基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的超高壓電力工程巡檢研究

摘" 要：該文探討基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的超高壓電力工程巡檢方法，以解決傳統(tǒng)巡檢技術(shù)在電力工程中存在的局限性。首先，對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行全面的介紹與分析，包括其原理、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用范圍。其次，針對(duì)超高壓電力工程巡檢中存在的難點(diǎn)和問題，提出基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的巡檢方案，并詳細(xì)闡述實(shí)施步驟和關(guān)鍵技術(shù)。然后，提出基于漸進(jìn)形態(tài)學(xué)地面濾波的超高壓輸電線路點(diǎn)云語義分割算法。最后，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法在超高壓電力工程巡檢中的有效性和可行性。結(jié)果表明，基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的超高壓電力工程巡檢方法具有高精度、高效率和高安全性的特點(diǎn)，能夠滿足超高壓電力工程巡檢的實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)；超高壓電力工程巡檢；漸進(jìn)形態(tài)學(xué)地面濾波；點(diǎn)云語義分割算法；巡檢方案

中圖分類號(hào)：TN958.98" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）36-0055-04

Abstract： This paper discusses an ultra-high voltage power engineering inspection method based on airborne LiDAR technology to solve the limitations of traditional inspection technology in power engineering. First of all， airborne LiDAR technology is comprehensively introduced and analyzed， including its principles， advantages and application scope. Secondly， in view of the difficulties and problems existing in the inspection of ultra-high voltage power projects， an inspection plan based on airborne LiDAR technology is proposed， and the implementation steps and key technologies are elaborated in detail. Then， a semantic segmentation algorithm for EHV transmission line point cloud based on progressive morphological ground filtering is proposed. Finally， the effectiveness and feasibility of the method in ultra-high voltage power engineering inspection are verified through comparative experiments. The results show that the ultra-high voltage power engineering inspection method based on airborne LiDAR technology has the characteristics of high accuracy， high efficiency and high security， and can meet the actual needs of ultra-high voltage power engineering inspection.

Keywords： airborne LiDAR technology; ultra-high voltage power engineering inspection; progressive morphological ground filtering; point cloud semantic segmentation algorithm; inspection scheme

超高壓（Extra-high voltage， EHV）輸電線路作為一種與日常生產(chǎn)生活密切相關(guān)的基礎(chǔ)公共設(shè)施，是國(guó)家電力網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定地運(yùn)行對(duì)保證電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及功能的完整性意義重大。由于輸電線路本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且組件數(shù)量多，一旦出現(xiàn)故障，維修成本較高，且有可能影響到大片區(qū)域的生產(chǎn)和生活用電，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)基于人工的巡線工作存在勞動(dòng)力強(qiáng)度大、工作條件艱苦、效率低、復(fù)巡周期長(zhǎng)和巡檢數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率低等問題，已經(jīng)難以滿足社會(huì)發(fā)展的需要[1]。隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，以車輛、飛機(jī)等移動(dòng)工具作為載體的移動(dòng)測(cè)量技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，以點(diǎn)云為代表的全空間、全時(shí)域三維數(shù)據(jù)獲取能力得到了顯著提升。該技術(shù)還能夠在復(fù)雜地形和惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效巡檢，為超高壓電力工程巡檢工作提供了全新的解決方案。因此，合理預(yù)防線路故障歷來是超高壓輸電線路運(yùn)行維護(hù)工作的核心內(nèi)容。

1" 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于高效、高精度、高安全性和多角度數(shù)據(jù)，將為超高壓電力工程巡檢工作帶來全新的技術(shù)支持和方法選擇。龔建宗[2]通過對(duì)超高壓輸電線路走廊數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化處理，計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布特征，以此確定桿塔大致位置，然后進(jìn)行切片分析計(jì)算桿塔中心平面坐標(biāo)。王鴻飛等[3]同樣先將超高壓輸電線路點(diǎn)云二維格網(wǎng)化，然后利用線路內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相對(duì)高度以及桿塔的分布特征設(shè)定閾值，以保留桿塔所在網(wǎng)格，并利用周圍網(wǎng)格計(jì)算桿塔的水平位置。陳西強(qiáng)[4]利用桿塔在輸電線路通道中高密度、大坡度、大高差特征，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化分析，以建立點(diǎn)云特征圖像，然后根據(jù)桿塔在密度、坡度及高程上的特征，確定其中心位置并提取桿塔點(diǎn)云。

