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摘要：目前，在输电线路设计中，国内设计院多使用海拉瓦技术进行线路设计。相比传统设计方式而言，它使得设计更加合理、勘测周期大大缩短，产生了较好的经济及社会效益。但海拉瓦技术也有不足，如无法得到植被密集地区的地表情况;数据处理自动化程度低，特别是处理航片时需要人工干预;需要大量野外工作，生产周期依然很长;生产成本昂贵等。
关键词：无人机载LiDAR系统;电力线巡检应用
前言：
随着机载技术的日趋成熟，基于机载的光电吊舱法线路巡检逐渐得到广泛应用，并取得一定效果，但对于线路走廊地物与架空输电线路之间的距离尚不能进行测量。为弥补机载光电吊舱巡线技术空间测量无法满足当前我国高压线路及智能电网建设发展需求，激光雷达（LiDAR）作为一种新型光电测量装备为电力领域的空间测量提供了可行的解决方案。
一、LiDAR技术发展及相关介绍
LiDAR是利用全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）进行载体定位，通过激光扫描仪测量载体与目标的距离，从而测得目标的三维坐标。它是目前唯一能测定森林覆盖地区地表高程的可行技术，可用于快速产生数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）。LiDAR技术的主要特点有：1）可以24 h全天候工作。激光雷达是主动探测，不受光照的影响，可以全天候工作。2）能够穿透植被的叶冠，同时测量地面点和非地面点。激光波长较短，可以穿透植被叶冠，形成多次回波，获取的数据信息更丰富。3）能够探测细小目标物体。激光的波长较短，能够探测细小的目标，如电力线，而传统的摄影测量和雷达都不能够探测到细小的电力线。4）获取数据速度快。相对于传统摄影测量，机载激光雷达可直接获取目标的三维坐标，数据获取速度大大提高。
用LiDAR来精确确定地面上目标点的高度，始于20世纪70年代后期。当时的系统一般称为机载断面记录仪，主要辅助空中三角测量。最初的系统仅能获得在飞行器路径正下方的地面目标数据。这些最初的激光地形测量系统很复杂，并且不适合于获取大范围地面目标的三维数据。由于没有高效的航空GPS和高精度IMU，所以很难确定原始激光数据的精确地理坐标，因此其应用受到了限制。随着差分GPS技术、数据传输技术、计算机技术和图形图像处理技术的发展，LiDAR技术已成为直接获取地表模型的有效手段。结合影像及信息融合技术，LiDAR系统不仅局限于获取数字高程模型等传统的应用领域，而且广泛应用于农业土壤侵蚀、洪水预报、城市三维模型的直接获取、GIS支持、高压线实时监测、林业监测等领域。
二、无人机载LiDAR系统在电力线巡检中的应用
1. LiDAR技术选线。LiDAR技术是现代对地观测的最新技术之一，通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点三维坐标，对地面的探测能力有着强大的优势，具有空间与时间分辨率高、动态探测范围大、能够部分穿越树林遮挡、直接获取真实地表的高精度三维信息等特点，是快速获取高精度地形信息的全新手段。利用LiDAR技术进行输电线路优化选线的方法大致如下：首先将LiDAR设备获取的高密度高精度的DSM，对线路规划决策的影响要素进行参数化和数字化，基于人工智能的搜索方法搜索代价最小的路径，并辅助于领域專家的知识，对决策要素的参数化和目标函数做进一步优化，形成一套自动化程度较高的路径规划方法，为线路规划设计提供参考方案;再将DSM数据进行滤波，生成DEM，将同时获取的航空数码影像处理为DOM;接着利用DEM叠加DOM构建线路走廊三维场景，设计人员即可在三维场景中针对规划方案进行优化选线作业。至于内业平断面测图，作业人员可直接在三维场景中进行平面地物以及风偏、危险点的采集，对于诸如房高、树高以及塔高等信息则借助激光点云数据进行提取，而断面数据则可直接从DEM数据中进行提取。
