输电线路激光扫描技术应用

王 宁 孙鸿博 张嘉琳 胡 伟 李致东 田茂杰

（国网通用航空有限公司，北京 102200）

0 引言

随着“十三五”规划的落实，输电线路的建设经历了高速发展的过程，对庞大的输电线路网络进行管理，使电网高质量、安全地运转，尤为重要。输电线路是电力系统的重要组成部分，必须保障输电线路特别是特高压线路建设和运行的安全稳定，确保电网安全。由于输电线路分布点多面广、错综复杂、途径环境差异大、数量逐年增长，传统的工作模式难以满足现实需求，存在视野盲区、到位空白区、认知判断误区等缺陷，且往往受限于设备精度及人为误差等因素，获取的输电线路现场数据利用率低，无法实现资源优化配置[1]。采用三维激光扫描技术，可以大面积、高分辨率、快速地获取被测对象数字地面模型与空间三维坐标信息，为建立输电线路通道三维数字模型提供强大的技术支持[2-3]。

1 基本原理

机载激光雷达是一种基于机载平台主动获取地物三维空间坐标的测量技术。激光雷达系统主要由激光测距系统、POS系统（动态差分GPS、惯性测量装置IMU）、数码相机、控制系统等4部分组成[5]。激光测距系统根据激光信号发射点到地表激光点之间的距离进行测距；动态差分GPS用于确定激光发射点的空间位置；PPS系统中惯性测量装置 IM测定激光扫描系统的空间位置和姿态信息；数码相机用来获取数码彩色影像照片[4-6]。激光器发射高频的激光脉冲，并记录发射和接受的时间间隔，可以计算出激光器与地面物体点的空间距离，再结合POS系统中的空间位置及姿态信息，即可准确计算出激光点的三维坐标信息[6]。测量原理公式如下。若空间有一向量，其模为R，方向为（φ，ω，k），其起点坐标已知为（X0，Y0，Z0）可以唯一确定，那么空间点位置信息Xs、Ys、Zs如公式（1）所示。

其中，起点利用POS系统中动态差分GPS值来确定，向量R的模利用测距仪测定，姿态（φ，ω，k）利用POS系统中IMU测定。

2 主要应用领域

2.1 输电线路数字电网建设

激光扫描采集设备下方一定宽度的点云和影像数据，其中激光点云数据相互之间呈现离散和非连续的关系，所包括信息复杂繁多。数据处理过程首先按照分类标准规范将原始激光点云数据和影像数据进行定位、定向、校准和坐标转换。再将地面和非地面激光点云进行分类，从原始点云数据中提取出高精度、高密度的地面点、植被点、建筑点、杆塔点、输电线路点、交叉跨越点等信息[7]。根据得到的地面点信息生成高质量的数字高程模型（DEM），根据航拍影像制作高精度的正射影像DOM。将精细分类点云数据、高精度的DEM、DOM数据按照一定的数据格式进行切片，进行输电线路数字电网建设。

激光数据在处理后可以清晰地分辨出杆塔，导线、植被、公路等基本要素，利用精细分类后的点云数据、提取地面点点云生成的DEM，并参考数据采集时同步的正射影像数据进行空间校准。基于三维激光扫描数据处理成果，利用三维可视化技术，通过匹配、融合线路走廊高清地形、高清影像及激光点云数据，形成导线、杆塔、植被等分类对象空间图层信息，如图1所示，真实再现输电线路三维场景，为输电线路运维提供技术保障。

在输电线路的运行中，自然灾害往往会对线路的安全运行造成毁灭性的伤害，导致巨大的经济损失，但对这种极端情况，如山洪、地震、地下采空区及高海拔地区冻土层冷胀等自然灾害监测困难。因此线路周围三维地理信息的建设和灾情信息的评估显得尤为重要。激光扫描成果中的高精度点云、数字高程模型和正射影像组成运行线路周围精确的真实空间地理信息系统，结合线路所在区域的地质环境、气候等因素，建设线路运行区段中自然灾害信息数据库，同时对可能受到灾害的类型及受灾概率大小进行评估。

我国降水活动相对比较集中，特别是长江中下游流域及南方经济发达地区易遭受涝灾害。基于激光扫描技术得到的数字地理信息，在易发生洪涝灾害的区域根据降雨量情况及时模拟分析洪水上涨情况、淹没区最高点的位置，判断对上方输电线路的影响。

2.2 输电线路复杂工况下隐患预警预测

当输电线路周围的自然环境显著变化时，常常会造成输电线路跳闸，但此时的天气状况往往会给事故的排查与检修工作带来困难[5]。在线路的运行中导线的弧垂悬链线形态呈现动态变化，往往受风向、气温、湿度、导线负荷量等因素的影响，为进行输电线路安全性能实时评估，发挥输电线路应急处置指导作用，需要模拟不同气象条件下的导线弧垂变化，通过在拟合算法中加入风速、温度、覆冰等因子，确定瞬时工况下应力参数，开展不同运行工况的模拟分析工作[1]。

2.2.1 导线温度与应力的计算

架空线路导线受温度和荷载发生变化时，水平应力σ0和弧垂f随之发生变化。首先需要确定导线状态方程，即导线内的水平应力随气象条件的变化规律。其到状态方程如下。

式中：gm为初始气象条件下的比载，N/m·mm2；gn为待求气象条件下的比载，N/m·mm2；tm为初始气象条件下的温度，℃；tn为待求气象条件下的温度，℃；σm为在温度tm和比载gm时的应力，MPa；σn为在温度tn和比载gn时的应力，MPa；α为线温度线膨胀系数，1/℃；E为导线的弹性系数，MPa；φ为导线悬挂点高差角；l为档距，m。

