下就可以完成选线工作，然后按着即时断面数据信息来进行预排杆工作。3）可以更好的提高施工作业效率，施工成本得到有效控制。输电线路雷达测量数据信息进行自动化处理，不再进行航外像控测量，野外环境开展的调绘工作会大幅减少，利用三维图像进行选线更加便捷，电力设计人员可以从空间上掌握好输电线路的路径。4）输电线路选线时可以提供丰富的辅助信息。应用激光点云数据，可以在输电线路选线时更为便捷地向电力设计人员提供详细的塔高、房高等数据信息。5）采用精度较高的三维激光雷达技术，可在数字电网建设过程中组建起三维模型，可以更好的满足电网数字化建设要求。
2.2三维激光雷达在输电线路巡线中的应用
对建成并投入应用的输电线路进行巡线，是保证供电网络安全的重要措施，是运营维护管理部门开展的重要工作。对输电线路进行定期的巡查，可以及时发现线路的安全隐患，保证输电线路的安全、稳定供电。对巡查过程中发现的线路安全隐患，比如，可以及时发现输电线路走廊是否存在违章建筑，或违章施工等。原来的输电线路运行维护方式，工作人员劳动强度较大，工作效率也无法得到保证，尤其有输电线路出现突发故障，或者在异常气候条件下，输电线路运行维护人员需要乘座交通工具，或者地面行走的方式，采用普通的故障诊断设备，或者凭借经验来对输电线路和电力设备故障进行判断，这与信息化时代的快捷、高效完全不符，需要建立起满足当前智能电网要求的巡线技术，采用机载三维激光雷达进行巡线可以有效的提高工作效率。
利用机载三维激光雷达对输电线路进行巡线时，如果输出的激光束碰到树木、电缆等物体时，采集到信号返回到探测器时就可以获取到具体的空间位置信息，在对多个激光回波信号进行记录和存储时，需要针对不同的回波信息进行分析和处理，就可以得到树冠底在地面信息和树木高度。较高密度的LIDAR数据信息可以系统地建立起树冠模型，并对树冠形状进行评估和描述，光谱信息可在数字影像中提取出来，近红外影像技术可以识别出阔叶类树木及针叶树。所以，对采集到的数据信息进行分析处理，可以对植被覆盖情况进行区别，从而得到树木的高度、种类和体积，对输电线路附近的树森生产情况进行动态的监测。为了对输电线路通道树木自然生长率情况进行掌握，应该按着运行规程的要求，采用直升机装载三维激光雷达来过行扫描测绘，可以获取到树木最为合理的剪伐量，保证输电线路的安全运行。
3结论与建议
直升机巡线可以更为方便地发现输电线路故障和缺陷，这是传统的故障测量仪器无法比拟的，取代原来的人工巡线方式，可以把巡线工作深入到山川及河流等人员难以靠近的区域，有效地提升了输电线路巡查效率，及时发现输电线路存在的安全隐患，保证输电线路的安全性、可靠性，可以得到较好的经济效益和社会效益。但机载三维激光雷达技术需要投入较高成本，随着科学技术的不断进步，雷达设备的购置费用会进一步降低，会在电网维护管理中得到广泛的应用。
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作者简介：王珂（1987.4-），男，广西南宁人，南宁供电局输电管理所运行专责，工程师，单位：广西电网有限责任公司南寧供电局。
张攀（1987.02-），男，河南商丘人，广西大学电气工程研究生，工程师，工作单位：广西电网有限责任公司南宁供电局，研究方向：输电线路。
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