论文部分内容阅读
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-7683
摘 要：机载激光扫描作业系统作为新一代的航空遥感系统，具有十分广泛的用途。本文介绍激光雷达系统原理，就直升机、中大型固定翼无人机平台输电线路激光航测进行工程方案设计和验证对比，有效地解决了中大型无人机在电力勘测设计领域应用的技术性难题，并就直升机、中大型无人机激光扫描系统协同作业体系在电网工程新基建背景下的进一步应用作了探讨和叙述。
关键词：航空作业平台 勘测设计 激光雷达 中大型无人机
中图分类号：P23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0043-04
Comparative Application Research of Multi-Platform Laser Scanning in Transmission Line Survey and Design
CHENG Haitao1 DU Wei1 FEI Min2 ZHU Xiaokang1 SUN Hongbo1
（1.State Grid General Aviation Company， Beijing，102209 China; 2. Hangzhou Power Supply Company， State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310016 China）
Abstract： As a new generation of aerial remote sensing system， the airborne laser scanning operation system has a very wide range of uses. This article introduces the principle of the lidar system， and conducts engineering scheme design and verification comparison for the laser aerial survey of the transmission line of the helicopter and the medium and large fixed-wing UAV platform. It effectively solves the technical problems in the application of medium and large UAVs in the field of electric power survey and design. Discussed and described the further application of the cooperative operation system of the laser scanning system of helicopters and medium and large UAVs under the background of the new infrastructure of power grid engineering.
Key Words： Aviation operation platform; Survey and design; Lidar; Medium and large UAVs
输电线路是电力系统的重要组成部分，承担着输送电能的重任，随着我国经济水平的日益提升，电网基建过程中对输电线路通道走廊的选择日趋重要，为了能够实现精准选线，降低工程造价、减少人地矛盾，同时将工程建设对环境的影响压减至最低，输电线路基建阶段对高精度地理信息测绘数据的要求愈发迫切[1]。传统的人工外业工程测量以及航空摄影测量已经难以满足线路设计、基建需求。
随着科技进步，技术变革加速了输电线路勘测设计方式的转变。机载激光雷达作为一种非接触式的主动距离探测技术，能够快速获得被探测物体的空间几何结构信息，目前广泛应用于地理信息测绘及定位导航领域。在电网勘测设计中，主要用于架空线路的通道环境测绘及三维重建[2]。由于激光雷达设备昂贵、安装精度高，目前主要以直升机为作业平台开展线路巡检，随着无人机技术的发展，直升机的高成本凸显。近年来，已经出现通过在中小型旋翼无人机搭载小型激光雷达开展输电线路航拍勘测的应用试点，但受限于多旋翼无人机的航程短、载重小、速度慢等因素，通过多旋翼搭载高精度激光雷达开展勘测作业效率低，很难在电网领域大面积开展应用。中大型固定翼无人机由于飞行速度快、续航时间长、飞行性能优越，特别是兼具多旋翼和固定翼无人机的垂直起降固定翼无人机，摆脱了传统固定翼无人机对起降场地的限制，作为输电线路激光航测的作业平台具有较好的应用前景。本文从无人机及機载激光雷达技术发展出发，结合输电线路勘测设计情况，提出一种基于固定翼无人机激光扫描的输电线路勘测方法，并与直升机作业方式进行对比验证。
1 激光扫描作业原理
