无人机激光雷达系统在线路勘测中的应用

丘 丹，朱伟鑫，何卓阳，阮永洪，谢争云，廖子毅，李遴钰

(广东电网能源发展有限公司，广东 广州 510000)

0 引言

近年来无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)技术发展迅速，其凭借高度的灵活性和相对低廉的数据获取成本，被广泛应用于输电线路领域；而激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)技术以作业场景大、空间数据获取速度快、自动化程度高、精度高、数据量大、时效性好、通用性强等特点著称，目前激光在信息领域的应用技术已经发展出激光成像、测距、传感、探测、通信、信息处理、显示、存储等多个方向，对推动国家信息化、电力行业等民生及国家重大战略安全领域做出了巨大贡献。

在此基础上，针对特殊地形、交叉跨越情况复杂的输电架空线路工程项目中人工勘测准确度低的问题，提出了引入UAV LiDAR系统进行勘测。首先利用搭载激光雷达系统的无人机对目标线行通道进行巡视，采集数据，形成三维模型；然后利用三维模型对施工关键点进行多维度测量、定量分析，包括树障点云的全自动快速分类，还原植被下地表的地形地貌，获得交叉跨越距离、长度、角度准确数据等，提高了地理空间三维信息数据的获取精度和处理效率，有助于全面了解现场情况，便于项目安全、可靠实施，验证UAV LiDAR系统在输电线路现场勘测中的优势。

1 人工勘测与UAV LiDAR系统勘测能力对比

以某地区220 kV某线路技改工程为例，结合工程数据讨论分析UAV LiDAR系统在输电线路跨铁路架线施工中的应用。涉及该线路原n—(n+1)档跨越铁路电力线路10 kV自闭线，施工区段地形主要以丘陵和山地为主，其中丘陵约占70 %，山地约占30 %；沿线山地以经济林为主，生长桉树、松杂树、藤蔓、蕨类等原生性亚热带常绿阔叶林种。

1.1 人工勘测情况

该区段位于山谷地带，道路交通十分不便。n—(n+1)档跨越铁路电力线路10 kV自闭线z—(z+1)杆，跨越处地势较低，植被十分丰富且高大，种植有较多桉树，高约20～30 m，无法看清沿线交叉跨越情况，容易遗漏部分跨越物。

n—(n+1)档与铁路交叉跨越情况见表1。因树障影响视线，无法利用经纬仪、全站仪进行数据测量，只能定性、模糊处理。若必须使用经纬仪、全站仪测量，则需砍伐林道，疏通视线，但邻近电力线路砍树存在触电、火灾风险，树木倾倒失控造成人员伤亡等风险，且需要耗费大量人力。在植被茂密的山区巡察，还存在蚊蛇蚁兽伤害等风险。

表1 n—(n+1)档与铁路交叉跨越情况

通过现场初步勘察，发现原n—(n+1)档(跨越铁路10 kV自闭线)地处山地，地形条件较差，植被十分丰富且高大，对视线通畅造成困扰，仅靠传统的人工现场勘察，难以全面、精确了解现场情况，无法制定周全的施工方案。

1.2 UAV LiDAR系统引入现场勘测

引入UAV LiDAR系统对线行通道展开巡视，原n—(n+1)档跨越铁路10 kV自闭线。结合相应软件系统，生成现场三维模型，精准测出交叉跨越物间的最小距离、交跨长度等数据。该项目所使用的激光雷达发射的脉冲穿透性强，可穿透树木植被扫描到地表数据，并可根据激光脉冲强度精准分类出植被及地表，还原植被下地表的地形地貌。实践表明，结合前期UAV LiDAR系统现场勘测结果及后期数据处理分析，获得较为全面、准确的现场勘察信息，有利于制定可行性、安全性更高的施工方案，确保作业项目高质量开展。

2 工程论证及方案制定

2.1 搭设跨越架保护措施

人工现场初步勘察时，拟采用搭设跨越架作为保护措施，经过UAV LiDAR系统数据分析，认为该方案不可行。原因如下：

(1) 某10 kV自闭线对地距离偏高，最高达25.28 m。对照上述分析结果，发现交叉跨越段10 kV自闭线对地距离普遍较高（16.31～25.28 m），超出普通跨越架搭设高度，存在较大安全风险，并需要组织专家论证可行性。

