1. 概述
目前国家电网特高压线路建设稳步推进，对电网监控与电网运维提出更高要求。我国高压输电线路的维护模式和巡检方式已经开始采用直升机搭载可见光检测仪和红外热成像仪进行电力巡线，该方法虽然能够快速直观地发现输电线路的缺陷，但无法三维展示和动态模拟输电设施的真实状况，如架空线路弧垂，线下树障等垂直空间层次信息 [1] [2] [3] 。
由于直升机巡检高压输电线路，具有高科技、高效率、快捷、可靠、准确预测、不受地域影响等优点，利用直升机平台搭载的3D激光扫描系统，可以获取输电线路走廊的高密度、高精度激光点云和光学影像数据，实现输电线路本体及周围环境的三维建模、线路瞬时工况安全距离检测、线路不同工况安全距离分析以及平断面图输出，进而进行高精度三维空间量测、模拟分析及通道可视化管理 [4] [5] [6] [7] 。
直升机3D激光扫描在输电线路运维中数据成果主要包括精确台账、平断面图、交叉跨越检测报告、实时工况安全距离检测报告、模拟工况(高温、大风和覆冰)安全距离检测报告、数据三维展示系统等。
2. 直升机3D激光扫描技术系统介绍
直升机3D激光扫描指以直升机为平台，通过搭载在直升机上的3D激光扫描系统获取被测区域的三维激光点云数据，通过数据处理和分析，生成相关数据成果和分析报告。3D激光扫描系统组成部分包括激光扫描仪、定位定姿态系统(POS系统)、航空数码相机和控制系统所构成综合系统，如图1所示。综
合系统搭载在直升机上实现对高压输电线路的维护和巡检，随着这项技术进一步发展，逐渐将综合系统搭载到无人机上完成线路维护和巡检任务。
与传统的高压线路巡检与维护方式相比，搭载在直升机上3D激光扫描技术具有很大的优势。1) 精
Figure 1. Block diagram of airborne laser scanning system
图1. 机载激光扫描系统框图
确台账数据。利用直升机激光扫描技术，可以获取线路杆塔基本数据，包括杆塔位置、杆塔高度、线路弧垂、杆塔倾斜角、相间距、杆塔位移、地线保护角等基本信息。2) 输电线路本体及走廊三维地形地貌还原。实现点云的类别、高程和单色渲染，通过激光点云直观还原线路走廊本体及地形地貌特征。此外还可以将影像与高程进行叠加显示，进行更逼真的线路走廊展示。还支持加载矢量图层和三维模型图层。3) 三维量测。激光雷达扫描效率高、误差小，通过快读获取线路走廊的激光点云，基于点云可进行高精度的三维量测。4) 平断面图。在三维显示的电力设施视图上，选择特定的位置就会自动输出电力设施的平面断面图，还可以设置输出的区段及打印幅面。提供为电力设施模型自动添加注释的功能。在生成电力设施模型时，会为每一个电力设施模型生成默认的注释信息。5) 瞬时工况安全距离检测报告。依据运行规范等相关线路规范，对瞬时工况下的线路走廊进行安全距离评估。根据安全距离配置文件，自动对电力设备与其他信息(如地面、植被、道路、河流等)的距离进行安全距离检测。6) 最大工况安全距离分析报告。可以根据不同的导线参数、环境参数、运行参数模拟不同工况的导线弧垂，并进行安全距离分析。还可以根据九大典型气象区，同时模拟不同典型气象的弧垂曲线。7) 三维成果展示。可以将获得的数据进行综合处理，进行三维展示。
3. 直升机3D激光扫描技术在某500 kV架空输电线路巡检中的应用
目前国内对于超高压、特高压线路的巡检工作具有以下特点：
1) 跨区线路，线路长，地理环境多样化。特高压输电线路跨区运行，线路长度几千公里不等，巡视任务繁重、测量数据巨大。
2) 电压等级高，输送功率大，影响范围广，在国民经济和电网运行框架中均具有重要地位。
3) 巡视频率高，安全运行要求严格。
4) 沿线山区、无人区居多，常规人工巡线难度大，工作量大。
5) 线路空间交跨复杂，常规巡检很难对线路通道信息统一管理。
6) 架空输电线路弧垂受温度、风偏和覆冰影响明显。
基于升机3D激光扫描技术实现对高压输电线路的维护和巡检，可以通过搭载在直升机上的3D激光扫描系统获取被测区域的三维激光点云数据，通过数据处理和分析，生成相关数据成果和分析报告。根据《DLT741-2010架空输电线路运行规程》 [8] 《机载激光雷达数据处理技术规范》 [9] 等技术规范，可将点云分为6大类，24小类。
1) 电力线及铁塔中包含交叉线、其他塔、屏蔽线、变电站、导线、铁塔。
2) 植被及其他中包含植被及土堆、其他地上物体。
3) 水系及设施中包含运河、沟渠、湖泊、河流。