1.1" 技術(shù)原理

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是一種利用激光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描和測(cè)距的先進(jìn)技術(shù)。如圖1所示，其原理是通過激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射激光束，然后利用接收器接收激光束經(jīng)目標(biāo)反射后返回的信號(hào)，通過計(jì)算反射信號(hào)的時(shí)間差來確定目標(biāo)的距離。該技術(shù)具有高精度、快速測(cè)量、非接觸等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地物的三維高精度測(cè)量。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在超高壓電力工程巡檢中的應(yīng)用范圍廣泛，可以對(duì)輸電線路、變電站、輸電通道等進(jìn)行快速、精確的巡檢，為電力工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工提供可靠的數(shù)據(jù)支持[5]。

1.2" 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使得它在超高壓電力工程巡檢中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。首先，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效率的大面積巡檢，大大縮短了巡檢周期。其次，由于激光雷達(dá)具有非接觸式測(cè)量能力，可以在保證測(cè)量精度的同時(shí)降低對(duì)工程區(qū)域的干擾和破壞，具有較高的安全性。此外，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地物三維信息的快速獲取和大數(shù)據(jù)處理，具有高精度、高分辨率的特點(diǎn)，可以滿足超高壓電力工程巡檢中對(duì)空間地物信息的高要求。另外，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)還可以進(jìn)行多波段、多角度的數(shù)據(jù)采集，能夠獲取更加全面的地理信息數(shù)據(jù)，為超高壓電力工程巡檢提供了更加豐富的信息基礎(chǔ)[6]。

2" 超高壓輸電巡檢流程

基于機(jī)載激光雷達(dá)的超高壓輸電線路巡檢工作可分為3個(gè)部分：準(zhǔn)備工作、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。其中，準(zhǔn)備工作的主要任務(wù)為制定工作計(jì)劃以確保作業(yè)安全；數(shù)據(jù)采集工作則是根據(jù)工作計(jì)劃獲取原始數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理部分可分為數(shù)據(jù)解算及數(shù)據(jù)應(yīng)用。主要工作流程如圖2所示。

2.1" 前期準(zhǔn)備

由于電網(wǎng)巡檢作業(yè)的特殊性，需要在數(shù)據(jù)采集前做好一系列準(zhǔn)備工作，以確保作業(yè)過程中人員、設(shè)備及電網(wǎng)設(shè)施的安全。首先，需進(jìn)行作業(yè)區(qū)踏勘工作，收集輸電線路走廊中地形、氣候等測(cè)區(qū)實(shí)際資料。其次，需根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況、作業(yè)要求以及飛行平臺(tái)續(xù)航情況來規(guī)劃航線、制訂作業(yè)計(jì)劃。然后，應(yīng)根據(jù)線路情況，合理布設(shè)GNSS基站地面控制點(diǎn)，以確保激光雷達(dá)系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)解算準(zhǔn)確。最后，為檢驗(yàn)所獲點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，需在桿塔附近選擇特征明顯位置，布設(shè)地面檢查點(diǎn)并制作點(diǎn)之記。

2.2" 數(shù)據(jù)采集

機(jī)載激光雷達(dá)所獲點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，高度依賴系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定、飛行平臺(tái)及定位方式的選擇。系統(tǒng)參數(shù)影響數(shù)據(jù)密度及采集范圍，主要包括飛行參數(shù)及掃描參數(shù)，具體可分為飛行速度及高度、雷達(dá)掃描角度、激光發(fā)射頻率。其中，飛行速度影響掃描條帶寬度，飛行高度及雷達(dá)掃描角度影響掃描范圍，激光發(fā)射頻率影響激光腳點(diǎn)間隔。

