三维激光雷达技术在输电线路运行与维护的应用

宋 巍

国网辽宁省电力有限公司检修分公司

三维激光雷达技术在输电线路运行与维护的应用

宋 巍

国网辽宁省电力有限公司检修分公司

长期以来缺乏必要的获取三维环境信息手段。多目计算机视觉在三维建模过程中，易受到光照、分辨率、焦距调节、关注点选择等多种因素影响。近年来发展起来的激光雷达三维成像技术，能够有效地解决视觉技术在获得深度信息的难题。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。利用激光雷达测量系统进行输电线路的运行维护和规划设计，在国外已取得了很多的应用，基于此，本文主要对三维激光雷达技术在输电线路运行与维护的应用进行分析探讨。

三维激光雷达技术；输电线路运行；维护；应用

1、前言

输电线路的运行和维护过程中，为了满足社会整体需求，应提高输电线路运行和维护的安全性。而人工操作方式无法进一步提高输电线路的安全性。随着科学技术的快速发展，三维激光雷达测量技术得到很好的发展。三维激光雷达系统通过激光器向被探测目标发射激光脉冲，经过被探测目标的反射或散射后，激光脉冲返回激光器，通过对返回激光脉冲进行分析来探知被探测目标。

2、三维激光雷达技术在输电线路运行与维护的应用

2.1 线路走廊危险地物的检测

树木是对线路安全影响最大的走廊地物之一，而且其数据采集、量测和管理比较困难。激光雷达通过多次回波技术穿透树木，实现树木下地面和树木高度的测量，为线路走廊的树木检测和管理带来可行、高效的手段。很多树闪停电是通道外的树木倒入通道内造成，这就要求树木在倒下的过程中，其最高点与边导线还有一定的距离。这种要求不是简单的量测地物顶端到电线的距离，而要考虑树木本身的高度、树木的生长和树木倒塌压到线路等因素，这对软件检测距离的算法提出不同要求。考虑到树木的生长，就需要在树木到线路的安全距离值上再设置一定的裕度，跟树木生长高度有关。关于树木的生长模型，国内外不少学者已经进行了研究，可作为裕度设置的参考。由于激光点云全部是离散的点，并没有树木的整体概念，所以可以假定每个树木激光点都是一个树的最高点，树的高度是该点到地面的距离，人工设置树干的半径是树高的百分之几。树倒下的圆弧中心点可以是该树木激光点到地面的交点，也可是树干靠近线的边与地面的交点。

线路检测时使用的距离，要根据最高气温情况或覆冰无风情况求得的最大弧垂，以及最大风速情况或覆冰情况求得的最大风偏进行计算，而利用激光点云拟合的导线悬链线模型只是激光数据采集瞬间的模型。因此，必须测量激光雷达数据采集瞬间的温度、风速、风向、湿度和气压、日照强度、线路的电流量等条件，以建立线路弧垂模型，进而计算各种条件下的弧垂状态。找出导线与绝缘子之间的挂线点，并利用悬链线方程拟合导线弧垂，每根悬链线对应一根导线。经过这种处理后，可以很容易地量测和计算所有地物点到线路的距离。一旦某类别地物到电线的距离不符合要求，则自动报警，并可输出图表，包括危险点平断面图、危险点统计报表等，供运维人员野外现场检修参考。

2.2 线路走廊地形地貌变化检测

在某些输电线路走廊内，由于地质条件、风化、水冲刷、以及道路、水利施工等因素，杆塔附近可能出现塌陷、滑坡、位移等现象，这对输电线路的安全有极大的危害。基于激光雷达采集的高精度激光点云和高分辨率影像，可以比较准确和直观的反映这种地形地貌的变化，可尽早让线路维护部门了解野外实际情况，制定维护保障计划，并制定方案。输电线路的增容分析为提高线路载流容量，一方面要考虑线路各种设施设备材料是否承受新荷载引起的温度升高，一方面要考虑荷载提高后，线路弧垂增大而造成的线路对地距离是否满足要求。利用激光雷达测量技术快速扫描并恢复线路走廊精确的地形地物三维空间位置，再利用计算机模拟提高荷载后的弧垂，进行弧垂对地距离安全检测，可以为提高电线载流容量提供依据。

2.3 输电线路三维可视化管理

目前常用的三维数据采集手段包括人工测量、航空摄影测量和卫星遥感。机载三维激光雷达测量系统是目前唯一可以同时准确恢复线路三维走廊地形、地貌、地物、线路杆塔位置形状、线路弧垂的快速测绘手段。

激光雷达数据经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数字高程模型DEM、数字正射影像DOM。基于DEM和DOM，可以生成线路走廊三维地形、地貌。基于激光点云，可以对杆塔和导线等进行三维建模，精确匹配实际坐标。对于走廊地表附着物，如房屋、树木等，也可直接用激光点云来表达，既能保证数据的精确性，又能减少数据处理的工作量。

2.4 输电线路的增容分析

为提高线路载流容量，一方面要考虑线路各种设施设备材料是否承受新荷载引起的温度升高，一方面要考虑荷载提高后，线路弧垂增大而造成的线路对地距离是否满足要求。利用激光雷达测量技术快速扫描并恢复线路走廊精确的地形地物三维空间位置，再利用计算机模拟提高荷载后的弧垂，进行弧垂对地距离安全检测，可以为提高电线载流容量提供依据。

目前，很多设备厂商开发了输电线路在线监测设备，可以对线路上的微气象条件(日照、风速、环境温度等)、导线温度、导线弧垂等进行实时监测和计算。激光雷达测量技术与在线监测技术相结合，可以在不突破导线最高允许温度和安全距离的前提下，充分发挥输电线路潜在的输送容量，进一步实现动态增容。

2.5 树木砍伐评估和管理

电力路线穿越林地时，需要评估被穿越树林的面积、高度、体积，以评估建设成本。对于已建成线路，得到通道内树木空间信息后，如果知道通道内主要树种的年自然生长率，可以计算最佳剪伐量。目前，常规的遥感影像处理可以获取林地的面积，但很难获得高度和体积。通过激光点云，可以获取林地空间结构信息，包括树高和树冠等几何特征。通过同步获取的多光谱CCD影像和回波强度信息(一般在近红外波段)，可获得测区突变线信息、纹理信息和光谱信息，进而获得树木面状覆盖状况。

3、结语

总之，经过实践证明：三维激光雷达技术，用于输电线路等电网工程运行与维护具有创新性和代表性。随着三维激光雷达技术与相关技术的进一步融合，将会对电网工程的设计运营产生深远影响，三维智能数字电网将真正成为可能。

[1]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，2009，38(02)：156-158.