激光雷达系统集成了激光扫描仪、GNSS定位系统、惯性测量单元（IMU）及数码相机，能够直接、快速、精确地获取目标的三维空间信息。利用多回波技术，激光可以穿透植被，获取真实的地表模型[3]。 激光扫描仪通过激光发射装置向目标发射激光脉冲，由接收器接收激光反射信息计算地物与激光发射点之间的距离，根据GNSS定位系统确定激光雷达精确的空间三维坐标（X，Y，Z），并利用IMU惯性测量单元测量激光扫描仪的姿态角度，同时时间同步系统将激光扫描仪、GNSS定位系统、惯性测量单元统一到同一时间基准下，最后由计算机控制系统根据几何参数和空间关系得到地物点的空间三维坐标从而实现三维重建，其工作原理如图1所示。
2 直升机/中大型无人机激光扫描系统
激光扫描作业系统主要激光雷达系统搭配直升机、无人机作业平台组成，其中激光雷达系统主要包括激光扫描仪、POS系统及航测相机。中大型无人机系统主要由飞行平台、飞控系统、数据链系统。直升机主要包括操控系统和作业平台，系统组成框架如图2所示。
综合多旋翼和固定翼无人机优势，越来越多的研究通过将多旋翼和固定翼相结合的总体设计方案，即垂直起降固定翼无人机，使固定翼无人机兼具多旋翼无人机的垂直起降优势，解决了固定翼无人机对起降场地的限制，能够在山区、丛林等复杂作业条件下完成作业，极大的提高了固定翼无人机的应用范围。
垂直起降固定翼无人机系统中飞控系统及数据链系统主要由飞行控制与导航系统、机载传感器、数传天线等模块组成，通过地面站发送控制指定，结合机载传感器参数，实现自动控制导航，并与地面站实现上下链路通信。系统主要结构如图3所示。垂直起降固定翼无人机在执行作业任务时，不同于直升机，可根据飞行员目视判断，及时规避障碍物，当固定翼无人机在视距外飞行时只能通过地面站软件，在飞控的协同下控制无人机。因此固定翼无人机在执行任务时应保持在远离重要地物，避免长时间在输电线路、公路、铁路等上方飞行，飞行高度应根据线路电压等级、地形情况进行设置，确保无人机在安全的飞行高度下实施作业。
3 工程验证
本文以输电线路激光航测工程项目为依托，采用直升机、中大型垂直起降固定翼无人机为平台，分别搭载中型、轻型激光雷达设备，对安徽省某地区一段136.8km、500kV电压等级输电线路进行激光航测，获取激光点云及影像，构成2km带宽的输电走廊数据。
3.1 测区概况
本次验证线路工程分布于安徽省北部地区，线路沿线分布以平原、丘陵为主，地势由西北向东南倾斜，海拔为15～120m，整体地势有一定起伏。
3.2 方案制定
为全面验证直升机、无人机激光雷达勘测作业的作业成果和作业效率，本次验证在按照直升机先行作业，中大型垂直起降固定翼无人机后续作业的方式，分别进行数据采集，并将作业过程和成果情况进行比较。
点云密度是分辨地物细微程度的重要属性，也是评价数据质量的重要指标，反映了数据用于生产的应用能力。激光扫描电力勘测对点云密度要求较高。直升机激光扫描作业时通常保持15～17m/s的飞行速度开展作业，而固定翼无人机需以不低于失速速度飞行，否则易产生安全隐患，适用于激光扫描的固定翼无人机失速速度通常为15～20m/s左右，因此实际飞行速度通常为25～30m/s左右。受限于失速速度的限制，固定翼无人机在开展激光扫描勘测作业时，需以较高的速度飞行，因此需要将作业高度降低，增加航线规划公里成数以满足扫描点云密度要求。
数据要求：本次沿作业线路可行性研究路径进行高分辨率数字航拍，数据采集覆盖带宽2km，线路中心线两侧各1km。本次实验飞行保证影像分辨率优于0.1m。为确保成果质量，设计影像航向重叠度≥60%，旁向重叠度≥30%;点云航线旁向重叠度≥20%;数字正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM）比例尺优于1：1000。
3.3 效率对比
由于航测作业需严格保持飞行姿态的稳定性，且在切换航线时准确度要求较高，直升机作业受飞行员技术水平影响较大，同时效率亦受起降场位置影响。而无人机按规划航线作业，因而人为影响较小，作业效率相对稳定。
如表1所示，直升機在现场作业效率方面具有一定优势，中大型垂直起降固定翼无人机可依托成本优势，通过增派作业机组等形式实现效率的本质提升。
3.4 成果质量对比
本项目采用地面工程测量方式，共布设地面校验点15处，对直升机、中大型垂直起降固定翼无人机作业成果数据进行了精度校验，校验结果、数据质量如表2、图4、图5所示。直升机、中大型垂直起降固定翼无人机激光扫描数据成果在平面精度和高程精度上各有微弱优势，但均完全满足并超出相关行业标准要求。通过数据处理，可在输电线路工程初步设计、施工图设计等阶段提供平纵断面图、塔位地形图、塔基断面图、杆塔高低腿设计依据等全方位支撑，大量减轻外业工作量负担，提升了工程设计质量和效率。
综上所述，与直升机激光扫描系统相比，中大型垂直起降固定翼无人机激光扫描作业系统具有人员精简、成本较低等优势，但也存在续航时间、载荷能力、悬停能力等劣势，如表3。
4 结语
随着无人机及激光雷达技术的发展，以及点云滤波和分类算法的进步，以无人机为作业平台通过搭载激光雷达设备开展空间数据获取已经在测绘、公路、铁路、电力等领域取得了一定的应用。本文以直升机、垂直起降固定翼无人机为作业平台搭载高精度激光雷达设备开展工程对比验证，通过分析表明基于中大型垂直起降固定翼无人机激光航测作业能够同时实现降低成本并保证高质量数据成果，该方案可与直升机作业形成有效互补，可广泛应用于远距离、复杂地形跨区输电线路勘测设计中，并可向铁路、公路等带状地形图测绘领域延伸，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 景钦刚.机载三维激光扫描系统在线路工程中的应用研究[J].电力建设，2009，30（3）：35-37.
