基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法研究

蕭振輝, 劉余敏

(廣州供電局有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著工業(yè)用電和民用用電量的增加，我國(guó)電力設(shè)施建設(shè)隨之增加。我國(guó)高壓輸電線不斷應(yīng)用到遠(yuǎn)距離電力輸送中，這種高壓輸電線對(duì)我國(guó)電力資源的輸送具有重要意義。但是輸電線長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生一定的質(zhì)量問題，因此需要定期檢查電力線路，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力線路中存在的問題，減少電路問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的電力巡線方法一般采用人工測(cè)繪[1-2]，已經(jīng)不適用目前的巡線工作。為解決目前電力巡線上的問題，提出一種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法，為工業(yè)和民用電等用電提供保障。

三維激光雷達(dá)技術(shù)是一種利用激光測(cè)距原理和航空攝影測(cè)量原理，快速獲取大面積地球表面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)。根據(jù)從發(fā)射目標(biāo)反射回來的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)比較，在處理后，就可以獲得目標(biāo)的相關(guān)信息，如目標(biāo)距離、位置、高度等，從而對(duì)物體探測(cè)，具有作業(yè)速度快、工作量小、獲取數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。同時(shí)，可快速生成數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像等，因此將其應(yīng)用到電力巡線檢測(cè)中，具有重要意義。

此次設(shè)計(jì)方法首先計(jì)算三維激光雷達(dá)到目標(biāo)物的距離，對(duì)電力線點(diǎn)云的連通成分分析，獲取電力線激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，根據(jù)準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息完成對(duì)電力的巡線。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法比傳統(tǒng)的巡線方法效率高。

1 基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法設(shè)計(jì)

1.1 電力線激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

對(duì)電力線激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的目的是將同一電力線的激光雷達(dá)點(diǎn)聚為一類，將不同電力線的激光雷達(dá)點(diǎn)聚為不同類，從而減少巡線時(shí)間，以提高電力巡線的效率。

基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線過程，如圖1所示。

圖1 三維激光雷達(dá)測(cè)量過程

由于三維激光雷達(dá)技術(shù)原理是經(jīng)激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖至目標(biāo)物[3]，在這一過程中，三維激光雷達(dá)高度以及掃描的角度和方向存在差異，因此首先對(duì)三維激光雷達(dá)到目標(biāo)物的距離計(jì)算，如式(1)。

(1)

式中，i為震蕩器頻率，g為脈沖個(gè)數(shù)，c為三維激光雷達(dá)光速，n為被測(cè)目標(biāo)。通過上述公式，得到三維激光雷達(dá)到達(dá)目標(biāo)物的位置信息，在此基礎(chǔ)上，借助K-N樹[4]實(shí)現(xiàn)電力線點(diǎn)云的連通成分分析，具體步驟如下。

Step1：將待處理的激光點(diǎn)集的電力線路標(biāo)號(hào)狀態(tài)設(shè)置為未標(biāo)號(hào)，將未標(biāo)號(hào)的點(diǎn)集放至統(tǒng)一隊(duì)列，同時(shí)建立點(diǎn)集的空間索引，設(shè)置點(diǎn)集起點(diǎn)標(biāo)號(hào)為O；

Step2：在點(diǎn)集隊(duì)列中，順次查找未標(biāo)號(hào)的點(diǎn)，若未標(biāo)號(hào)的點(diǎn)為空，則結(jié)束標(biāo)號(hào)過程，如果標(biāo)號(hào)點(diǎn)不為空，將點(diǎn)集隊(duì)列中未標(biāo)號(hào)的點(diǎn)重建壓入新的隊(duì)列，記為種子點(diǎn)隊(duì)列；

Step3：以種子點(diǎn)隊(duì)列中的第一個(gè)未標(biāo)號(hào)的點(diǎn)記為種子點(diǎn)[5]，借助K-N樹查找該種子點(diǎn)的臨近點(diǎn)，將臨近點(diǎn)中所有未標(biāo)號(hào)的點(diǎn)存入該隊(duì)列；

Step4：查看種子點(diǎn)隊(duì)列中未標(biāo)號(hào)點(diǎn)的數(shù)量，如果數(shù)量不為0，則回到step3步驟，如果未標(biāo)號(hào)數(shù)量為0，進(jìn)入下一步驟；