2.2.2 导线负荷与温升的计算

根据热平衡原理，架空导线吸收的热量应等于散发的热量，即导线上电流产生的热量加上日照吸收的热量等于辐射散发的热量加上对流散发的热量。

式中：WR为导线辐射散热功率；WF为导线对流散热功率；WS为导线日照吸热功率；Rt为导线电阻。

由三维点云数据得到的导线瞬时状态模型，再根据状态方程确定高温工况下导线应力及悬链线方程，从而实现在该环境温度下通道环境危险隐患的预警预测。

2.2.3 输电线路大风工况模拟分析

在输电线路的运行过程中导线风偏（弧垂、舞动）同样是威胁安全运行的重要因素。

2.2.3.1 导线风偏角计算

式中：g1—架空线的自重力比载，N/m·mm2（或 MPa/m）；g4—架空线的风力比载，N/m·mm2（或 MPa/m） 。

2.2.3.2 绝缘子风偏角

式中：pj为绝缘子串风压，kN；pd为导线风荷载标准值，kN；lh为水平档距，m；Gj为绝缘子串垂重量，kN；wd为导线重，kN；lv为垂直档距，m。

基于激光点云搭建的三维可视化系统，可以根据风向及最大风速等环境因素，利用如上所示的风偏模型对线路进行风偏模拟分析。分析不同运行环境下的风偏角的大小，将由架空线路导线弧垂决定的绝缘子的空间位置信息标注在三维系统中，设置导线风偏的阈值，对超出极限值的位置发出预警信息，进而预测风偏对导线的影响。

以激光扫描技术为核心的通道隐患预警预测显著提升了大电网运维管控水平。推动电网的运维管理向数字化、可视化、智能化、精细化的方向发展。

2.3 输电线路无人机自主巡检路径规划

激光雷达采集的点云数据中包括着空间物体的位置信息，利用这些位置信息可以进行无人机自主巡检航线规划。无人机以悬停到杆塔目标位置的方式对杆塔本体及附属设施进行图像获取，根据拍摄照片信息进行缺陷判断。传统的无人机航线规划需要大量的人机交互，人工在点云上选取塔头、塔身、塔基、导地线、绝缘子串、金具等杆塔部件及其挂点等关键部位。该方法大大增加了无人机巡检的工作量。促进了计算机视觉技术尤其是深度学习技术的蓬勃发展，为基于无人机自主航线规划提供了有效的理论基础。PointNet++深度学习网络可以对点云进行直接处理，利用点云数据的局部和全局特性，具有较好的鲁棒性。

输电线路已分类的海量激光点云为PointNet++提供了丰富的样本，可以利用图2所示的方法进行无人机航线点提取。首先在激光点云中进行拍照点样本标注，然后将样本输入PointNet++网络中进行特征提取和学习，待PointNet++网络训练结束后，即可将需要作业区域的激光点云数据放入已训练的网络中进行拍照点提取。提取拍照点后对其进行编号，确定拍照点的无人机巡检次序。

图2 基于PointNet++的航线提取框架

无人机航巡须在距电力线、杆塔的安全距离范围内进行作业，基于Dubins方法的无人机避撞路径规划方法，综合考虑了无人机自身的机动能力，防止无人机与输电线路相撞造成作业事故。Dubins方法的防撞规划模式为无人机从起始点出发，通过路径规划寻找避撞路线，并按照规划路径飞行避开障碍物，安全到达目标点。

设无人机起始点坐标ps为（xs，ys），目标点坐标为pf（xf，yf），起始航向为γs，目标点驶出航向为γf，障碍物中心点坐标Oz为（xz，yz）。障碍物中心点到最大凸出点的距离为R，威胁判定区域设定为以Oz为圆心并以R为半径的圆，设无人机初始航向为由起始点指向目标点的方向，避过障碍物到达目标点后的最终驶出航向保持为原航向，则航向如式（6）所示[8]。

对单基杆塔的无人机自主巡检，将拍照点之间存在的绝缘子、导地线等作为障碍物，利用Dubins方法规划2个拍照点之间的巡检路径，直至完成单基杆塔无人机自主巡检路径的规划[9]。

在确定每个杆塔的无人机巡检路径后，只须对每杆塔设置适当的悬停点，通过连接悬停点即可实现航迹拼接，从而实现当前输电线路下无人机的自主巡检路径规划。最后选取已规划好的航线进行复核，对漏提取或者误提取的情况进行修正。这样就完成整个无人机航线规划的流程，大大节约了航线规划的时间。

2.4 三维场景下的设备检修及带电作业应用

在输电线路的检修过程中往往是根据设计图纸或现场勘测制定作业方案，受限二维简化图纸精度问题，有的场景无法进行三维量测，影响作业方案的准确性。随着激光雷达技术在输电线路巡检方面的应用，可以利用高精度三维激光点云数据来帮助制定设备检修、带电作业方案。

利用激光点云数据还原的作业现场的高精度三维真实环境，模拟作业全过程中人员的位置及活动半径，利用八叉树的最近点搜索算法进行全过程组合间隙安全距离计算，分析作业人员作业过程中的安全距离，限定作业人员活动范围，确保作业安全。

3 结论

激光扫描技术具有空间分析和三维量测准确、快捷的优点，在输电线路全流程中均具有显著作用。该文总结了激光扫描技术在输电线路数字电网、灾害预警、无人机自主巡检及设备检修和带电作业中的应用，极大地降低了输电线路各部门的劳动强度，同时随着技术的深入应用减少了工作时间，提高了工作效率。

利用激光扫描技术的成果建立真实三维数据模型，实现了各种应用的集成化、信息化和可视化管理。随着数据计算能力的提升和人工智能的发展，激光扫描技术因其突出的技术优势必将在输电线路各项工作中发挥越来越重要的作用。