[2] 徐维.基于机载激光雷达的电力线信息重建技术研究[J].激光杂志，2020，41（12）：114-117.
[3] 王睿.Lidar控制与数据采集系统研究[D].合肥：中国科学技术大学，2020.
[4] 于洋洋.机载激光雷达点云滤波与分类算法研究[D].合肥：中国科学技术大学，2020.
[5] 吕严兵，方毛林，葛奎，等.机载激光雷达数据在山区输电线路工程中的应用[J].电力勘测设计，2020（1）：35-38.
[6] 陈正宇，徐君民，李欣.多数据源三维量测技术在输电线路勘测设计中的应用[J].测绘通报，2012（S1）：369-371.
[7] 罗海军，王彬，郭豫东，等.输电线路工程勘测中无人机测绘航线设计与优化[J].测绘通报，2017（S1）：214-215.
[8] 牟春霖.车载激光雷达在城市轨道交通勘测中的应用[J].铁道勘察，2020，46（6）：44-49.
[9] 苏诗培.LIDAR技术在林区输电线路工程中的应用研究[J].科技创新导报，2017，14（25）：4-5，7.
[10] 林志东.机载激光雷达在公路勘测设计中的应用[J].福建交通科技，2020（5）：81-83.
摘 要：机载激光扫描作业系统作为新一代的航空遥感系统，具有十分广泛的用途。本文介绍激光雷达系统原理，就直升机、中大型固定翼无人机平台输电线路激光航测进行工程方案设计和验证对比，有效地解决了中大型无人机在电力勘测设计领域应用的技术性难题，并就直升机、中大型无人机激光扫描系统协同作业体系在电网工程新基建背景下的进一步应用作了探讨和叙述。
关键词：航空作业平台 勘测设计 激光雷达 中大型无人机
中图分类号：P23 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0043-04
Comparative Application Research of Multi-Platform Laser Scanning in Transmission Line Survey and Design
CHENG Haitao1 DU Wei1 FEI Min2 ZHU Xiaokang1 SUN Hongbo1
（1.State Grid General Aviation Company， Beijing，102209 China; 2. Hangzhou Power Supply Company， State Grid Zhejiang Electric Power Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 310016 China）
Abstract： As a new generation of aerial remote sensing system， the airborne laser scanning operation system has a very wide range of uses. This article introduces the principle of the lidar system， and conducts engineering scheme design and verification comparison for the laser aerial survey of the transmission line of the helicopter and the medium and large fixed-wing UAV platform. It effectively solves the technical problems in the application of medium and large UAVs in the field of electric power survey and design. Discussed and described the further application of the cooperative operation system of the laser scanning system of helicopters and medium and large UAVs under the background of the new infrastructure of power grid engineering.