4) 地面点能真实反映地面起伏，落于裸地表面的点，包括落在道路、广场、堤坝等反映地表形态的地物之上的点。
5) 居民地及设施中包含建筑物和地下建筑物，建筑物包括房屋、地面上窑洞、蒙古包、工矿设施、公共设施、名胜古迹、宗教设施、观测站等地物结构。
6) 交通设施中包含铁轨、公路、土路、停车场、桥梁，公路包含各级公路，土路包含机动车能行驶宽度的路面。桥梁包含车行桥、立交桥、过街天桥、人行桥、廊桥、索道等。
依据运行规范等相关线路规范，对瞬时工况下的线路走廊进行安全距离评估。根据安全距离配置文件，自动对电力设备与其他信息(如道路、建筑物、地面、植被、河流、其他线路等)的距离进行安全距离检测，500 kV交流输电线路对地面安全距离为11 m，对建筑物安全距离为9米，对树木安全距离为7 m，对公路和铁路安全距离为14米，对其他电力线安全距离为6米，对承力索或接触线安全距离为6米，对不通航河流安全距离为6.5米，对通航河流安全距离为9.5米，对安全距离为6米等。基于升机3D激光
(a)
(b)
Figure 2. 3D diagram of the risk point of intersection of overhead transmission lines and trees; (a) overlook map; (b) plane view
图2. 架空输电线路走廊与树木交汇危险点三维图；(a) 俯视图；(b) 平视图
(a)
(b)
Figure 3. 3D diagram of the risk point of intersection of overhead transmission lines and highways; (a) overlook map; (b) plane view
图3. 架空输电线路走廊与公路交汇危险点三维图；(a) 俯视图；(b) 平视图
(a)
(b)
Figure 4. 3D diagram of the intersection of overhead transmission lines and buildings; (a) overlook map; (b) plane view
图4. 架空输电线路走廊与建筑物交汇危险点三维图；(a) 俯视图；(b) 平视图
(a)
(b)
Figure 5. 3D diagram of the risk point of intersection of overhead transmission lines and ground; (a) overlook map; (b) plane view
图5. 架空输电线路走廊与地面交汇危险点三维图；(a) 俯视图；(b) 平视图
Table 1. Safe distance analysis of dangerous point list in real time
表1. 实时工况安全距离分析危险点列表
Figure 6. Safe distance analysis of dangerous points in real time
图6. 实时工况安全距离分析危险点处汇总
扫描技术实现对国网北京公司某500 kV架空输电线路巡检，部分距离检测结果如图2、图3、图4、图5所示。图2为架空输电线路走廊与树木交汇危险点三维图；图3为架空输电线路走廊与公路交汇危险点三维图；图4为架空输电线路走廊与建筑物交汇危险点三维图；图5为架空输电线路走廊与地面交汇危险点三维图。具体的测量数据如表1所示。
结合国网北京公司某500 kV架空输电线路巡检，直升机沿架空输电线路单次飞行即可快速获得多处巡检信息，极大地节省了人力成本和时间成本。同时，对于多危险工况共存于一巡查点的工况，该方法也能将各个危险点情况准确区分。对371个测点进行检测中，共发现52处实时工况危险点，其中树木28处，地面10处，建筑物6处，公路8处，如图6所示。
4. 结论与展望
本文介绍了直升机3D激光扫描技术的原理与特点，并将其应用到国网北京公司某500 kV架空输电线路巡检中，通过获取的输电线路走廊的高密度、高精度激光点云和光学影像数据，实现输电线路本体及周围环境的三维建模、线路瞬时工况安全距离检测、线路不同工况安全距离分析以及平断面图输出，进而给出实时工况安全距离分析危险点报告。结合国网北京公司某500 kV架空输电线路巡检，对371个测点进行检测，快速准确地发现52处实时工况危险点，该方法能够节省大量的人力成本和时间成本，准确的危险点报告为线路安全维护提供可靠信息。