基于三維激光點云的電力線桿塔變形監(jiān)測研究

王維坤，張 樂，張 軍，崔 雷，蔡博文

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥）

前言

處于自然環(huán)境下的電力線在應(yīng)用中很容易受到氣象條件以及工況條件的影響，使得導線與地物之間的距離發(fā)生動態(tài)變化。在這一情況下，需要對與電力線相關(guān)的各項運行參數(shù)進行實時監(jiān)測，才能夠及時發(fā)現(xiàn)電力線運行中可能存在的各種問題，降低其中隱藏的安全風險和隱患，保障和提升電力線的運行安全具有積極的意義。

1 三維激光點云技術(shù)原理

將三維激光點云技術(shù)應(yīng)用到電力線桿塔的變形監(jiān)測當中，主要依賴于從激光點云數(shù)據(jù)中提取電力線懸掛點。在應(yīng)用機載激光雷達技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過危險點檢測的方式，直接獲取測區(qū)地物上的大量三維空間坐標點集，這些數(shù)據(jù)被稱為激光點云?，F(xiàn)階段應(yīng)用的機載激光雷達系統(tǒng)，以獲取激光點云數(shù)據(jù)為主要目標，能夠充分發(fā)揮計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的作用，以數(shù)字化波形的方式來接收激光點云數(shù)據(jù)。將激光點云應(yīng)用到電力線中，需要對電力線進行建模，才能夠?qū)崿F(xiàn)對電力線的弧垂模擬以及增容分析。

2 基于三維激光點云的電力線桿塔變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用分析

基于保障電力線安全運行的需求，將三維激光點云融入到電力線桿塔變形監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計當中，在充分考慮三維激光點云技術(shù)原理的前提下，需要基于圖1 所示流程來對電力線桿塔的變形情況進行監(jiān)測分析。

圖1 變形監(jiān)測分析流程

本文在分析中，著重基于三維激光點云的原理，對電力線桿塔變形監(jiān)測進行分析，主要選取以下幾個方面來實現(xiàn)對于監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)劃：

2.1 點云數(shù)據(jù)預處理

電力線的架設(shè)和運行需要依賴鐵塔來實現(xiàn)，電力線分布范圍內(nèi)除鐵塔外通常不會再有其他地物。以往在對電力線進行巡檢時，應(yīng)用激光設(shè)備主要依賴第一次回波的點來獲得激光數(shù)據(jù)，少部分情況下會只有一個回波的點。應(yīng)用三維激光點云技術(shù)，在進行數(shù)據(jù)預處理時，首先需要剔除第一次回波外的所有多次回波點，用以減少后續(xù)處理的數(shù)據(jù)點和后續(xù)需要提取的線特征數(shù)量。然后將得到的數(shù)據(jù)在三維空間中以網(wǎng)格的方式進行劃分。

網(wǎng)格的劃分大小應(yīng)不超過該線路電壓登記所規(guī)定的地物安全距離最小值。例如，在220 kV 線路中，地物安全距離最小值為4 m?？紤]電力線在實際運行中會受到重力以及氣象條件的影響，在劃分網(wǎng)格的過程中，應(yīng)充分考慮電力線本身可能產(chǎn)生的弧垂狀態(tài)，明確電力線不同的弧垂程度在網(wǎng)格中的范圍。通常情況下，一根電力線在三維網(wǎng)格中占據(jù)的范圍以9 個或6 個網(wǎng)格為主，網(wǎng)格較小則電力線的弧垂也較小，通常占據(jù)6 個網(wǎng)格。為除去點云數(shù)據(jù)收集中各種噪聲點對數(shù)據(jù)分析的影響，考慮將存在子導線的電力線的點進行標記，在實際統(tǒng)計和分析中，需要將這些標記點去除，就可以達到過濾噪聲點和非兩維結(jié)構(gòu)物體的目的，從而獲得更準確的電力線的點[1]。