Key Words： Aviation operation platform; Survey and design; Lidar; Medium and large UAVs
输电线路是电力系统的重要组成部分，承担着输送电能的重任，随着我国经济水平的日益提升，电网基建过程中对输电线路通道走廊的选择日趋重要，为了能够实现精准选线，降低工程造价、减少人地矛盾，同时将工程建设对环境的影响压减至最低，输电线路基建阶段对高精度地理信息测绘数据的要求愈发迫切[1]。传统的人工外业工程测量以及航空摄影测量已经难以满足线路设计、基建需求。
随着科技进步，技术变革加速了输电线路勘测设计方式的转变。机载激光雷达作为一种非接触式的主动距离探测技术，能够快速获得被探测物体的空间几何结构信息，目前广泛应用于地理信息测绘及定位导航领域。在电网勘测设计中，主要用于架空线路的通道环境测绘及三维重建[2]。由于激光雷达设备昂贵、安装精度高，目前主要以直升机为作业平台开展线路巡检，随着无人机技术的发展，直升机的高成本凸显。近年来，已经出现通过在中小型旋翼无人机搭载小型激光雷达开展输电线路航拍勘测的应用试点，但受限于多旋翼无人机的航程短、载重小、速度慢等因素，通过多旋翼搭载高精度激光雷达开展勘测作业效率低，很难在电网领域大面积开展应用。中大型固定翼无人机由于飞行速度快、续航时间长、飞行性能优越，特别是兼具多旋翼和固定翼无人机的垂直起降固定翼无人机，摆脱了传统固定翼无人机对起降场地的限制，作为输电线路激光航测的作业平台具有较好的应用前景。本文从无人机及機载激光雷达技术发展出发，结合输电线路勘测设计情况，提出一种基于固定翼无人机激光扫描的输电线路勘测方法，并与直升机作业方式进行对比验证。
1 激光扫描作业原理
激光雷达系统集成了激光扫描仪、GNSS定位系统、惯性测量单元（IMU）及数码相机，能够直接、快速、精确地获取目标的三维空间信息。利用多回波技术，激光可以穿透植被，获取真实的地表模型[3]。 激光扫描仪通过激光发射装置向目标发射激光脉冲，由接收器接收激光反射信息计算地物与激光发射点之间的距离，根据GNSS定位系统确定激光雷达精确的空间三维坐标（X，Y，Z），并利用IMU惯性测量单元测量激光扫描仪的姿态角度，同时时间同步系统将激光扫描仪、GNSS定位系统、惯性测量单元统一到同一时间基准下，最后由计算机控制系统根据几何参数和空间关系得到地物点的空间三维坐标从而实现三维重建，其工作原理如图1所示。
2 直升机/中大型无人机激光扫描系统
激光扫描作业系统主要激光雷达系统搭配直升机、无人机作业平台组成，其中激光雷达系统主要包括激光扫描仪、POS系统及航测相机。中大型无人机系统主要由飞行平台、飞控系统、数据链系统。直升机主要包括操控系统和作业平台，系统组成框架如图2所示。
综合多旋翼和固定翼无人机优势，越来越多的研究通过将多旋翼和固定翼相结合的总体设计方案，即垂直起降固定翼无人机，使固定翼无人机兼具多旋翼无人机的垂直起降优势，解决了固定翼无人机对起降场地的限制，能够在山区、丛林等复杂作业条件下完成作业，极大的提高了固定翼无人机的应用范围。
垂直起降固定翼无人机系统中飞控系统及数据链系统主要由飞行控制与导航系统、机载传感器、数传天线等模块组成，通过地面站发送控制指定，结合机载传感器参数，实现自动控制导航，并与地面站实现上下链路通信。系统主要结构如图3所示。垂直起降固定翼无人机在执行作业任务时，不同于直升机，可根据飞行员目视判断，及时规避障碍物，当固定翼无人机在视距外飞行时只能通过地面站软件，在飞控的协同下控制无人机。因此固定翼无人机在执行任务时应保持在远离重要地物，避免长时间在输电线路、公路、铁路等上方飞行，飞行高度应根据线路电压等级、地形情况进行设置，确保无人机在安全的飞行高度下实施作业。
3 工程验证
本文以输电线路激光航测工程项目为依托，采用直升机、中大型垂直起降固定翼无人机为平台，分别搭载中型、轻型激光雷达设备，对安徽省某地区一段136.8km、500kV电压等级输电线路进行激光航测，获取激光点云及影像，构成2km带宽的输电走廊数据。
3.1 测区概况
本次验证线路工程分布于安徽省北部地区，线路沿线分布以平原、丘陵为主，地势由西北向东南倾斜，海拔为15～120m，整体地势有一定起伏。
3.2 方案制定
