基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類方法研究

鄭武略 張富春 翁珠奮 袁文俊

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)輸電線路分類方法分類效率低的問(wèn)題，提出了一種基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類方法。首先根據(jù)輸電線路分類需求，運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)和無(wú)人機(jī)獲取輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，剔除一些冗余數(shù)據(jù)，最后利用聚類分析算法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以此實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類方法具有較高的分類效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光;點(diǎn)云數(shù)據(jù);輸電線路;聚類分析算法

0 引言

傳統(tǒng)的輸電線路分類方法由于分類精度低、效率低，經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)分、漏分等現(xiàn)象，使傳統(tǒng)分類方法已經(jīng)無(wú)法滿足輸電線路分類需求。輸電線路分類是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題，并且在分類過(guò)程中需要對(duì)大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，導(dǎo)致輸電線路自動(dòng)分類具有一定的困難。因此，本文將機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到輸電線路自動(dòng)分類中，提出了一種基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類方法，提高了輸電線路的自動(dòng)分類效率。

1 基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類方法

1.1? ? 機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)由于工作效率高、測(cè)量精準(zhǔn)度高、操作靈活、作業(yè)范圍廣以及自動(dòng)化水平高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為重要的觀測(cè)技術(shù)之一，此次利用機(jī)載激光雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)對(duì)輸電線路的云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[1]。利用激光雷達(dá)技術(shù)和無(wú)人機(jī)技術(shù)采集輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以時(shí)間同步技術(shù)作為技術(shù)支撐，可以同步獲取輸電線路三維激光點(diǎn)云和定位姿勢(shì)數(shù)據(jù)，能夠高集成度、高效率、高質(zhì)量地獲取數(shù)據(jù)[2]。機(jī)載激光雷達(dá)與無(wú)人機(jī)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1.2? ? 機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

由于機(jī)載激光雷達(dá)采集到的輸電線路空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有不連續(xù)性、非線性、不規(guī)則性特點(diǎn)，使輸電線路自動(dòng)分類具有一定的復(fù)雜性，并且采集到的數(shù)據(jù)存有大量的冗余數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)輸電線路精準(zhǔn)分類[3]。首先，根據(jù)電力線的橫擔(dān)寬和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的屬性值，對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，這樣既保證了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)和質(zhì)量，同時(shí)還減少了原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)處理效率[4]。抽稀處理方法是一種基于樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的最近鄰近點(diǎn)查找點(diǎn)云抽稀方法，該方法可以將高密度、高冗余度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照一定的間隔距離進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)抽稀處理后的數(shù)據(jù)腳點(diǎn)之間能夠保持相同間隔距離均勻分布。然后，需要建立一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)樹(shù)，根據(jù)輸電線路分類要求，確定抽稀最小距離，計(jì)算出最優(yōu)樹(shù)層，提高緊鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)的查找效率[5]。最后，在找到給定距離的點(diǎn)云數(shù)據(jù)腳點(diǎn)后，剔除周圍其余的腳點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。

1.3? ? 輸電線路自動(dòng)分類

根據(jù)輸電線路自動(dòng)分類需求，選用聚類分析算法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類，運(yùn)用聚類分析算法確定輸電線路的數(shù)量和起點(diǎn)，然后基于輸電線路高度的最小值確定輸電線路的下導(dǎo)線，最后運(yùn)用算法對(duì)輸電線路進(jìn)行導(dǎo)線追蹤，以此實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類[6]。圖1為基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類流程圖。

把處理后的機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為N個(gè)類別，確保每個(gè)類別內(nèi)都具有一定的相似度，采用平方誤差準(zhǔn)則推算出類別的相似度，其定義如下：

R=∑|p-mi|2Gi

式中，R表示全部機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平方誤差總合;p表示空間中的點(diǎn);mi表示類別Gi的平均值。

根據(jù)機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)相似特征，將數(shù)據(jù)歸集到一類構(gòu)成集合，將每類集合中篩選出一個(gè)種子點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為輸電線路起點(diǎn)，再將種子點(diǎn)云數(shù)據(jù)周圍區(qū)域中具有相同特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并到一起，直到?jīng)]有滿足條件的機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分進(jìn)來(lái)為止，此時(shí)完成輸電線路自動(dòng)分類。

具體分類步驟如下：首先對(duì)機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度計(jì)算，將所有數(shù)據(jù)按照相似度進(jìn)行分類，然后找到一個(gè)歸類的點(diǎn)云數(shù)據(jù)記為A。然后以A為中心，對(duì)A周圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)判，如果滿足歸類準(zhǔn)則將其與A歸到一個(gè)區(qū)域，再在區(qū)域中找一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后重復(fù)上述操作，直到集合中每個(gè)點(diǎn)都有相應(yīng)分類時(shí)，完成對(duì)輸電線路自動(dòng)分類。

2 實(shí)驗(yàn)

在完成對(duì)基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類方法設(shè)計(jì)后，需要對(duì)其進(jìn)行一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)該方法是否能滿足輸電線路自動(dòng)分類實(shí)際需求。將其與傳統(tǒng)分類方法同時(shí)應(yīng)用到某電網(wǎng)輸電線路分類中，將機(jī)載激光掃描寬度設(shè)置為150 m，條帶長(zhǎng)45 km。首先對(duì)需要分類的輸電線路進(jìn)行分塊，然后針對(duì)每個(gè)區(qū)域的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輸電線路自動(dòng)分類。此次實(shí)驗(yàn)選用電壓為220 V輸電線路作為分類對(duì)象，共包含4檔數(shù)據(jù)，每檔數(shù)據(jù)包含8相輸電線，每相輸電線有4根分裂導(dǎo)線，3個(gè)基桿塔，每個(gè)基桿塔高約35 m。運(yùn)用兩種方法對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)分類，檢驗(yàn)此次提出方法的分類效率。圖2為兩種分類方法的分類效率。

從圖2可以看出，此次提出的基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線路自動(dòng)分類方法的分類效率可達(dá)到90%，比傳統(tǒng)方法高出約30%，證明此次提出的方法可以有效提高輸電線路自動(dòng)分類效率。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)載激光雷達(dá)為輸電線路地理空間三維數(shù)據(jù)的獲取、處理、分類提供了全新的技術(shù)手段，可以有效提高輸電線路自動(dòng)分類效率和質(zhì)量。該方法分類效率高、精度高，對(duì)于復(fù)雜區(qū)域的輸電線路可以取得良好的分類效果，實(shí)現(xiàn)了輸電線路分類的自動(dòng)化、智能化、高效化，為輸電路線故障處理和分析提供了良好的理論依據(jù)。

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收稿日期：2019-12-26

作者簡(jiǎn)介：鄭武略（1987—），男，湖北宜昌人，碩士，工程師，從事超高壓輸電線路運(yùn)行維護(hù)工作。