回顾“十五”期间, 国家电网公司新增220kV及以上线路5.9万公里, 变电容量2.9亿千伏安。国家电网已形成东北~华北~华中交流联网, 以及与华东、西北和南方的直流联网, 全国联网格局基本形成。国家电网公司将新增330kV及以上输电线路6万千米、变电容量3亿千伏安, 投资9000亿元左右。电网建设已经在一个高速发展的时期, 在未来的数年将新建更多的输电线路, 这将会在电力线维护这一领域产生一个巨大的商机。电网涉及到国家安全, 现阶段国内电力线巡线都采用人工巡线的方式, 这样消耗大量的人力和财力。国外发达国家的电力线巡线基本上采用了机载激光雷达技术, 激光雷达在线路维护上的优势明显, 其多次回波的特性可以再现出高压线周围的地物, 为获取高压线安全信息提供数据基础。这里我们通过试验来进行机载激光雷达用于电力线维护的可行性研究。
本次试验是对北京昌平地区做一段3km长550kV高压线的带状航飞扫描, 试验区的地形为平地, 高压线下有植被、房屋。
加拿大OPTECH公司的ALTM3100包含激光传感器、Applanix公司的惯性导航系统、差分GPS。主要的软件包括:ALTM-NAV飞行管理系统、REALM数据处理软件、ZinView快速数据检测软件, 主要技术参数见表1。
飞行前在检校场进行POS系统的纠正, 这种飞行检校每次都要做, 相当于对陀螺仪的一个初始化。扫描频率设定为10kHz, 运载平台为运五型运输机。试验季节为冬季, 设备工作环境温度是零下8℃, 导入设定好的航线设计信息。本次航飞一架次成功, 航高800m, 航速160km/h。数据导出后, 沿扫描方向点云间距为0.1m航向点云间距为0.6m, 电力线检测对点密度要求较高。
由于机载激光雷达点云数据的数据源一般都是由设备直接提供, 其精度只能有一个理论参考, 什么水平精度在什么范围内, 垂直精度依据飞行海拔高度怎么变化。这些精度问题在检校后基本上都由POS引起, 虽然在后续点云的处理中可以用平差来改善, 但多多少少还是会带有误差, 无法全部消除。还有一个原因会造成电力线点云偏移的比较厉害, 由于一个反射对象的位置常常定义在光斑的中心。如果一个高反射率的地物在光斑的边缘, 这时这个高反射率地物的位置就发生了偏移, 像高压线这种金属材质其反射率就很高, 但这种偏移不会很大, 因为一般在采集高压线点云的时候飞行高度不会很高, 所以打在地物上的光斑不会很大。从理论上来说, 通过处理机载激光雷达波形数据可以提高点云数据精度。
TerraSolid系列软件是第一套商业化Lidar数据处理软件, 基于Microstation开发的, 运行于Micorstation系统之上, 因此需要熟悉Microstation操作的用户才能很好的使用它。它包括:TerraMatch能当作激光扫描仪校正工具来用或者当作一个数据质量改正工具;TerraScan用来处理Lidar点数据的软件;TerraModeler建立地表模型软件;TerraPhoto专门用于对Lidar系统飞行时产生的影像做正射纠正并生成正摄影像。
TerraScan有很多工具专门用于电力线处理, 这些工具包括:分类、失量化、报告工具。
6.1 导入采集到的原始激光点云
6.2 放塔线
放塔线是人工在塔与塔之间放一条近似的中心线, 在后处理阶段将要使用这条塔线, 塔线是一个沿着每一个塔的顶部连接的线串。
6.2.1 准备塔线的位置
分类所有的点为四大类:地表类、低矮植被类 (2m以下) 、高的植被、高压线类, 这些分出来的高压线点可能也包含撞击在树上或建筑物的点。这里需要强调的是分类地表是其它分类的基础, 所以高质量的地表分类非常重要。去除其它点仅仅保留地表点的过程叫做滤波, 由于点云数据的关键信息在于其坐标 (x, y, z) , 但现在还没有任何一个滤波算法能高精度地完全去除其它点保留地表点, 所以这一步可能需要大量的人工交互方式。在得到高质量的地表分类点后, 高压线条带的点云层次较明确这样就可依据地表以上不同高度来分出其它类别。图1为分类得到的结果图。
为了更好的描述高压线, 只显示分出来的高压线类。