(2) 去除植被后地形地质情况显示，该区域地形高低不平，坑洼较多，跨越架生根困难，稳定性较差，安全无法保障。若搭设跨越架，需大面积砍伐林木，无法获得林业部门批准，且邻近带电线路容易发生火灾、压断导线等事故。

2.2 改造跨越处10 kV自闭线两基直线水泥杆

人工现场初步勘察时，拟采用将跨越处10 kV自闭线两基直线水泥杆改造为耐张段的施工方法，经与产权单位铁路局沟通协调后，确认该方案不可行，原因是铁路局不同意改变线路的电气结构。

2.3 跨越处10 kV自闭线耐张段停电降线

通过UAV LiDAR系统了解到，该跨越处10 kV自闭线耐张段共3档，约1.1 km，测量出220 kV某线路对10 kV自闭线交跨距离。距121号塔475.562 m处，220 kV某线路对10 kV自闭线净空距离最小(14.65 m)。因此，在不改变线路电气结构的前提下，申请10 kV线路停电降线，成功配合了220 kV某线路拆旧线施工。

基于UAV LiDAR系统测得的数据信息，对上述三种方案进行对比分析，论证结果是第三种方案可行性高，依据方案对跨越处10 kV自闭线耐张段停电降线，成功拆除了220 kV某线路原n—(n+1)档旧线行（跨越铁路电力线路10 kV自闭线z—(z+1)杆）。该次项目的成功开展，得益于UAV LiDAR 系统在现场勘察中所发挥的准确性、全面性、实用性等优势，是UAV LiDAR系统在输电架空线路中的成功应用。

3 人工勘测与UAV LiDAR系统勘测对比

以该项目220 kV某线路技改工程为例，分析传统人工勘测和利用UAV LiDAR系统勘测这两种方式的优劣。

3.1 传统人工勘测方式

(1) 优点：能够直观了解后期交通运输、青赔协调等事宜，也便于联系沿线的交通运输部门、跨越物产权单位、村民等，此方式在施工现场普遍使用，是施工准备阶段必不可少的一道基本工序。

(2) 缺点：人工爬山，存在蚊虫蛇蚁叮咬的风险；必须到达铁塔桩位才能开展勘测作业，遇恶劣天气时，存在道路塌方、倒塌风险，安全性较低；人员配置较多，至少两人结伴出行，路上耗费时间太多；对某些处于高山密林的铁塔桩位，甚至数次绕道依然无法抵达铁塔桩位。人的视线有限，易受林木、山坡阻挡，导致无法使用经纬仪、全站仪等常用测量工器具，仅依靠人的感官进行判断，易受天气、个人定势思维的影响无法得出较准确的结果，甚至得出错误结论，准确性较低。

仅人工勘测的单次费用而言，成本较低，但考虑到无法得到准确的数据，需多次勘察以致效率低下影响施工进度，不适宜单独采用。

3.2 UAV LiDAR系统勘测方式

(1) 优点：勘察人员无需抵达塔位、交跨处，省去了翻山越岭的辛苦和危险，安全性高；UAV LiDAR系统巡视速度可达20 km/h，30 min内可完成对特定塔段的勘察，效率高；可定量得出准确的数据，更全面了解地形地貌、跨越物等，准确度高。

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(2) 缺点：需要使用专业设备(搭载激光雷达系统的无人机以及专业的数据分析软件)，需要专业人员配合开展数据处理和分析，单次使用费用较高；仅靠UAV LiDAR系统进行现场勘测，难以全面了解评估交通运输和青赔协调情况，不利于后期开展施工。

目前，传统人工勘测方式仍然是最普及、最简单的一种方式。有条件的情况下，针对特殊地形、恶劣环境，可有效利用UAV LiDAR系统实施勘测。两种方式有机结合，能够更加全面、直观、准确地了解项目，同时有利于制定更加安全、可靠的施工方案。