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无人机机载激光雷达在电力巡检及林业调查中的关键技术探讨

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：黄荣

[导读] 摘要：无人机机载激光雷达在电力巡检中有效弥补了人工巡线的一些不足和难点，使得电力线路安全巡检的质量和效率得到极大提高，在林业调查中有效解决了时间长、效率低、费用高、数据密度低、可靠性不高的传统获取空间数字信息的方式。

        广西景航无人机有限公司 530012
        摘要：无人机机载激光雷达在电力巡检中有效弥补了人工巡线的一些不足和难点，使得电力线路安全巡检的质量和效率得到极大提高，在林业调查中有效解决了时间长、效率低、费用高、数据密度低、可靠性不高的传统获取空间数字信息的方式。本文针对现阶段无人机机载激光雷达在电力巡检及林业调查中的应用情况，就一些常见技术问题进行分析探讨。
        关键词：机载激光雷达；电力巡检；林业调查；技术
        我国输电线路环境复杂恶劣，电力线断股、异物悬挂、绝缘子磨损、螺帽及螺栓松动等问题层出不穷，因此，加强电力线路的安全巡检，及时、有效地排除隐患故障，是维护区域电网安全、稳定、高效运行的重要保证。随着社会经济的不断发展，空间信息应用领域也在不断的扩大，各行各业对数据精度的要求达到越来越严苛的程度，对获取空间信息的准确性和速度也提出了更高的要求。现本文结合实践工作经验，就无人机机载激光雷达在电力巡检及林业调查中的关键技术探讨一些关键技术进行分析探讨，以供参考。
        1当前常用无人机机载激光雷达系统及基本技术需求
        机载激光雷达是指由飞行器（无人机、直升机、无人飞艇、动力三角翼等）搭载的激光雷达对地测量系统，属于新型的主动式遥感技术。LiDAR 技术所包含的机载型三维激光扫描系统主要包括以下八个部分：三维激光扫描仪、目标成像装置、全球卫星定位系统、飞行惯性导航系统、点云数据采集器、计算机数据记录器、各类数据处理软件、电源等。目前LiDAR 系统中集成的激光测距仪已经可达到毫米级精度，再加上 POS系统提供的高精度传感器平台测姿定位功能，LiDAR测量的数据质量已经远优于传统方式采集的数据。而从当前情况来看，利用无人机机载激光雷达技术，严格按照既定规划航线对一段典型的输电线路进行相应的光载荷巡检、输电线路通道巡检、红外测温巡检等，从而快速准确、高分辨率地获取输电线路上导地线、杆塔、绝缘子等的运行状态以及线路走廊内的树木生长、地理环境、交叉跨越等各类地理信息，再将巡线采集到的影像数据进行影像空三、密集匹配、TIN构网、DSM生成、DOM生成及实景三维建模等处理，从而为输电线路监护人员提供坚实的数据基础。利用LiDAR技术可以直接采集目标物体（或目标区域）的3D信息数据的能力、其测量成果DOM信息量大、分辨率高、生动直观的优点，针对广西区域内广泛种植的人工林木（桉树）以及相关林场林地的多种地貌特征，通过大量数据分析和参比，建立一套灵敏性高与特异性强的数字模型，研制出一套适合广西林业资源调查的系统平台，实现林业资源数据的多维测量结果有效（可视化）输出。
        2无人机机载激光雷达在电力巡检及林业调查的作业要点
        2.1在电力巡检应用中的作业要点
        监护人员通过对各影像数据进行分析，可及时、准确地发现输电线路设施设备是否存在异常及隐患，从而实现电力线路的智能化安全巡检。当前，无人机电力线路巡检作业的主要内容及检测方式具体如表1所示。
        表1 无人机电力线路巡检作业的主要内容及检测方式

        2.2在林业调查应用中的作业要点
        采用LiDAR通用平台上扩展的机载林业模块，进行机载激光雷达点云数据处理分析，主要功能包括：统计参数提取、回归分析、单木分割、单木参数提取。获得包含了由地面和地物反射形成的众多的、离散的、分布不规则的三维数据点。通过数据分析和参比，将森林资源规划设计调查和伐区规划设计调查所使用的小班林地的地理坐标、面积、环境因子及林分因子进行耦合标定，建立一套灵敏性高与特异性强的数字模型，通过优化数据处理软件，研制出一套适合广西林业资源调查的系统平台，实现林业资源数据的多维测量结果有效（可视化）输出。
        3无人机机载激光雷达系统处理要点
        3.1无人机LiDAR采集数据技术难点。现在的LiDAR硬件技术已经比较成熟，但与之配套的软件系统还相对落后，目前LiDAR数据的处理需要大量的人工参与，如何高效率、自动化地利用 LiDAR 数据生成特定行业的分类信息产品，是整个行业的发展方向。
        3.2针对如上问题，在林业调查中采用LiDAR技术对特定区域的桉树进行三维激光扫描，获得包含了由地面和地物反射形成的众多的、离散的、分布不规则的三维数据点。通过数据分析和参比，将森林资源规划设计调查和伐区规划设计调查所使用的小班林地的地理坐标、面积、环境因子及林分因子进行耦合标定，建立一套灵敏性高与特异性强的数字模型，通过优化数据处理软件，研制出一套适合广西林业资源调查的系统平台，实现林业资源数据的多维测量结果有效（可视化）输出。将林业调查的精准性提高，其中森林面积调查准确率达到100%，蓄积量调查准确率达到95%。
        电力巡检中，在图像背景较为简单的情况下，经过图像预处理后就能够有效地对电力线路进行提取，图像预处理流程主要包括灰度化、滤波处理、图像增强、边缘检测等，在处理过程中，每一个环节要点都必须严格按照相关技术要求进行，以有效遏制航拍过程中产生的多种干扰因素，提高识别正确率。但若图像背景较为复杂，则只采用简单的边缘化检测算法不但会降低电力线路提取的效果，还可能使得无人机因其他无关背景的干扰而导致误飞，因此还应该加强对电力线路的提取，当前比较推荐的提取方法是基于 Hough变换的电力线路提取方法。
        总之，当前无人机机载激光雷达在电力巡检及林业调查中的应用已成为大势所趋，但现阶段无人机机载激光雷达技术依然存在一些技术痛点，如航拍图像不够清晰、巡线班组仍需走到杆塔附近起飞、续航时间较短巡检范围仅局限于1-2公里内，与之配套的软件系统还相对落后等等。同时，针对技术痛点，还需要我们不断加强研究，实现技术上的突破，如：自主按规划航行起飞，全自动线路巡检；远距离控制，体积小、重量轻、集成度高，实现长时间、长距离、大范围的线路巡检；抗风性能好，挂载能力强，等等，不断扩大无人机在林业调查、电力巡检等方面的应用，不断提高作业效率和特殊情况的应对能力。
        参考文献：
        [1]王卓奇.无人机在电力输电线路巡检中的应用研究[J].科学与财富，2019（9）：310.
        [2]赵育橦.基于无人机的电力巡视技术研究[D].辽宁工程技术大学硕士学位论文，2019.
        [3]陈景尚.对无人机电力线路安全巡检系统及关键技术的探讨[J].科技创新与应用，2019（2）：158-159.