输电线路三维激光扫描作业及数据处理

1 概述 电网业务中，随着对供电可靠性要求的不断提升，对输电线路巡视工作的要求也日趋严格，同时云南地势为西北高、东南低，海拔高差异常悬殊，线路大档距、大跨越、通道植被覆盖密度不尽相同的特点，使得传统的巡视工作模式已无法满足业务需求。目前，输电线路巡视工作引入三维激光扫描技术，从传统的“望远镜＋红外测温”的巡视模式转变为“机巡+人工”的广义巡视模式。 近年来，随着无人机和激光雷达技术的不断发展，机巡作业在电网业务中得到了越来越广泛的应用。通过三维激光点云的采集与处理可以快速重构电网线路架构，构建电网全方位立体空间，完整描述每一个关键要素，数字化还原真实准确的三维走廊。同时，结合云南地势特点，三维激光扫描技术还可提升云南电网有限责任公司输电线路的巡视效率、适应输电线路状态评价智能化的业务要求，利用三维激光点云数据进行输电线路精细化巡视、快速准确定位通道风险点，并开展线路、杆上设备、导线预测分析。 1.1 机巡作业的发展现状 三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，是继测绘领域全球定位系统(global positioning system，GPS)技术之后的又一次技术革命。它由传统测绘计量技术演变而来，并经过精密的传感工艺及多种现代高科技技术手段整合、发展而成，是对多种传统测绘技术的集合及一体化集成。三维激光扫描系统一般由激光扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统三部分构成，激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时还可集成高清数码相机和仪器内部控制与校正系统等。 三维激光扫描技术发展的重大突破为获取高分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段，可广泛用于逆向工程、景观三维可视化、数字城市、军事侦察、测绘等领域的空间信息快速获取。三维激光扫描技术与传统测量技术相比有着无法取代的优越性，其可不受天气限制，以非接触式主动测量的方式直接获取高精度三维数据。 由于三维激光扫描技术特别适合对大面积的表面复杂物体进行精细测量，所以其应用范围极广。 (1)文物修复。在对受损的文物进行修复时，要求无接触测量，传统测量技术无法胜任此项工作，但现在可充分利用激光扫描仪的非接触测量特点及高分辨率和高精度点云数据，获取文物表面的精细结构，进行精细测量，提供修复数据，对文物进行修复。 (2)边坡变形监测。三维激光扫描技术可以获取高密度、高精度的三维点云数据，因此对边坡的变形监测能反映坡体的总体变形趋势和量级。通过对边坡定期进行扫描，将前后两次扫描的点云数据叠加在一起，然后由处理软件分析前后两次扫描的点云数据的差别，从而得出边坡的变形趋势和量级。 (3)开采沉陷监测。由于三维激光扫描技术具有快捷、高分辨率、高精度等特点，在进行开采沉陷监测时，可以对地表的移动进行观测并快速获得整个目标区域的空间位置及垂直相对位置的变化，从而确定整个地表移动区域的沉陷情况。 (4)城镇地籍测量。在以往的城镇地籍测量中，调查结果多为图件和报表形式，可用性较差。而激光扫描仪能够生成形象的三维图像，对获取的三维点云数据进行建模，方便在计算机上进行量测，精度也得到了较大的提高。 (5)立体模型的建立。三维激光扫描技术的强项是立体模型的建立，主要用于物体立体模型的建立(房屋、桥梁、城堡、厂区设备等)、考古与文物保护、工业设备计测、三维数字地面模型建立、三维城市漫游建立，满足未来3D数据采集等方面的要求。 当然，以上只是其部分应用，由于三维激光扫描技术具有良好的技术优势，已成为目前测绘领域的一个新兴热点，在逆向工程、数字城市、工业测量及医学测量等不同领域均能得到很好的应用。虽然针对三维激光扫描系统的应用研究还处于初级阶段，但三维激光扫描技术已在工程建设中得到了很好的应用，随着研究的深入及与其他测量技术的结合，其应用将更加广泛。 1.2 机巡作业在云南电网的发展趋势 三维激光扫描作业及数据处理大规模应用后，不仅改变了日常巡视、检修、特巡特维的密度和周期，还在预测潜在风险、解决潜在问题中发挥着越来越重要的作用。