2.基于摄影测量工作站的电力选线技术。目前，在电网设计中，国内很多电力设计院使用摄影测量工作站技术进行线路设计，如“海拉瓦”系统。海拉瓦全数字化摄影系统是借助卫星、飞机、全球定位系统（GPS）等高科技手段，通过高精度的扫描仪和计算机信息处理系统，将各种影像资料生成正射影像图、数字地面模型和具有立体图效果的三维景观图，并以标准格式输出图像和数字信息的技术。海拉瓦-洛斯达技术是海拉瓦全数字摄影测量系统与洛斯达公司二次开发的满足线路勘测设计需要的软件相结合，进行电网工程勘测、辅助设计的最新技术的总称。在电网工程中，海拉瓦-洛斯达技术主要应用于输电线路的路径优化、变电所所址及进出线走廊规划、数字化线路等方面。海拉瓦-洛斯达技术率先应用于输电线路工程的电力选线，其传统航测作业模式是：1）航摄，按线路路径要求分带航飞拍照，照片冲洗后提供各航带满足质量要求的底片和照片。2）外控及调绘，制作各航带像片镶嵌图，全线进行GPS外控、调绘，提供所有GPS外控点三维坐标和像片调绘资料。3）航测内业，利用外控、调绘资料，进行空中三角测量，解算像对坐标，建立立体数字地面模型，生成全线数字化带状地形图。4）终勘定位，根据设计排位情况进行现场定位，并测量桩间距离、高差、危险断面和重要叉跨越，对原平断面图进行修正。
3.应用案例。本系统于500 kV 架空输电线路进行巡视，共计飞行4 个架次。确定巡检线路后，选择约10 m×10 m 的坚实地面作为起降场地，起降点100 m 半径范围内不能有灌木树木等植被，以保证起飞安全;周边半径1 km 内空旷无山体丘陵遮挡，以保证一定强度的GPS 信号。依据台账信息，通过自带地面站对线路进行航迹规划。由于巡检线路路段地处平原，地势平坦，采用等高飞行方式;为保障线路及系统安全，采用在线路斜上方飞行方式。在考虑无人机悬停精度和GPS 坐标误差的情况下，水平距输电线路中心的水平距离不得低于30 m;为保障GL-70 对较细输电线的点云密度，LiDAR 距输电的距离应在100 m 内;鉴于巡检路段杆塔高度约50 m，在最大安全准则下，无人机载LiDAR 系统离巡检路段的平均高度基准线150 m，以满足对输电线的激光扫描测量。为了能够采集最高的地面反射点云密度，激光脉冲频率设置为最大的脉冲频率550 kHz，同时设置无人机平台飞行速度为36 km/h，以兼顾点云密度及巡检效率。该设置模式下GL-70 对地的理论点云密度约为58 pts /m2。相机曝光时间间隔7.9 s，以便有足够的重叠影像来进行后期处理。高质量影像数据与高密度的激光点云数据，可以对杆塔、导线和地物进行精确的建模。调整好无人机平台状态后，开启LiDAR 数据采集系统，待完成参数设置后，按照规定的航迹进行飞行，并进行数据采集。
数据采集完成后，在现场进行GPS 数据处理和激光点云数据预处理，以确认所获数据的可靠性。经过点云自动分类及杆塔电力线的手动提取之后，处理后的数据显示，水平精度在10cm以内，高程精度在5cm以内，接收到的地面反射点云密度高于30 pts /m2。数据处理结果表明该系统获取了精确的架空输电线路走廊三维信息，量测出树障、风偏及交叉跨越信息，数据精度在10cm 以内。
结束语：
本文验证了无人机载LiDAR 系统在电力架空输电线路作业中的应用，成功获取了高精度的激光点云数据，并进行了三维建模和危险点检测，达到了预期效果。无人机平台的低成本和LiDAR 轻量化设计，为无人机载LiDAR 在电力巡检应用的推广提供了参考依据。
参考文献：
[1]沈光陞，赵新波. 直升机电力巡线技术[J]. 电力建设，2018，29（10）：35-37.
[2]林韩，林朝辉，汤明文，等. 电力输电线路无人直升机巡视的应用[J]. 华东电力，2019，39（10）：1657-1660.