Step5：將種子點(diǎn)隊(duì)列中的所有雷達(dá)[6]點(diǎn)標(biāo)記為L(zhǎng)djgn，并清空種子點(diǎn)隊(duì)列。

通過上述過程獲取到電力線激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)查看電力線情況，為電力巡線提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1.2 基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線實(shí)現(xiàn)

在上述電力線激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上，對(duì)電力巡線，由于獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在差異和坐標(biāo)等問題，所以先對(duì)雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，再對(duì)電力巡線，具體過程如下。

第一，對(duì)三維激光雷達(dá)精度校檢，對(duì)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，以測(cè)量出準(zhǔn)確的電力信息。由于三維激光雷達(dá)在電力巡線[7]過程中會(huì)受到多種誤差影響，因此對(duì)三維激光雷達(dá)進(jìn)行精度校檢，首先計(jì)算三維激光雷達(dá)單機(jī)自身參數(shù)的影響，如式(2)。

(2)

式中，S代表點(diǎn)云密度，w代表掃描半徑，p為角分辨率，θ代表掃描半角。通過上述公式，調(diào)節(jié)單機(jī)自身參數(shù)，減少單機(jī)自身參數(shù)對(duì)電力巡線的影響，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

第二，確定雷達(dá)目標(biāo)位置，處理差分后的雷達(dá)位置信息，將航跡與姿態(tài)進(jìn)行組合解算[8]，得到精確的位置信息。由于三維激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不具備坐標(biāo)和空間信息，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理獲得激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的流程圖，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程圖

第三，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成，經(jīng)過上述處理，獲得測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，由于原點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，因此對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。假設(shè)激光發(fā)射瞬間測(cè)得的掃描距離為Q，則激光腳點(diǎn)[9]在瞬時(shí)掃描坐標(biāo)系的坐標(biāo)，如式(3)。

(3)

式中，RSL為掃描坐標(biāo)系到參考坐標(biāo)系[10]的轉(zhuǎn)換因子，Xq、Yq、Zq分別為瞬時(shí)掃描坐標(biāo)位置，a、b、q分別代表相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)的掃描距離。通過上述計(jì)算，完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)基于三維激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在下一步對(duì)電力線路進(jìn)行加密濾波和分類。

第四，對(duì)電路分檔[11]，確定每一個(gè)電力線路檔的三維空間范圍，由于三維激光雷達(dá)獲取的每一個(gè)電力線路的連通成分可能包含同一電力線多檔的激光雷達(dá)點(diǎn)，因此將該連通成分以電力線路檔分為相應(yīng)的差分單元，如式(4)。

(4)

式中，m代表電力線路檔，RT為激光雷達(dá)點(diǎn)端點(diǎn)坐標(biāo)，lbcx代表單元拆分因子，z代表檢測(cè)檔與檔之間的拐點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上，采用分層隨機(jī)抽樣的方法對(duì)電力線路的單檔電力線進(jìn)行點(diǎn)云聚類[12]，如式(5)。

(5)

式中，B為分層隨機(jī)抽樣因子，u代表電力線劃分因子，ya為電力線路測(cè)量值。

通過上述計(jì)算，將每一個(gè)電力導(dǎo)線的點(diǎn)數(shù)據(jù)劃分到相應(yīng)的根中，獲得準(zhǔn)確的電力線路信息。同時(shí)為進(jìn)行可視化的巡線，構(gòu)建交互環(huán)境，真實(shí)反應(yīng)電力線路現(xiàn)狀，滿足電力應(yīng)用需求。同時(shí)，建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)，將獲得的電力線路信息與其對(duì)應(yīng)的屬性集成并存儲(chǔ)于空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)該數(shù)據(jù)庫(kù)中提供線路查詢與分析功能，電力巡線提供可靠基礎(chǔ)，以此完成基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線。