在對預處理后的點云數(shù)據(jù)進行分析時，發(fā)現(xiàn)在同一條電力線中，點云即便存在缺失，也能夠體現(xiàn)出獨特的空間特征，即在三維空間中，同一條電力線上相鄰點云之間的高程不會受到相鄰點云之間距離大小的影響，高程的整體變化范圍較小，因而不會對電力線的表征判斷和分析產(chǎn)生影響。如圖2 所示，設(shè)定同層電力線中相鄰點云高差為dz1，不同層電力線間點云高差為dz2，則可以依據(jù)P0、P1、P2等電力線的不同點到直線的距離來對電力線的表征進行判定和分析。

圖2 同一條電力線上的表征

在此基礎(chǔ)上，考慮同一條電力線中，點云本身能夠具備2 個以上的空間特征，就可以基于較小的高差變化來達到分層提取電力線的目的。

2.2 電力線提取與桿塔位置確定

在完成點云數(shù)據(jù)的預處理后，需要提取三維網(wǎng)格中的電力線和確定桿塔的主要位置。假設(shè)三維激光點云的投影面為XY 投影面，為提取投影到二維平面上的直線，先應(yīng)通過點云數(shù)據(jù)預處理去除電力線周圍的噪聲點，然后基于霍夫變換原理，將直線上的點轉(zhuǎn)換為直線來達到提取二維平面上直線的目的。這一過程主要用以下方程來表示：

基于該方程，選取直線上任一確定的點，用（x0,y0）表示，則y0=kx0+b。這樣就可以表示在參數(shù)平面（k,b）中的一條直線?；谶@一原理，圖像中的一條直線就可以對應(yīng)參數(shù)平面中的一個點。

以霍夫變換的方式，將應(yīng)用三維激光掃描獲取的圖像中的點映射到參數(shù)平面上，主要對參數(shù)平面中相交直線的個數(shù)進行統(tǒng)計。如果相交的直線個數(shù)能夠達到一定標準，就可以將其視為線段。對相交點較多的直線，則需要按照相交直線最多的標準來進行線段的選擇。而由于在這一過程中，難以用y=kx+b代表x=c，因而在實際應(yīng)用中，考慮以如下方程來對該情況進行表示：

這一方法檢測多條直線段，可以在充分考慮電力線特征的情況下篩選出合適的電力線?？紤]實際的電力線分支和形式較多，在將其投影到參數(shù)平面后，會出現(xiàn)多條相互平行且長度相同的直線。在應(yīng)用激光掃描設(shè)備沿著巡線獲取激光點云數(shù)據(jù)的情況下，激光點云能夠呈現(xiàn)出沿著被檢測線路分布的特點，在這一情況下，被電測電力線在投影平面上的直線最長?；诖?，可以及時剔除由于霍夫變換提取出的非電力線的線段。

完成投影面中電力線的提取后，通過延長這些電力線的方式，可以讓不同的電力線相交，得到的交點位置即為桿塔的位置。在同一投影面有多條相交線的情況下，取距離線斷電最近的交點為對應(yīng)的線。應(yīng)用這一原理，可以直接搜索和標注電力線有轉(zhuǎn)角的桿塔的具體位置[2]。

2.3 電力線分割與建模

在確定XY 投影面上電力線的直線參數(shù)后，應(yīng)考慮誤差情況對電力線斷面以及桿塔位置產(chǎn)生的影響，在計算電力線所在斷面的情況下，應(yīng)在XY 投影面為斷面預留一定的寬度，讓其能夠包含更多的點云數(shù)據(jù)。在充分考慮電力線子導線之間距離以及激光掃描設(shè)備誤差影響的前提下，將預留寬度設(shè)置為20 cm，以規(guī)劃一根電力線拋物線方程的方式，可以應(yīng)用以下公式來表示：

考慮實際每個斷面的電力線數(shù)量較多，且每條電力線的4 根子導線有兩根在水平方向處于重疊狀態(tài)，進而產(chǎn)生多條拋物線，可以采取平均分段和從高到低的策略，以同時進行斷面電力線的分割和拋物線擬合為主要方法，獲取更符合實際情況的電力線。