2.3" 數(shù)據(jù)處理

基于機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的巡檢作業(yè)中數(shù)據(jù)處理工作可分為點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算及數(shù)據(jù)分析2部分。點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算是利用外業(yè)工作所獲取原始數(shù)據(jù)（GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、雷達(dá)測(cè)距及測(cè)角數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)）經(jīng)聯(lián)合解算以獲取真彩點(diǎn)云的過程，解算得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，通過人工判讀及濾波算法去除由于設(shè)備震動(dòng)等原因產(chǎn)生的噪點(diǎn)，然后根據(jù)巡檢作業(yè)任務(wù)要求對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，例如，危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)、樹木生長(zhǎng)分析、風(fēng)偏模擬、覆冰分析和工況模擬等。本文所研究的超高壓輸電線路點(diǎn)云語義分割算法是實(shí)現(xiàn)以上分析及應(yīng)用的基礎(chǔ)性工作。

3" 超高壓輸電線路點(diǎn)云語義分割算法

3.1" 超高壓輸電線路點(diǎn)云語義規(guī)則

在超高壓輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中，基于語義規(guī)則的方法主要依靠于桿塔及電力線的空間分布特征來設(shè)定分割規(guī)則。對(duì)于桿塔數(shù)據(jù)而言，其不同于輸電線路場(chǎng)景中其他地物的空間幾何特征在于：①高程連續(xù)性，組成單個(gè)桿塔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在高程方向上是連續(xù)不間斷的；②高程突變性，同一桿塔上的點(diǎn)云具有較大高差；③局部最高點(diǎn)，通常桿塔頂部點(diǎn)云為桿塔所在范圍內(nèi)的最高點(diǎn)；④與電力線點(diǎn)云相連。

基于上述特點(diǎn)，可以通過對(duì)超高壓輸電線路場(chǎng)景內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行二維格網(wǎng)化或根據(jù)高程信息建立直方圖的方式來完成桿塔位置的確定及桿塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)的粗提取。對(duì)于電力線點(diǎn)云而言，其最顯著的空間分布特征表現(xiàn)為2方面：①符合懸鏈線模型，電力線材質(zhì)為柔性鋼索，兩端連接于桿塔絕緣子，中間受重力作用自然下垂，并且在水平投影中符合直線方程，在垂直剖面投影中符合拋物線方程；②懸空性，電力線兩端連接于桿塔頂部，與地面距離較遠(yuǎn)，且與相鄰電力線間隔在10 m左右，各條電力線均具有懸空性特點(diǎn)。

3.2" 漸進(jìn)形態(tài)學(xué)地面濾波算法

漸進(jìn)形態(tài)學(xué)地面濾波算法的主要流程如下。

1）對(duì)輸入的離散點(diǎn)云建立規(guī)則格網(wǎng)，查詢格網(wǎng)中最低高程點(diǎn)生成最小高程表面SF1，若格網(wǎng)內(nèi)不包含點(diǎn)云，則利用最近鄰點(diǎn)插值方法為其賦值。

2）利用初始窗口尺寸W1及最小高程表面SF1進(jìn)行第一次形態(tài)學(xué)濾波，即開操作，在開操作結(jié)束后，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)與最小高程表面的高差dhp，1，若dhp，1大于高差閾值dhT，k，則該點(diǎn)歸為非地面，否則，歸為地面點(diǎn)。

3）利用公式（1）、（2）及公式（3）計(jì)算新的窗口尺寸Wk及高差閾值dhT，k，對(duì)新的SFk進(jìn)行下一次迭代，直到窗口尺寸達(dá)到設(shè)定閾值。