通过智能作业与计算分析，不仅可以发现当前工况下的缺陷，还可以预测缺陷的发展趋势。 云南电网有限责任公司每年都会进行规模化的机巡作业，实现了数据的海量积累，为云南电网有限责任公司智能化运维质的飞跃奠定了坚实的基础。从人巡到机巡、从以有人机为主到以无人机为主，从人工遥控到自动驾驶，机巡作业更加安全，门槛不断降低，规模不断扩大。 2 机巡技术 2.1 直升机巡视 直升机巡视是指以直升机为平台，搭载巡视人员和不同的任务载荷，在空中近距离对架空输电线路进行红外、紫外、可见光和三维激光雷达扫描等巡视检测作业的一种巡视方式。通过直升机巡视掌握输电线路的运行情况，及时发现线路本体、附属设施及线路保护区出现的缺陷或隐患，为线路检修、维护及状态评价(评估)等提供依据，是防范电力设备事故、保证电力系统安全运行的有效手段，是输电线路运维的重要工作。 2.1.1 作业要求 2.1.1.1 巡视作业前要求 (1)巡视作业前，巡视作业组应收集被巡线路资料，研究并掌握被巡线路的走向、运行参数、缺陷记录、地形地貌、气象条件、交叉跨越及线路周边的环境情况。 (2)巡视作业前，巡视作业组应按年度计划编制直升机巡视的作业方案，其中，应包含组织措施、技术措施、安全措施、环境保护措施等内容，并对参与作业的所有人员开展安全、技术交底，内容包括巡视重点、巡视方式、危险点控制、安全控制措施等。 (3)每次作业前，巡视作业组成员应召开飞行准备会，明确作业内容和相关注意事项，巡视人员应对各机载设备进行检查和试运行以保证设备能够正常使用。 2.1.1.2 飞行要求 (1)直升机到达巡线区域后，核实被巡线路名称和杆塔号，观察被巡线路周围地形地貌情况，选择与线路呈约45°夹角的方向进入作业位置。 (2)直升机外缘任意一点与线路、铁塔的*小安全距离应不小于20m，同时为保证巡视效果，直升机与*近一侧的线路、铁塔的净空距离不宜大于30m。 (3)在巡视作业时，被巡线路应位于靠近直升机主驾驶的一侧，严禁直升机在线路正上方飞行巡视。 (4)巡视应沿线路路径逐基逐档进行，避免出现错巡、漏巡。 2.1.1.3 巡视人员工作要求 (1)吊舱操作人员使用机载吊舱装置对被巡线路进行录像、测温。 (2)可见光操作人员通过目视和稳像仪对被巡线路进行检查，使用照相机和录音笔进行记录。 (3)吊舱操作人员发现的发热缺陷由可见光操作人员进行复查。 (4)可见光操作人员发现的缺陷必要时由吊舱操作人员进行复查。 2.1.2 作业流程 架空输电线路直升机巡视作业流程如图2-1所示。 图2-1 架空输电线路直升机巡视作业流程 2.1.3 作业前准备 2.1.3.1 人员配备 直升机巡视过程中，机上应至少配置两名巡视人员，其中，1名为吊舱操作人员，1名为可见光操作人员。作业人员配备参照表2-1中的要求。 表2-1 作业人员配备表 2.1.3.2 设备及工器具准备 直升机巡视作业设备及工器具配置如表2-2所示。 表2-2 直升机巡视作业设备及工器具配置 2.1.3.3 劳保用品准备 直升机巡视作业劳保用品配置参照表2-3的要求。 表2-3 直升机巡视作业劳保用品配置 2.1.3.4 配套设施配置 临时起降点是根据被巡线路的实际情况来选定直升机的临时起降场所。布点一般应在横线路方向40km以内，顺线路间隔80～150km。地面平坦坚硬、无砂石，面积不小于30m×30m，周围至少一侧无高大障碍物。 2.1.3.5 技术资料准备 根据巡视任务要求，收集所需巡视架空输电线路的地理位置分布图，熟悉线路走向、地形地貌及机场重要设施等情况。收集所需巡视架空输电线路的杆塔明细表和经纬度坐标，熟悉线路电压等级、交叉跨越及架设方式。收集所需巡视架空输电线路当月运行参数和缺陷记录等资料，熟悉所需巡视架空输电线路的运行状态。查询巡视架空输电线路所在地区的天气情况，提前做好飞行准备。 1)巡视飞行准备会 召集机组全体人员，召开巡视飞行准备会。会议需明确直升机巡视任务及巡视计划，并进行安全和技术交底。 2)作业申请 将直升机巡视作业计划及准备好的架空输电线路地理位置分布图、杆塔明细表、经纬度坐标等资料报送至机组航务，机组航务负责飞行航线及临时起降点空域许可的申报协调。