CN111025325A - 基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析*** - Google Patents

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杨雪
陈亮
汪晓帆
曹刚
张云
曾仕伦
朱礼鹏
吴红
朱敏
兰沂梅
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Abstract

本发明公开了基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，包括：对目标区域进行扫描，获得扫描数据；基于扫描数据建立目标区域三维模型，将目标区域三维模型与地形景观数据结合组成电力线路资产管理平台；基于电力资产信息建立资产管理数据库，移动工作站在电力线路资产管理平台中增加目标区域三维模型的拓扑关系和电力资产信息；基于目标区域电塔上的监控设备传回的数据，基于视频监控数据进行电力分析；将视频监控数据以及电力线路资产管理平台中的数据发送至指挥中心；将视频监控数据以及三维点云数据进行对比，基于对比结果对目标区域的灾害情况进行评估；***能够自动高效且准确的对电力线路灾害情况进行监测与分析。

Description

基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***
技术领域
本发明涉及电力线路灾害监测领域，具体地，涉及基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***。
背景技术
由于电力线路经过的区域面积大，电力线路距离长，使得电力线路在其路径上容易因为灾害情况导致其出现故障。
现有技术中对电力线路灾害情况的监测主要采用人工进行巡检，如人工现在进行检测，上报灾害的类型、面积等等其他数据，然后由指挥中心派人进行抢修，但是人工检测和判断存在效率低和依赖人工经验进行判断，判断准确率得不到保障的问题。
发明内容
本发明目的是为解决现有技术中人工监测电力线路灾害情况存在的不足，本发明提供了一种基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，本***能够自动高效且准确的对电力线路灾害情况进行监测与分析。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，所述***包括：
数据采集单元，用于对目标区域进行扫描，获得扫描数据；
移动工作站，用于基于扫描数据建立目标区域三维模型，将目标区域三维模型与地形景观数据结合组成电力线路资产管理平台；基于电力资产信息建立资产管理数据库，移动工作站在电力线路资产管理平台中增加目标区域三维模型的拓扑关系和电力资产信息；
分析单元，用于基于目标区域电塔上的监控设备传回的数据，基于视频监控数据进行电力分析；
通信单元，用于将视频监控数据以及电力线路资产管理平台中的数据发送至指挥中心；
指挥中心，用于将视频监控数据以及三维点云数据进行对比，基于对比结果对目标区域的灾害情况进行评估。
本发明中的***利用卫星网络技术与机载激光雷达搭建基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，可快速对灾害区域进行数据采集，实现灾害区域快速定位，并三维还原灾害场景。监测人员根据三位点云以及影像数据对灾害现场损坏性精准评估，及时提出安全有效的响应办法。基于激光点云对电力走廊范围的地物建立三维模型，与地形景观共同组成电力线路资产管理平台。根据已知的电力资产信息建立资产管理数据库，增加三维模型的拓扑关系和详细的资产信息，实现电力资产的三维可视化管理。根据电塔上的监控设备传回的数据，在三维数字化电网的基础上进行各种专业电力分析，如预测模拟不同温度、风速、覆盖条件下弧垂变化情况，模拟树木生长情况，为线路管理决策提供有力支撑。再通过卫星通信网络，将现场视频信息传回指挥中心，指挥中心根据对比三维点云以及影像数据，对灾害现场损坏进行精准评估，及时提出安全有效的响应办法。
优选的，所述数据采集单元具体为搭载有机载激光雷达的无人机。
优选的，基于视频监控数据进行电力分析包括：预测模拟不同温度、风速和覆盖条件下弧垂变化情况，以及模拟树木生长情况。
优选的，通信单元采用卫星通信网络进行通信。
优选的，移动工作站还用于对目标区域进行定位。
优选的，对目标区域的灾害情况进行评估包括：对危险地物进行检查、报警、并输出检测结果统计列表；对杆塔位移/倾斜自动探测；对线路走廊地形空间进行分析，地质灾害识别。
优选的，所述数据采集单元中安装有无人机飞行控制***，无人机飞行控制***包括：
能见度识别单元，用于采集无人机预设范围内的能见度信息；
风力大小采集单元，用于采集无人机预设范围内的风力大小；
检测单元，用于检测无人机与移动工作站的通信传输质量；
预估单元，用于基于目标区域的大小，计算出扫描路径和飞行时间，基于飞行时间判断无人机剩余电量是否能够完成本次目标区域的扫描；
