海热古丽•吐尔孙-无
国网喀什供电公司 新疆喀什市 844000
摘要：我国电网现行高压电力线路结构复杂、规模庞大，线路通道环境十分复杂，异物缠挂、线路下方存在树木、违规施工、违章建筑等易导致线路安全距离不足而发生短路事故。事故一旦发生，后果严重，巨大的电流可能造成人员严重伤害，故障造成线路设备损坏、跳闸停运、对电网运行造成冲击，同时，故障对城市区域供电造成影响，扰乱企业和居民的正常生产生活秩序，带来重大经济损失。针对不同的电力设备维护，远程控制机器人在电缆管道内进行设备检查，对电力运输线的温度进行实时监控，保障电力设备的安全运行。
关键词：激光雷达；输电线路；点云分类；三维重建；关键应用
引言
在电力工程测绘项目中，各种智能化、高科技的测绘技术和仪器不断地被开发和应用到测绘过程，促进了电力工程测绘的创新发展。其中，机载激光雷达技术以其数字化管理、精准化测绘以及立体化显示等优点，能够更好地适用于电力工程测绘特别是电网系统工程的管理项目，为电力工程的建设以及后续电网工程的长效运营提供重要的数据支撑，从而保障电力企业的可持续发展。
1机载激光雷达
激光雷达技术是近十几年发展起来的一种新的空间信息采集技术，通过发射高频率激光脉冲，对目标地物进行扫描，获取海量点云数据。这些数据不仅包含目标物体的三维信息，还包含几何结构、弱纹理和语义信息。激光雷达系统在功能上整合了激光雷达技术、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS），通过搭载于不同的遥感平台，实现了高精度地形地貌数据的快速采集。其拥有以下几个特点：①数据精度高，目前激光雷达可获得毫米甚至微米级别的探测。②数据量大。激光雷达每秒可以获取数十万个点云数据，这为后期对目标地物进行还原和建模提供了大量可靠的数据资源。③不受天气、太阳高度角、地形等自然条件影响，支持全天候作业。④激光雷达不受电磁波的干扰，因此在低空、超低空的条件下仍可获得清晰的影像。激光雷达系统根据搭载平台的不同可分为星载、机载、车载和地面4类，其中机载激光雷达受天气影响小，扫描角度灵活，应用最为广泛，目前已有70余种机载激光雷达系统投入市场，如瑞士Leica公司研发的ALS60、加拿大Optech公司的ALTM、奥地利IGI公司的RIGEL等。
2无人机机载激光雷达在输电线路巡线中的应用
2.1无人机作业设置
应对台风的特殊巡视涉及树障、交跨、引流线、杆塔等诸多检查项目，而不同检查项对于飞行平台的飞行速度、高度、数据采集的角度和分辨率需求不同，具体内容包括：1）飞行航迹自主规划。针对输电线路不同检查项，保证无人机飞控系统航迹规划与特殊巡视检查目标、飞行高度、飞行水平偏移距离之间实现最优对应，形成分别针对山区、丘陵、平原等多种典型地形地貌环境的飞行航迹规划的合理预制方案。2）飞行参数设置。通过无人机飞行设备的各项静态与动态参数模拟预期的激光点云密度与坐标误差，验证待获取点云精度是否满足特殊巡视的精度要求，并推导出满足精度要求状况下的最大飞行速度,以尽可能实现高效的数据采集。3）自主导航飞行数据采集。利用台风灾害前隐患排查所获得的输电线路三维激光点云生成高精度三维导航地图。在灾后评估阶段，无人机系统依据灾前生成的三维导航地图进行自主导航飞行以提高巡检效率。
2.2激光点云数据采集
(1)点云数据采集的前期准备工作包括实地踏勘、航线设计等。1)实地踏勘的目的是详细了解测区的情况，如测区边界、地形地貌、交通情况等。2)航线设计遵循高效、经济的原则，在实地踏勘的基础上，根据已有地形图并按照需求方的要求、行业规范及实地具体天气情况，制定详细的航飞路线、航飞计划及人员安排计划。