窗口尺寸的2種計(jì)算方式為

Wk=2kb+1， （1）

Wk=2kb+1， （2）

式中：k為迭代次數(shù)；b為初始定義的窗口大??；+1是為了保證Wk為一個(gè)奇數(shù)。式（2）適用于大場(chǎng)景數(shù)據(jù)，窗口尺寸增長(zhǎng)速度快。

高差閾值為

式中：dh0為初始高差閾值；s為坡度；c為格網(wǎng)大?。籯為當(dāng)前迭代次數(shù)；dhmax為最大高差閾值。

4" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文所有實(shí)驗(yàn)均使用相同硬件配置的工作站，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為Ubuntu 18.04，CPU型號(hào)為Intel@Xeon（R）Silver 4114，內(nèi)存為48 GB，顯卡型號(hào)為NVIDIA Quadro RTX 4000，顯存為8 GB。本實(shí)驗(yàn)使用C++語言，結(jié)合專門用于處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的PCL（Point Cloud Library）庫(kù)、las文件讀寫庫(kù)LASlib以及矩陣運(yùn)算庫(kù)Eigen進(jìn)行了算法流程的實(shí)現(xiàn)。

4.1" 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為某地實(shí)測(cè)500 kV超高壓輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示，該數(shù)據(jù)由無人直升機(jī)搭載Reigl VUX-1HA激光掃描儀采集而來，測(cè)區(qū)地形較為平緩，點(diǎn)云密度為86 pts/m2，共包含11個(gè)檔間，利用手工標(biāo)記的方式將其標(biāo)記為桿塔、地線、導(dǎo)線、低壓電力線、建筑物、植被和地面7個(gè)類別。同時(shí)使用該數(shù)據(jù)作為第五章深度學(xué)習(xí)模型實(shí)驗(yàn)的測(cè)試集。由于分割規(guī)則的限制，本實(shí)驗(yàn)只分析桿塔、地線及導(dǎo)線3個(gè)類別的分割效果。

4.2" 評(píng)價(jià)指標(biāo)

點(diǎn)云語義分割領(lǐng)域常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為單一類別評(píng)價(jià)指標(biāo)及總體評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中單一類別評(píng)價(jià)指標(biāo)包括準(zhǔn)確率（pre）、召回率（rec）、F1-值（f1）和交并比（IoU）；總體評(píng)價(jià)指標(biāo)包括2類，分別是平均交并比（mIoU）、總體精度（OA）。

4.3" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從表1中可以看出，常規(guī)的基于語義規(guī)則的方法，在桿塔、地線及導(dǎo)線3個(gè)類別上均能達(dá)到較好的分割效果。其中，導(dǎo)線點(diǎn)在3種類別中分割效果最佳，在4種精度指標(biāo)中分別可達(dá)到 96.79%、96.76%、96.77%和93.75%，其誤分現(xiàn)象主要存在于與桿塔相接部分，部分導(dǎo)線點(diǎn)被誤分為桿塔點(diǎn)，且連接導(dǎo)線與桿塔的絕緣子也部分被誤分為導(dǎo)線點(diǎn)。相對(duì)于導(dǎo)線點(diǎn)，地線點(diǎn)分割精度稍差，其誤差來源與導(dǎo)線點(diǎn)相同，同樣來源于與桿塔相接部分。3種類別中，桿塔分割精度最差，其誤差來源除地線與導(dǎo)線外，還來自塔基與地面相連部分，雖然本文在桿塔提取中利用切片分析法實(shí)現(xiàn)了塔基部分的提取，但仍有部分桿塔點(diǎn)與地面、植被點(diǎn)混雜在一起，難以精確分割提取。

5" 結(jié)論

基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的超高壓電力工程巡檢方法在提高巡檢精度、縮短巡檢周期、降低巡檢成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為電力工程領(lǐng)域的巡檢工作提供了全新的技術(shù)支持和方法選擇。期望本研究能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和工程師提供借鑒和啟發(fā)，推動(dòng)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在電力工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和推廣。

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