控制单元，用于在当无人机预设范围内的能见度低于预设要求时，控制无人机停止扫描操作；当无人机预设范围内的风力大于预设要求时，控制无人机停止飞行；当无人机与移动工作站的通信传输质量低于预设要求时，控制无人机停止飞行；当无人机剩余电量不能够完成本次目标区域的扫描时，控制无人机停止飞行。
优选的，所述***还包括生成单元，用于基于目标区域的灾害情况的评估结果生成评估报告，基于评估报告生成灾害情况抢修方案。
优选的，所述***还包括报警单元，用于当评估报告中的灾害等级满足预设要求时，向预设终端发送告警信息，并将抢修方案发送到抢修队。
优选的，所述***还包括存储单元，用于对***采集的视频信息、扫描数据和***运行信息进行存储。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中的***能够提高线路巡检数据的精度。即精细化巡检，包括地形、树高、塔杆、电线弧垂及交叉跨越，人工巡检无法做到厘米级精度。
本发明中的***能够实现全自动进行危险地物(特别是树木、交叉跨越)检查、报警、并输出检测结果统计列表。
本发明中的***能够实现对杆塔位移/倾斜自动探测。
本发明中的***能够实现线路走廊地形空间分析，地质灾害识别。
本发明中的***能够实现为沿线的植被管理、植被生长预测、制定植被砍伐计划提供依据。
本发明中的***能够实现DEM可反映线路走廊地形的起伏状态，可以作为线路走廊滑坡分析、杆塔倾斜探测的基础。
本发明中的***能够实现线路的三维信息管理：通过机载激光雷达***获取线路及其走廊的点云、正射影像、地面模型、三维模型等多种数据可用于线路的全生命周期信息化管理，了解每基杆塔的建成时间、历史巡检时间、历史故障、故障检修时间。
本发明中的***能够实现利用卫星便携站将前端采集数据实时回传至后端，解决在无网络覆盖情况下的数据传输时效性问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本发明中基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***的组成示意图；
其中，1-无人机，2-机载激光雷达，3-移动工作站，4-指挥中心，5-卫星，6-通信单元。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
请参考图1，本实施例中的***利用卫星通信***实时将机(无人机)载激光雷达扫描数据回传后端。利用机载激光雷达***可快速对灾害区域进行数据采集，实现灾害区域快速定位，并三维还原灾害场景。监测人员根据三位点云以及影像数据对灾害现场损坏性精准评估，及时提出安全有效的响应办法。
利用卫星通信无人机搭载激光雷达进行作业，可在日常实现线路的巡查和线路情况分析，在受灾时还可通过配套搭建的卫星通信网路实现处理后数据的实时分析和回传。其实现的主要功能如下：
采集目标区域的点云数据；
前端配置移动工作站实现数据的及时处理；
移动工作站与卫星通信车连接，实现桌面共享以及前线情况的实时汇报；
本***能够获得电力线路的以下参数：
(a)导线在最大计算弧垂情况下与地面小距离；
(b)导线在最大计算风偏情况下与地物之间的最小净空距离；
(c)导线在最大计算弧垂情况下与地面建筑物之间的最小垂直距离；
(d)边导线在最大计算风偏情况下与建筑物之间的小水平距离；
(e)导线在最大弧垂情况下与树木之间的直距离；
(f)导线在最大风偏情况下与树木之间的净空距离。
本***的实施流程包括：
(1)M600多旋翼无人机搭载激光雷达对目标区域进行***扫描，并通过RTK基站为其提供厘米级的精准定位。
(2)采集的点云数据在现场通过移动工作站立即进行数据处理，形成目标区域的模型。
(3)将移动工作站接入卫星通信车的视频会议***，将移动工作站的桌面通过卫星链路实时共享到指挥中心大屏。
(4)熟悉现场情况的工作人员可通过视频会议或语音的方式(根据卫星带宽进行选择)实时向指挥中心进行汇报，为领导的决策提供可靠的信息。
***简介：
***组成：
激光雷达，简称LiDAR，集激光，GNSS、惯性三种技术于一身的***，用于获得数据并生成精确的数字表面模型。
激光雷达工作时，只需进行非接触扫描可以在短时间内获取物体和环境空间点的三维数据和信息，收集的数据是以点云的形式组成，可以进行后期的处理，依靠获取的数据便能够建立完整的三维立体模型。
工作方式：
激光雷达通过机械旋转扫描***将脉冲激光束在飞行方向交互射向地面，其反射回波的时钟差结合载体的实时位置、姿态信息反演地面扫描点的空间三维坐标。为了提高定位精度，通常采用RTK差分GPS/北斗的GNSS***与高精度惯性测量单元组合结算位姿。
轻小型激光雷达***参数：
激光束：905nm红外激光、Class1人眼安全测量、精度5厘米、测量距离100米、每秒30万激光点。
测量范围：幅宽100～180米。
点云密度：每平方米70～120点。
飞行高度：航高40～80米。
点云数字滤波处理：
激光点云直接获取数字表面模型DSM；
滤波提取地面附着物(建筑物、构筑物、植被、设备设施、电力线等)得到数字地形模型DTM；
DSM与DTM二者之差可获取植被树冠模型；
激光雷达，简称LiDAR，集激光，GNSS、惯性三种技术于一身的***，用于获得数据并生成精确的数字表面模型。
