三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路運(yùn)行與維護(hù)的應(yīng)用

宋 巍

國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司

三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路運(yùn)行與維護(hù)的應(yīng)用

宋 巍

國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司

長(zhǎng)期以來(lái)缺乏必要的獲取三維環(huán)境信息手段。多目計(jì)算機(jī)視覺(jué)在三維建模過(guò)程中，易受到光照、分辨率、焦距調(diào)節(jié)、關(guān)注點(diǎn)選擇等多種因素影響。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的激光雷達(dá)三維成像技術(shù)，能夠有效地解決視覺(jué)技術(shù)在獲得深度信息的難題。三維激光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段。利用激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行輸電線路的運(yùn)行維護(hù)和規(guī)劃設(shè)計(jì)，在國(guó)外已取得了很多的應(yīng)用，基于此，本文主要對(duì)三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路運(yùn)行與維護(hù)的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

三維激光雷達(dá)技術(shù)；輸電線路運(yùn)行；維護(hù)；應(yīng)用

1、前言

輸電線路的運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程中，為了滿足社會(huì)整體需求，應(yīng)提高輸電線路運(yùn)行和維護(hù)的安全性。而人工操作方式無(wú)法進(jìn)一步提高輸電線路的安全性。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，三維激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)得到很好的發(fā)展。三維激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)激光器向被探測(cè)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)過(guò)被探測(cè)目標(biāo)的反射或散射后，激光脈沖返回激光器，通過(guò)對(duì)返回激光脈沖進(jìn)行分析來(lái)探知被探測(cè)目標(biāo)。

2、三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路運(yùn)行與維護(hù)的應(yīng)用

2.1 線路走廊危險(xiǎn)地物的檢測(cè)

樹(shù)木是對(duì)線路安全影響最大的走廊地物之一，而且其數(shù)據(jù)采集、量測(cè)和管理比較困難。激光雷達(dá)通過(guò)多次回波技術(shù)穿透樹(shù)木，實(shí)現(xiàn)樹(shù)木下地面和樹(shù)木高度的測(cè)量，為線路走廊的樹(shù)木檢測(cè)和管理帶來(lái)可行、高效的手段。很多樹(shù)閃停電是通道外的樹(shù)木倒入通道內(nèi)造成，這就要求樹(shù)木在倒下的過(guò)程中，其最高點(diǎn)與邊導(dǎo)線還有一定的距離。這種要求不是簡(jiǎn)單的量測(cè)地物頂端到電線的距離，而要考慮樹(shù)木本身的高度、樹(shù)木的生長(zhǎng)和樹(shù)木倒塌壓到線路等因素，這對(duì)軟件檢測(cè)距離的算法提出不同要求?？紤]到樹(shù)木的生長(zhǎng)，就需要在樹(shù)木到線路的安全距離值上再設(shè)置一定的裕度，跟樹(shù)木生長(zhǎng)高度有關(guān)。關(guān)于樹(shù)木的生長(zhǎng)模型，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了研究，可作為裕度設(shè)置的參考。由于激光點(diǎn)云全部是離散的點(diǎn)，并沒(méi)有樹(shù)木的整體概念，所以可以假定每個(gè)樹(shù)木激光點(diǎn)都是一個(gè)樹(shù)的最高點(diǎn)，樹(shù)的高度是該點(diǎn)到地面的距離，人工設(shè)置樹(shù)干的半徑是樹(shù)高的百分之幾。樹(shù)倒下的圓弧中心點(diǎn)可以是該樹(shù)木激光點(diǎn)到地面的交點(diǎn)，也可是樹(shù)干靠近線的邊與地面的交點(diǎn)。

線路檢測(cè)時(shí)使用的距離，要根據(jù)最高氣溫情況或覆冰無(wú)風(fēng)情況求得的最大弧垂，以及最大風(fēng)速情況或覆冰情況求得的最大風(fēng)偏進(jìn)行計(jì)算，而利用激光點(diǎn)云擬合的導(dǎo)線懸鏈線模型只是激光數(shù)據(jù)采集瞬間的模型。因此，必須測(cè)量激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集瞬間的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度和氣壓、日照強(qiáng)度、線路的電流量等條件，以建立線路弧垂模型，進(jìn)而計(jì)算各種條件下的弧垂?fàn)顟B(tài)。找出導(dǎo)線與絕緣子之間的掛線點(diǎn)，并利用懸鏈線方程擬合導(dǎo)線弧垂，每根懸鏈線對(duì)應(yīng)一根導(dǎo)線。經(jīng)過(guò)這種處理后，可以很容易地量測(cè)和計(jì)算所有地物點(diǎn)到線路的距離。一旦某類別地物到電線的距離不符合要求，則自動(dòng)報(bào)警，并可輸出圖表，包括危險(xiǎn)點(diǎn)平斷面圖、危險(xiǎn)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，供運(yùn)維人員野外現(xiàn)場(chǎng)檢修參考。