为全面验证直升机、无人机激光雷达勘测作业的作业成果和作业效率，本次验证在按照直升机先行作业，中大型垂直起降固定翼无人机后续作业的方式，分别进行数据采集，并将作业过程和成果情况进行比较。
点云密度是分辨地物细微程度的重要属性，也是评价数据质量的重要指标，反映了数据用于生产的应用能力。激光扫描电力勘测对点云密度要求较高。直升机激光扫描作业时通常保持15～17m/s的飞行速度开展作业，而固定翼无人机需以不低于失速速度飞行，否则易产生安全隐患，适用于激光扫描的固定翼无人机失速速度通常为15～20m/s左右，因此实际飞行速度通常为25～30m/s左右。受限于失速速度的限制，固定翼无人机在开展激光扫描勘测作业时，需以较高的速度飞行，因此需要将作业高度降低，增加航线规划公里成数以满足扫描点云密度要求。
数据要求：本次沿作业线路可行性研究路径进行高分辨率数字航拍，数据采集覆盖带宽2km，线路中心线两侧各1km。本次实验飞行保证影像分辨率优于0.1m。为确保成果质量，设计影像航向重叠度≥60%，旁向重叠度≥30%;点云航线旁向重叠度≥20%;数字正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM）比例尺优于1：1000。
3.3 效率对比
由于航测作业需严格保持飞行姿态的稳定性，且在切换航线时准确度要求较高，直升机作业受飞行员技术水平影响较大，同时效率亦受起降场位置影响。而无人机按规划航线作业，因而人为影响较小，作业效率相对稳定。
如表1所示，直升機在现场作业效率方面具有一定优势，中大型垂直起降固定翼无人机可依托成本优势，通过增派作业机组等形式实现效率的本质提升。
3.4 成果质量对比
本项目采用地面工程测量方式，共布设地面校验点15处，对直升机、中大型垂直起降固定翼无人机作业成果数据进行了精度校验，校验结果、数据质量如表2、图4、图5所示。直升机、中大型垂直起降固定翼无人机激光扫描数据成果在平面精度和高程精度上各有微弱优势，但均完全满足并超出相关行业标准要求。通过数据处理，可在输电线路工程初步设计、施工图设计等阶段提供平纵断面图、塔位地形图、塔基断面图、杆塔高低腿设计依据等全方位支撑，大量减轻外业工作量负担，提升了工程设计质量和效率。
综上所述，与直升机激光扫描系统相比，中大型垂直起降固定翼无人机激光扫描作业系统具有人员精简、成本较低等优势，但也存在续航时间、载荷能力、悬停能力等劣势，如表3。
4 结语
随着无人机及激光雷达技术的发展，以及点云滤波和分类算法的进步，以无人机为作业平台通过搭载激光雷达设备开展空间数据获取已经在测绘、公路、铁路、电力等领域取得了一定的应用。本文以直升机、垂直起降固定翼无人机为作业平台搭载高精度激光雷达设备开展工程对比验证，通过分析表明基于中大型垂直起降固定翼无人机激光航测作业能够同时实现降低成本并保证高质量数据成果，该方案可与直升机作业形成有效互补，可广泛应用于远距离、复杂地形跨区输电线路勘测设计中，并可向铁路、公路等带状地形图测绘领域延伸，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 景钦刚.机载三维激光扫描系统在线路工程中的应用研究[J].电力建设，2009，30（3）：35-37.
[2] 徐维.基于机载激光雷达的电力线信息重建技术研究[J].激光杂志，2020，41（12）：114-117.
[3] 王睿.Lidar控制与数据采集系统研究[D].合肥：中国科学技术大学，2020.
[4] 于洋洋.机载激光雷达点云滤波与分类算法研究[D].合肥：中国科学技术大学，2020.
[5] 吕严兵，方毛林，葛奎，等.机载激光雷达数据在山区输电线路工程中的应用[J].电力勘测设计，2020（1）：35-38.
[6] 陈正宇，徐君民，李欣.多数据源三维量测技术在输电线路勘测设计中的应用[J].测绘通报，2012（S1）：369-371.
[7] 罗海军，王彬，郭豫东，等.输电线路工程勘测中无人机测绘航线设计与优化[J].测绘通报，2017（S1）：214-215.
[8] 牟春霖.车载激光雷达在城市轨道交通勘测中的应用[J].铁道勘察，2020，46（6）：44-49.
[9] 苏诗培.LIDAR技术在林区输电线路工程中的应用研究[J].科技创新导报，2017，14（25）：4-5，7.
[10] 林志东.机载激光雷达在公路勘测设计中的应用[J].福建交通科技，2020（5）：81-83.