随着点云数据采集的进行，航飞设计要不断变化更新，以保质保量地完成数据采集工作。(2)点云数据的采集包括控制测量、数据采集、补测等。1)控制测量的目的是通过选点埋石、网型的设计及测量、数据的解析等建立点云数据的坐标基准。
2.3三维电力走廊场景重建
提取出ＲGBD图像的语义特征后，通过校正将GPS/IMU定位单元的输出投影到左侧摄像机坐标系中，重构出三维语义场景。该方法名为Voxel Hashing，它能够有效重建场景，重建细粒度的细节和尺度的环境。为了利用稀疏性，Voxel Hashing只围绕重建的表面几何形状分配体素块。一个高效的Graphics Processing Unit(GPU)加速散列表用于管理体素块的分配和检索。体素块可以使用世界坐标(x，y，z)从散列表中进行检索。通过简单的乘法和四舍五入来求世界空间中三维点的坐标。散列表可以用来进一步重建和过滤歧义。在实现中，体素存储了标志字段、颜色、语义信息和权重。
2.4线路防舞
在覆冰强风区，输电线路常发生舞动现象，导致闪络跳闸，给输电部门带来巨大损失。为防止导线舞动，通常会在易发生舞动的导线间架设相间间隔棒，这需要对导线间距进行测量。利用点云数据构建高精度导线模型，可以在没有拉闸断电的情况下进行导线间的距离测量，为制作相间间隔棒提供数据支持[17]，同时保证了社会各项生产生活的正常运行。
2.5点云分类
激光雷达采集数据时，一次性采集通道内的所有目标，为了更好地区分多样地物，并根据不同地物点云测算地物至输电线路的距离与交叉跨越距离，需要进行点云分类。通常情况下，输电线路的通道点云可以分为电力线、杆塔、高植被、低植被、建筑、道路。为了区分不同目标，用不同的颜色对分类后的点云加以区分，分类方法通常采用滤波分类法。
2.6多时相三维点云配准及语义性变化对比
对于不同时相飞行的三维点云数据可能由于激光雷达吊舱的定位、定姿单元系统误差而出现坐标偏差问题，可应用迭代最近点配准算法将不同时期的点云归化到统一坐标系统之内。将不同时相点云分别进行点云分类与特征提取，形成按照时间排列的导线、金具、杆塔等特征的点云子集并在KD-树形空间索引框架下对每一类点云进行水平位置、高度、弧垂、朝向等信息的变化计算。对比灾前灾后经过点云分类后不同物体的变化情况，可实现受灾路段进行评估。
结束语
提出了一种基于激光雷达与图像融合的无人机输电线路异常检测方法。设计了一种基于CPLD的低成本、低功耗同步采集板，并利用AprilTag实现了GPS/IMU和传感器的快速标定。提出了一种基于多传感器融合的电力线异常检测方法，包括语义分割、场景重建和距离测量。得到电力线的三维模型，采用铅垂线方法对下方地物安全距离进行实时检测。用实验验证了方法的有效性。该检测解决方案可以充分利用多传感器不同特性实现对电力线的高效检测，促进无人机在线路巡检中的推广应用。
参考文献
[1]程海涛,王和平,邹彪,吴建军,杨国柱.基于激光雷达技术的架空输电线路巡检应用[J].新疆电力技术,2018(04):35-38.
[2]吴永利.无人机激光雷达技术在输电线路通道巡检中的应用[C].福建省电机工程学会.福建省电机工程学会2018年学术年会获奖论文集.福建省电机工程学会:福建省电机工程学会,2018:171-174.
[3]时磊,虢韬,杨恒,杨渊.基于无人机三光吊舱的输电线路山火监测及预警算法研究[J].自动化技术与应用,2018,37(10):93-96.
[4]李腾.国产机载激光雷达在山区输电线路选线中的应用研究[D].昆明理工大学,2018.
[5]丁征凯.机载激光雷达数据在输电线路终勘选线中的运用分析[J].通讯世界,2018(09):193-194.