2 實(shí)驗(yàn)論證

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。同時(shí)，為使實(shí)驗(yàn)更具說明性，將傳統(tǒng)的電力巡線方法與此次設(shè)計(jì)方法對(duì)比，評(píng)價(jià)兩種方法的電力巡線效率，效率評(píng)價(jià)采用時(shí)間開銷作為指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由Opsdf機(jī)載激光測(cè)量?jī)x獲取，兩種方法使用相同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置包括：ThinkPadW520筆記本，CPU為2.4 GHz，處理器內(nèi)存4 GB，操作系統(tǒng)為Windows XP系統(tǒng)，測(cè)試服務(wù)器選用Intel Pentium X2，并利用SHDUFI仿真軟件模擬電力線路環(huán)境。此次實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，設(shè)置Dfiyo、Fxfgn、Xfhgj三條電線，這三條電線中故障點(diǎn)數(shù)不同，分別對(duì)比兩種電力巡線方法檢查這三條故障電線的時(shí)間。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 電力巡線時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

此次設(shè)計(jì)的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法與傳統(tǒng)的電力巡線方法的故障效率，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

分析上表可知，第一條Dfiyo線路中故障線路較少，傳統(tǒng)電力巡線時(shí)間與此次設(shè)計(jì)方法的電力巡線時(shí)間相差3.008 min；第二條Fxfgn線路中故障線路點(diǎn)比Fxfgn多，傳統(tǒng)電力巡線時(shí)間與此次設(shè)計(jì)方法的電力巡線時(shí)間相差5.001 min；第三條Xfhgj線路中故障點(diǎn)最多，傳統(tǒng)電力巡線時(shí)間與此次設(shè)計(jì)方法的電力巡線時(shí)間相差7.21 min。

對(duì)比可知，在故障點(diǎn)較少時(shí)，傳統(tǒng)方法的巡線時(shí)間與此次設(shè)計(jì)方法的巡線時(shí)間相差較小，而隨著故障點(diǎn)的增加，傳統(tǒng)方法的巡線時(shí)間與此次設(shè)計(jì)方法的巡線時(shí)間相差越來越大。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，在故障點(diǎn)多和少的情況下，此次設(shè)計(jì)的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法效率均高于傳統(tǒng)方法的巡線效率。因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)方法參數(shù)少，計(jì)算復(fù)雜程度低，無需人工干預(yù)，自適應(yīng)性強(qiáng)；傳統(tǒng)方法需要經(jīng)過初值求解、模型優(yōu)化、線路檢測(cè)等過程，導(dǎo)致電力巡線檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)。因此，通過上述實(shí)驗(yàn)可以證明，此次設(shè)計(jì)的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法效率較高，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力線路中存在的問題，具備實(shí)際應(yīng)用意義。

2.2.2 電力巡線的準(zhǔn)確性對(duì)比

基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法與傳統(tǒng)電力巡線方法的準(zhǔn)確率，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，如圖4所示。

圖4 電力巡線準(zhǔn)確率對(duì)比圖

圖4表示了經(jīng)多次迭代后，三維激光雷達(dá)技術(shù)電力巡線方法和傳統(tǒng)的電力巡線方法的準(zhǔn)確率對(duì)比圖?？梢钥闯?，每次迭代本文方法的準(zhǔn)確率都高于傳統(tǒng)方法，隨著迭代的次數(shù)增多準(zhǔn)確率也隨之增加。而傳統(tǒng)方法的準(zhǔn)確率明顯低于本文方法，隨著迭代次數(shù)的增多不但未有明顯的改變，還有下降的趨勢(shì)。因此，通過本次實(shí)驗(yàn)可以證明，本文中基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法準(zhǔn)確率較高，在電力巡線的使用中比傳統(tǒng)方法具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3 總結(jié)

針對(duì)傳統(tǒng)的電力巡線方法效率低的情況，設(shè)計(jì)了一種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法，以滿足電力巡線需求。此次設(shè)計(jì)方法首先對(duì)電力線激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)其處理，得到準(zhǔn)確的電力線路點(diǎn)的坐標(biāo)信息，根據(jù)坐標(biāo)信息完成對(duì)電力信息的查看。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法比傳統(tǒng)巡線方法效率高，更具備應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。證明此次設(shè)計(jì)的電力巡線方法能夠降低電力部門的巡線預(yù)算、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少巡線時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)查看電力線路中的問題。

希望此次設(shè)計(jì)的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的電力巡線方法為電力巡線提供幫助，為電網(wǎng)發(fā)展提供有力的支持。