機載激光點云輸電線路巡檢關鍵技術研究

麻衛(wèi)峰

1. 云南師范大學地理學部,云南 昆明 650500; 2. 中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650051; 3. 云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室,云南 昆明 650500

輸電線路作為電網系統(tǒng)的重要組成部分,承載著國民生產和生活所需電力能源的運輸命脈,對其運行狀態(tài)安全巡檢及風險監(jiān)測一直是電網運營管理部門關注的重點。機載激光雷達(light detection and ranging)能夠快速獲取高精度、高密度的輸電線路三維空間信息——點云數據,彌補了傳統(tǒng)人工地面巡檢效率低下、精度不高的缺陷,已成為輸電線路智能化巡檢研究的新型技術手段。盡管國內外學者開展了大量的激光雷達電力巡檢工程試驗和理論研究并取得了顯著的進展,但相關研究仍存在算法普適性不夠高、信息挖掘和應用不夠全面等問題。因此,論文聚焦激光點云輸電線精細提取、激光點云輸電線模型重建、輸電線工況模擬和狀態(tài)監(jiān)測等關鍵技術開展研究。主要研究內容和結論如下。

(1) 借鑒地圖投影思想,將輸電線三維激光點云投影至二維模型殘差空間,通過引入或改進經典聚類算法將激光點云輸電線提取過程轉化為模型殘差聚類,提出了兩種激光點云輸電線精提取方法,包括殘差密度聚類法和殘差改進K均值聚類法,解決了點云缺失、大量噪聲等復雜背景環(huán)境的激光點云輸電線提取難題。試驗結果表明:①兩種方法均有效克服對點云連續(xù)性和完整性的依賴,單根輸電線提取率均在95%以上,同時顧及輸電線檔距和數目、線路地形及點云密度等因素,對分裂導線的單導線提取仍具有較好的適應性;②殘差密度聚類法無須類別數目輸入且能識別任意形狀類簇目標,輸電線提取具有自動化程度高、普適性好的特點,殘差改進K均值聚類法通過拐點法自適應聚類數目、距離約束初始樣本點選擇和閾值判別的噪聲點自動識別等改進策略,使得輸電線提取具有操作簡單、抗噪性強的優(yōu)勢。

(2) 從模型選擇和參數求解兩個方面入手,改善了激光點云輸電線模型重建精度。首先,提出了顧及風偏環(huán)境的輸電線形態(tài)描述的空間模型方程(拋物線-拋物線方程),并討論了不同模型方程的適應性和有效性;然后,通過優(yōu)化種子點選擇數目和方案、引入最小二乘初始模型求解等策略,提出了一種改進隨機采樣一致性激光點云輸電線模型參數求解方法。試驗結果表明:①論文提出的拋物線-拋物線模型方程精確描述了風荷載激勵的輸電線形態(tài)特征,更合適風偏環(huán)境下激光點云輸電線空間模型重建,已有直線-拋物線和直線-懸鏈線方程對無風偏環(huán)境的激光點云輸電線模型重建具有較高的精度,且直線-拋物線方程更佳;②改進隨機采樣一致性模型參數求解方法既繼承原始算法自動識別噪聲點的特性,又具備穩(wěn)定性優(yōu)勢,輸電線模型重建中誤差為7.06,平均誤差6.15 cm,最大誤差19.10 cm。

(3) 通過分析高溫、大風和覆冰典型氣象因素作用于輸電線的形變過程及機理,建立了不同工況環(huán)境下輸電線空間模型動態(tài)模擬方法,針對全站儀、GPS等傳統(tǒng)定點測繪技術驗證樣本容量不足、動態(tài)輸電線捕捉困難等缺陷,設計了一種兩期激光點云輸電線工況模擬精度評定交叉驗證法,該研究內容的創(chuàng)新之處在于實現了基于靜態(tài)激光點云的動態(tài)環(huán)境輸電線模型重建,彌補了靜態(tài)激光點云無法及時反饋動態(tài)環(huán)境輸電線運行狀態(tài)信息的不足。通過人工設置5種不同氣象條件的工況組合,試驗結果表明:論文提出的靜態(tài)激光點云輸電線工況動態(tài)模擬方法可行且結果可靠,激光點云輸電線工況模擬平均誤差小于0.036 m,中誤差小于0.027,最大誤差小于0.171 m。

(4) 在溫度校正和風速改正等氣象數值預報數據預處理基礎上,綜合輸電線提取、輸電線模型重建和輸電線工況模擬等研究內容,構建了機載激光點云輸電線路缺陷監(jiān)測技術流程,該內容的主要創(chuàng)新點在于拓展了激光點云輸電線路巡檢模式,實現了機載激光雷達電力巡檢模式由靜態(tài)檢測到動態(tài)監(jiān)測的跨越。首先,量化缺陷監(jiān)測指標參數及等級劃分標準;然后,通過水平應力及等值覆冰厚度等輸電線運行狀態(tài)物理參數反演及變化規(guī)律分析,建立了斷線、倒塔等線路本體要素缺陷檢/監(jiān)測;最后,通過輸電線與地物的凈空距離提取,建立了閃絡、放電等輸電線路通道缺陷檢/監(jiān)測。