放大点云数据直到能清楚地看到一个塔和描述高压线走向的一些高压线点。
6.2.2 应用软件的放塔线工具
选择放置塔线工具按钮。
通过观察塔的剖面图和正摄图来调节塔线的放置点, 如果放置点在塔的顶端就加入一个塔线点, 依次下来直到完成所有塔线点的放置, 由这些点连成的线就是塔线 (如图2) 。
6.3 检测线
这个步骤将查找打在高压线上的激光点云并依据这些点生成一段高压线, 这里控制线检测最重要的参数是最大间隔设置, 它定义打在线上的连续激光点之间的最大间隔, 小于这个间隔的就可以接受为一条线上的点云。经试验用一个很大的间隔来检测整个数据是不合理的, 这样会找到很多错误的点。首先应该用较小的最大间隔来检测, 这时在那些打在线上点很少的地方就用一个稍微大的最大间隔来检测。
选择一条塔线;打开检测线对话框, 把检测出来打在电力线上的点分类为高压线类;沿着高压线类的点云自动产生一条悬链线。
如果在上一步检测线失败了, 放置悬链线工具可以让用户在两个塔之间放置单个悬链线, 这里可以通过鼠标沿着电力线点击五个点, 第一个点是这段电力线的起始点, 中间三个点用来拟合这段电力线, 最后一个点是这段电力线的末端。在点击点的时候, 系统会自动查找最近的激光点云, 同时系统也会通过点击的中间那三个点得到一个大致曲线并查找曲线一定范围内的点, 用这些点最小二乘得到最佳的高压线曲线。
因为每一条悬链线在放置的时候都是依据塔与塔之间的激光点来计算的, 由于点云数据的误差在两条悬链线的交接处可能无法很好的连接上, 所以就需要在每一个塔位检测悬链线末端之间的间隔并把它们连接起来。依据塔的点云轮廓手动安置高压线塔, 然后挪动、旋转、放塔臂、调整塔臂、放垂瓶、调整垂瓶, 图3为完成所有悬链线和高压线塔建模的最终结果。
标记悬链线的高度可以标记出从悬链线到其它类别点云的最小高度, 它查找所有距离悬链线一定范围内的点, 然后标记出点到悬链线的最小高差。图4为最低的一条高压线到植被类点云的最小高差。
从矢量悬链线开始查找一定三维距离范围内的激光点, 在这个距离里的点就定义为危险点, 并产生一个危险点的列表, 通过在列表里的操作可以标记出危险点的位置和点到高压线的距离。
线与线的间距是高压线安全非常关注的问题, 这里可以通过连续断面功能垂直于高压线自动切取断面, 如果发现线与线的间距发生异常就使用测距工具测得这个断面内两条高压线的间距。
机载激光雷达用于电力勘测的趋势已无法阻挡, 就像以前航测用于电力勘测一样其将经历一个从认识到应用的过程。现在国内拥有的机载激光雷达不到10台, 每台仪器只配备一套TerraSolid软件。激光雷达的数据特点就是数据量很大, 国外的软件价格昂贵, 国内武汉大学已经开始研发“机载激光数据雷达处理软件平台”。对于生产单位来说, 机载激光雷达用于电力线路工程、电网维护优势明显, 电力设计部门完全有条件建立全国性的数据处理中心来应对未来激光雷达大数据量处理的市场。本文成功地验证了机载激光雷达用于电网维护的可行性和优势。
摘要：电力线走廊经常在一些不易接近的地区, 这就导致了这些走廊很难去测量, 但是在机载平台上操作的LIDAR (Light Detection and Ranging) 已经成为一个广泛接受的技术用于测量、成图和监控新老电力线走廊。这次测量任务的目的是采集精确的电力线位置数据, 这些数据可描述悬链线并计算悬链线到植被的净空。这次测量任务还论证了激光雷达在电力线维护中的可行性和低成本。
关键词：激光雷达,电力线,维护
[1] 郑小兵, 全晓萍, 等.机载激光测量系统在晋东南至南阳特高压工程中的试验[J].电力勘测设计, 2007 (2) .
[2] 王晓辉, 胡伍生, 刘行波.LIDAR系统测量成果精度检测[J].测绘工程, 2007 (3) .
推荐阅读：
机载天线结构设计研究论文06-04
激光原理考点总结06-12
激光原理与技术教案09-15
激光原理试卷a及答案06-15
小议激光加工技术的课程设置论文05-28
关于激光原理与技术课程教学的几点思考09-20