[3]阳锋，徐祖舰. 三维激光雷达技术在输电线路运行与维护的应用[J]. 南方电网技术，2019，3（2）：62-64.
关键词：无人机载LiDAR系统;电力线巡检应用
前言：
随着机载技术的日趋成熟，基于机载的光电吊舱法线路巡检逐渐得到广泛应用，并取得一定效果，但对于线路走廊地物与架空输电线路之间的距离尚不能进行测量。为弥补机载光电吊舱巡线技术空间测量无法满足当前我国高压线路及智能电网建设发展需求，激光雷达（LiDAR）作为一种新型光电测量装备为电力领域的空间测量提供了可行的解决方案。
一、LiDAR技术发展及相关介绍
LiDAR是利用全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）进行载体定位，通过激光扫描仪测量载体与目标的距离，从而测得目标的三维坐标。它是目前唯一能测定森林覆盖地区地表高程的可行技术，可用于快速产生数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）。LiDAR技术的主要特点有：1）可以24 h全天候工作。激光雷达是主动探测，不受光照的影响，可以全天候工作。2）能够穿透植被的叶冠，同时测量地面点和非地面点。激光波长较短，可以穿透植被叶冠，形成多次回波，获取的数据信息更丰富。3）能够探测细小目标物体。激光的波长较短，能够探测细小的目标，如电力线，而传统的摄影测量和雷达都不能够探测到细小的电力线。4）获取数据速度快。相对于传统摄影测量，机载激光雷达可直接获取目标的三维坐标，数据获取速度大大提高。
用LiDAR来精确确定地面上目标点的高度，始于20世纪70年代后期。当时的系统一般称为机载断面记录仪，主要辅助空中三角测量。最初的系统仅能获得在飞行器路径正下方的地面目标数据。这些最初的激光地形测量系统很复杂，并且不适合于获取大范围地面目标的三维数据。由于没有高效的航空GPS和高精度IMU，所以很难确定原始激光数据的精确地理坐标，因此其应用受到了限制。随着差分GPS技术、数据传输技术、计算机技术和图形图像处理技术的发展，LiDAR技术已成为直接获取地表模型的有效手段。结合影像及信息融合技术，LiDAR系统不仅局限于获取数字高程模型等传统的应用领域，而且广泛应用于农业土壤侵蚀、洪水预报、城市三维模型的直接获取、GIS支持、高压线实时监测、林业监测等领域。
二、无人机载LiDAR系统在电力线巡检中的应用
1. LiDAR技术选线。LiDAR技术是现代对地观测的最新技术之一，通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点三维坐标，对地面的探测能力有着强大的优势，具有空间与时间分辨率高、动态探测范围大、能够部分穿越树林遮挡、直接获取真实地表的高精度三维信息等特点，是快速获取高精度地形信息的全新手段。利用LiDAR技术进行输电线路优化选线的方法大致如下：首先将LiDAR设备获取的高密度高精度的DSM，对线路规划决策的影响要素进行参数化和数字化，基于人工智能的搜索方法搜索代价最小的路径，并辅助于领域專家的知识，对决策要素的参数化和目标函数做进一步优化，形成一套自动化程度较高的路径规划方法，为线路规划设计提供参考方案;再将DSM数据进行滤波，生成DEM，将同时获取的航空数码影像处理为DOM;接着利用DEM叠加DOM构建线路走廊三维场景，设计人员即可在三维场景中针对规划方案进行优化选线作业。至于内业平断面测图，作业人员可直接在三维场景中进行平面地物以及风偏、危险点的采集，对于诸如房高、树高以及塔高等信息则借助激光点云数据进行提取，而断面数据则可直接从DEM数据中进行提取。