激光雷达工作时，只需进行非接触扫描可以在短时间内获取物体和环境空间点的三维数据和信息，收集的数据是以点云的形式组成，可以进行后期的处理，依靠获取的数据便能够建立完整的三维立体模型。
激光雷达通过机械旋转扫描***将脉冲激光束在飞行方向交互射向地面，其反射回波的时钟差结合载体的实时位置、姿态信息反演地面扫描点的空间三维坐标。为了提高定位精度，通常采用RTK差分GPS/北斗的GNSS***与高精度惯性测量单元组合结算位姿。
多旋翼无人机起降灵活，操作人员几乎无需培训，适合中小范围高精度测量，点云密度每平方100～200点，单架次作业面积1～1.5平方公里。
便携卫星小站：
卫星方舱通信内部将集成卫星便携站***与超短波***，合理的设计分别利用方舱内部空间与方舱顶部空间；两套***共同使用汽油发电机或外接市电进行供电；将超短波***设备撤出与新增设备集成到方舱机柜上，卫星通信方舱能第一时间到达应急现场，两套***通信设备在应急现场的快速搭建、保障业务通道稳定高效运行。
便携式1.2米自动对星天线，6块拼接式结构，便携体积小，3分钟内容完成自动对星；
便携式卫星终端箱，支持任何地点通过卫星网络与指挥中心通信；
高清视频会议终端，支持实时视频会商，将无人机采集的数据图像实时传回指挥中心；
无线单兵图传设备，支持5km范围内图形采集。
整体方舱式结构基础，应急现场展开搭建迅速。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，所述***包括：
数据采集单元，用于对目标区域进行扫描，获得扫描数据；
移动工作站，用于基于扫描数据建立目标区域三维模型，将目标区域三维模型与地形景观数据结合组成电力线路资产管理平台；基于电力资产信息建立资产管理数据库，移动工作站在电力线路资产管理平台中增加目标区域三维模型的拓扑关系和电力资产信息；
分析单元，用于基于目标区域电塔上的监控设备传回的数据，基于视频监控数据进行电力分析；
通信单元，用于将视频监控数据以及电力线路资产管理平台中的数据发送至指挥中心；
指挥中心，用于将视频监控数据以及三维点云数据进行对比，基于对比结果对目标区域的灾害情况进行评估。
2.根据权利要求1所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，所述数据采集单元具体为搭载有机载激光雷达的无人机。
3.根据权利要求1所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，基于视频监控数据进行电力分析包括：预测模拟不同温度、风速和覆盖条件下弧垂变化情况，以及模拟树木生长情况。
4.根据权利要求1所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，通信单元采用卫星通信网络进行通信。
5.根据权利要求1所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，移动工作站还用于对目标区域进行定位。
6.根据权利要求1所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，对目标区域的灾害情况进行评估包括：对危险地物进行检查、报警、并输出检测结果统计列表；对杆塔位移/倾斜自动探测；对线路走廊地形空间进行分析，地质灾害识别。
7.根据权利要求1所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，所述数据采集单元中安装有无人机飞行控制***，无人机飞行控制***包括：
能见度识别单元，用于采集无人机预设范围内的能见度信息；
风力大小采集单元，用于采集无人机预设范围内的风力大小；
检测单元，用于检测无人机与移动工作站的通信传输质量；
预估单元，用于基于目标区域的大小，计算出扫描路径和飞行时间，基于飞行时间判断无人机剩余电量是否能够完成本次目标区域的扫描；
控制单元，用于在当无人机预设范围内的能见度低于预设要求时，控制无人机停止扫描操作；当无人机预设范围内的风力大于预设要求时，控制无人机停止飞行；当无人机与移动工作站的通信传输质量低于预设要求时，控制无人机停止飞行；当无人机剩余电量不能够完成本次目标区域的扫描时，控制无人机停止飞行。
8.根据权利要求1所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，所述***还包括生成单元，用于基于目标区域的灾害情况的评估结果生成评估报告，基于评估报告生成灾害情况抢修方案。
9.根据权利要求8所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，所述***还包括报警单元，用于当评估报告中的灾害等级满足预设要求时，向预设终端发送告警信息，并将抢修方案发送到抢修队。
10.根据权利要求1所述的基于卫星通信的无人机激光雷达航空数据遥测与分析***，其特征在于，所述***还包括存储单元，用于对***采集的视频信息、扫描数据和***运行信息进行存储。
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