在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)斷面的左邊界到右邊界將其平均劃分為5 段，取每段中的最高點，則可以得到5個點。然后需要根據(jù)最小二乘法擬合的原理，在及時去除可能影響擬合效果的噪聲點后再進行處理。在得到的擬合結(jié)果中找到符合實際電力線運行情況的拋物線后，需要結(jié)合電力線的斷面來對電力線與拋物線之間的垂直距離進行計算。為實現(xiàn)對垂直距離的衡量分析，考慮以子導線縱截面的兩倍作為衡量距離大小的標準，未達到這一標準距離的點，則可以認為是拋物線的激光點。在此基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建拋物線方程，將高于拋物線的點作為噪聲點進行過濾處理。而剩下的點，則需要在此進行電力線方程的計算，對劃分的五個階段中缺少激光點的情況，則可以證實該電力線已經(jīng)完成迭代建模。

2.4 實驗過程

基于三維激光點云的原理，在對電力線桿塔進行電力監(jiān)測的過程中，選擇某電力線鐵塔進行實驗分析。應(yīng)用Trimble TX8 三維激光掃描儀來對鐵塔進行掃描，以擬合拋物線的方式，獲取鐵塔中心坐標，再分別提取電力線和鐵塔關(guān)鍵部分的點云數(shù)據(jù)，借助特征擬合的方式來獲得更準確的幾何參數(shù)，就可以對鐵塔不同位置到鐵塔軸線的偏差距離進行計算分析。

基于這一目的，首先需要對應(yīng)用三維激光掃描儀獲得的數(shù)據(jù)進行點云配準和降噪精簡處理。然后截取鐵塔不同部位的界面，以圓柱擬合的方式提取機電坐標值，可以獲得相應(yīng)的擬合參數(shù)。以鐵塔的關(guān)鍵部位中心坐標值為例，如表1 所示。

表1 鐵塔關(guān)鍵部位中心坐標值（單位：m）

在獲得以上中心坐標值后，通過特征擬合的方式，求出不同部位中心作表語鐵塔底部中心的坐標偏移量（如表2），就可以對鐵塔的傾斜度進行計算（如圖3）。

表2 鐵塔關(guān)鍵部位中心坐標偏移值（單位：m）

圖3 鐵塔傾斜度及偏移趨勢

在明確該鐵塔總高為51 m 的前提下，結(jié)合實驗監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該鐵塔在Y 軸方向上的偏移值在18 mm 左右，在X 軸方向上的偏移值則能夠與鐵塔高度之間呈現(xiàn)出較為明顯的線性關(guān)系，在鐵塔結(jié)構(gòu)高度不斷增高的情況下，其變化趨勢也在不斷增大。而在對鐵塔的傾斜度進行計算后，發(fā)現(xiàn)地線橫擔處的傾斜度最大，在0.17%左右。這一傾斜度在正常的桿塔傾斜閾值內(nèi)，因而能夠保障鐵塔的安全運營。

2.5 基于三維激光點云的監(jiān)測算法應(yīng)用

為充分發(fā)揮三維激光點云的作用，可以借助算法來實現(xiàn)對懸掛點空間坐標以及傾斜度的計算，也可以實現(xiàn)電力線運行和應(yīng)用情況的模擬。在對電力線進行運行監(jiān)測的過程中，借助算法提升計算結(jié)果的準確性，及時發(fā)現(xiàn)輸電通道存在的潛在缺陷和問題，實現(xiàn)對于相關(guān)區(qū)域的自動化監(jiān)測，主要可以借助懸掛點來實現(xiàn)對電力線的精確定位。具體而言，在對電力線點云空間特征進行分析的基礎(chǔ)上，讓其以公式化的方式表達出來，進而提出針對電力線點云空間的約束條件，將其作為生長準則，以空間約束區(qū)域生長分割的方式，將單根電力線點云從跨越多檔的電力線中分割出來，提升電力線點云分割的準確性和完整性，能夠為懸掛點的精準定位提供良好的支持[3]。

3 結(jié)論

總之，在實際應(yīng)用該技術(shù)對電力線桿塔的變形情況進行監(jiān)測時，應(yīng)充分考慮電力線以及桿塔所在的自然環(huán)境條件，對比設(shè)計圖紙中的懸掛點與實際懸掛點的位置出入情況，借助激光點云數(shù)據(jù)來獲取更準確的電力線和干擾懸掛點坐標。在確定電力線以及桿塔位置后，通過分割和建模的方式，將電力線的運行過程模擬出來，用于對其可能產(chǎn)生的變形情況進行監(jiān)測和分析。