2.基于摄影测量工作站的电力选线技术。目前，在电网设计中，国内很多电力设计院使用摄影测量工作站技术进行线路设计，如“海拉瓦”系统。海拉瓦全数字化摄影系统是借助卫星、飞机、全球定位系统（GPS）等高科技手段，通过高精度的扫描仪和计算机信息处理系统，将各种影像资料生成正射影像图、数字地面模型和具有立体图效果的三维景观图，并以标准格式输出图像和数字信息的技术。海拉瓦-洛斯达技术是海拉瓦全数字摄影测量系统与洛斯达公司二次开发的满足线路勘测设计需要的软件相结合，进行电网工程勘测、辅助设计的最新技术的总称。在电网工程中，海拉瓦-洛斯达技术主要应用于输电线路的路径优化、变电所所址及进出线走廊规划、数字化线路等方面。海拉瓦-洛斯达技术率先应用于输电线路工程的电力选线，其传统航测作业模式是：1）航摄，按线路路径要求分带航飞拍照，照片冲洗后提供各航带满足质量要求的底片和照片。2）外控及调绘，制作各航带像片镶嵌图，全线进行GPS外控、调绘，提供所有GPS外控点三维坐标和像片调绘资料。3）航测内业，利用外控、调绘资料，进行空中三角测量，解算像对坐标，建立立体数字地面模型，生成全线数字化带状地形图。4）终勘定位，根据设计排位情况进行现场定位，并测量桩间距离、高差、危险断面和重要叉跨越，对原平断面图进行修正。
3.应用案例。本系统于500 kV 架空输电线路进行巡视，共计飞行4 个架次。确定巡检线路后，选择约10 m×10 m 的坚实地面作为起降场地，起降点100 m 半径范围内不能有灌木树木等植被，以保证起飞安全;周边半径1 km 内空旷无山体丘陵遮挡，以保证一定强度的GPS 信号。依据台账信息，通过自带地面站对线路进行航迹规划。由于巡检线路路段地处平原，地势平坦，采用等高飞行方式;为保障线路及系统安全，采用在线路斜上方飞行方式。在考虑无人机悬停精度和GPS 坐标误差的情况下，水平距输电线路中心的水平距离不得低于30 m;为保障GL-70 对较细输电线的点云密度，LiDAR 距输电的距离应在100 m 内;鉴于巡检路段杆塔高度约50 m，在最大安全准则下，无人机载LiDAR 系统离巡检路段的平均高度基准线150 m，以满足对输电线的激光扫描测量。为了能够采集最高的地面反射点云密度，激光脉冲频率设置为最大的脉冲频率550 kHz，同时设置无人机平台飞行速度为36 km/h，以兼顾点云密度及巡检效率。该设置模式下GL-70 对地的理论点云密度约为58 pts /m2。相机曝光时间间隔7.9 s，以便有足够的重叠影像来进行后期处理。高质量影像数据与高密度的激光点云数据，可以对杆塔、导线和地物进行精确的建模。调整好无人机平台状态后，开启LiDAR 数据采集系统，待完成参数设置后，按照规定的航迹进行飞行，并进行数据采集。
数据采集完成后，在现场进行GPS 数据处理和激光点云数据预处理，以确认所获数据的可靠性。经过点云自动分类及杆塔电力线的手动提取之后，处理后的数据显示，水平精度在10cm以内，高程精度在5cm以内，接收到的地面反射点云密度高于30 pts /m2。数据处理结果表明该系统获取了精确的架空输电线路走廊三维信息，量测出树障、风偏及交叉跨越信息，数据精度在10cm 以内。
结束语：
本文验证了无人机载LiDAR 系统在电力架空输电线路作业中的应用，成功获取了高精度的激光点云数据，并进行了三维建模和危险点检测，达到了预期效果。无人机平台的低成本和LiDAR 轻量化设计，为无人机载LiDAR 在电力巡检应用的推广提供了参考依据。
参考文献：
[1]沈光陞，赵新波. 直升机电力巡线技术[J]. 电力建设，2018，29（10）：35-37.
[2]林韩，林朝辉，汤明文，等. 电力输电线路无人直升机巡视的应用[J]. 华东电力，2019，39（10）：1657-1660.
[3]阳锋，徐祖舰. 三维激光雷达技术在输电线路运行与维护的应用[J]. 南方电网技术，2019，3（2）：62-64.