2.2 線路走廊地形地貌變化檢測(cè)

在某些輸電線路走廊內(nèi)，由于地質(zhì)條件、風(fēng)化、水沖刷、以及道路、水利施工等因素，桿塔附近可能出現(xiàn)塌陷、滑坡、位移等現(xiàn)象，這對(duì)輸電線路的安全有極大的危害。基于激光雷達(dá)采集的高精度激光點(diǎn)云和高分辨率影像，可以比較準(zhǔn)確和直觀的反映這種地形地貌的變化，可盡早讓線路維護(hù)部門(mén)了解野外實(shí)際情況，制定維護(hù)保障計(jì)劃，并制定方案。輸電線路的增容分析為提高線路載流容量，一方面要考慮線路各種設(shè)施設(shè)備材料是否承受新荷載引起的溫度升高，一方面要考慮荷載提高后，線路弧垂增大而造成的線路對(duì)地距離是否滿足要求。利用激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)快速掃描并恢復(fù)線路走廊精確的地形地物三維空間位置，再利用計(jì)算機(jī)模擬提高荷載后的弧垂，進(jìn)行弧垂對(duì)地距離安全檢測(cè)，可以為提高電線載流容量提供依據(jù)。

2.3 輸電線路三維可視化管理

目前常用的三維數(shù)據(jù)采集手段包括人工測(cè)量、航空攝影測(cè)量和衛(wèi)星遙感。機(jī)載三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)是目前唯一可以同時(shí)準(zhǔn)確恢復(fù)線路三維走廊地形、地貌、地物、線路桿塔位置形狀、線路弧垂的快速測(cè)繪手段。

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像DOM?；贒EM和DOM，可以生成線路走廊三維地形、地貌?；诩す恻c(diǎn)云，可以對(duì)桿塔和導(dǎo)線等進(jìn)行三維建模，精確匹配實(shí)際坐標(biāo)。對(duì)于走廊地表附著物，如房屋、樹(shù)木等，也可直接用激光點(diǎn)云來(lái)表達(dá)，既能保證數(shù)據(jù)的精確性，又能減少數(shù)據(jù)處理的工作量。

2.4 輸電線路的增容分析

為提高線路載流容量，一方面要考慮線路各種設(shè)施設(shè)備材料是否承受新荷載引起的溫度升高，一方面要考慮荷載提高后，線路弧垂增大而造成的線路對(duì)地距離是否滿足要求。利用激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)快速掃描并恢復(fù)線路走廊精確的地形地物三維空間位置，再利用計(jì)算機(jī)模擬提高荷載后的弧垂，進(jìn)行弧垂對(duì)地距離安全檢測(cè)，可以為提高電線載流容量提供依據(jù)。

目前，很多設(shè)備廠商開(kāi)發(fā)了輸電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以對(duì)線路上的微氣象條件(日照、風(fēng)速、環(huán)境溫度等)、導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線弧垂等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算。激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可以在不突破導(dǎo)線最高允許溫度和安全距離的前提下，充分發(fā)揮輸電線路潛在的輸送容量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)增容。

2.5 樹(shù)木砍伐評(píng)估和管理

電力路線穿越林地時(shí)，需要評(píng)估被穿越樹(shù)林的面積、高度、體積，以評(píng)估建設(shè)成本。對(duì)于已建成線路，得到通道內(nèi)樹(shù)木空間信息后，如果知道通道內(nèi)主要樹(shù)種的年自然生長(zhǎng)率，可以計(jì)算最佳剪伐量。目前，常規(guī)的遙感影像處理可以獲取林地的面積，但很難獲得高度和體積。通過(guò)激光點(diǎn)云，可以獲取林地空間結(jié)構(gòu)信息，包括樹(shù)高和樹(shù)冠等幾何特征。通過(guò)同步獲取的多光譜CCD影像和回波強(qiáng)度信息(一般在近紅外波段)，可獲得測(cè)區(qū)突變線信息、紋理信息和光譜信息，進(jìn)而獲得樹(shù)木面狀覆蓋狀況。

3、結(jié)語(yǔ)

總之，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明：三維激光雷達(dá)技術(shù)，用于輸電線路等電網(wǎng)工程運(yùn)行與維護(hù)具有創(chuàng)新性和代表性。隨著三維激光雷達(dá)技術(shù)與相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步融合，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，三維智能數(shù)字電網(wǎng)將真正成為可能。

[1]陽(yáng)鋒，徐祖艦.三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路運(yùn)行與維護(hù)的應(yīng)用[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，38(02)：156-158.