面向輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)融合技術(shù)

摘 要：為降低輸電線路在優(yōu)化后的碰撞率，本文提出了一種面向輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)融合技術(shù)。首先，采用k-d樹方法剔除原始數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，以凈化數(shù)據(jù)集。其次，利用高斯函數(shù)對(duì)更新后的三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度變換處理，并對(duì)掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)。再次，采用Delaunay三角剖分方法對(duì)配準(zhǔn)后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，生成輸電線路地形的三維模型。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)原則在模型中對(duì)輸電線路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)面向輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。試驗(yàn)證明，本文所提技術(shù)能夠?qū)⒕€路碰撞率降至1%以下，同時(shí)縮短路徑長度，并且數(shù)據(jù)融合精度較高。

關(guān)鍵詞：輸電線路；三維激光雷達(dá)；數(shù)據(jù)融合；高斯函數(shù)；Delaunay三角剖分方法

中圖分類號(hào)：TN 951" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在電力傳輸領(lǐng)域，輸電線路的設(shè)計(jì)十分重要，其合理性直接關(guān)系電力供應(yīng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。因此，如何利用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)來精確設(shè)計(jì)輸電線路，成為電力行業(yè)亟待解決的問題。三維激光雷達(dá)（LiDAR）作為一種高精度、高效率的三維成像技術(shù)，已在機(jī)器人、自動(dòng)駕駛、智慧城市以及地圖制作等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其通過發(fā)射激光脈沖并記錄反射時(shí)間，能夠迅速、精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)物體的三維信息，對(duì)空間進(jìn)行定位并精確測(cè)量。

在輸電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，三維激光雷達(dá)技術(shù)能夠提升勘測(cè)設(shè)計(jì)的精度和效率，為電網(wǎng)工程的優(yōu)化提供技術(shù)支持。盡管三維激光雷達(dá)技術(shù)在輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)中前景廣闊，但是其研究和應(yīng)用仍然存在不足。三維激光雷達(dá)掃描產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，處理過程復(fù)雜且耗時(shí)較長?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理方法通需要依賴高性能計(jì)算機(jī)和專業(yè)軟件，對(duì)硬件和軟件資源的要求較高[1]。此外，在數(shù)據(jù)處理過程中還需要進(jìn)行誤差消除、坐標(biāo)計(jì)算以及航帶拼接等操作[2]，數(shù)據(jù)融合的難度和復(fù)雜性較高。因此，本文提出了面向輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

1 三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)異常剔除

在數(shù)據(jù)采集過程中，受多種因素的影響，在原始數(shù)據(jù)中包括異常值和噪聲，如果不剔除這些異常數(shù)據(jù)，那么會(huì)影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高后續(xù)處理的可靠性，本文利用三維激光雷達(dá)掃描并剔除了異常數(shù)據(jù)。機(jī)載激光雷達(dá)采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，避免了在傳統(tǒng)測(cè)量方法中因接觸而導(dǎo)致的誤差和損壞。該測(cè)量方式不僅提高了測(cè)量的安全性和效率，而且使測(cè)量過程更便捷。在掃描并剔除異常數(shù)據(jù)的過程中，非接觸式測(cè)量技術(shù)不會(huì)對(duì)目標(biāo)物體造成任何影響，因此保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。機(jī)載激光雷達(dá)能夠捕捉輸電線路工程區(qū)域內(nèi)所有地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，發(fā)射激光脈沖，根據(jù)脈沖與地面目標(biāo)反射的時(shí)間差，結(jié)合觀測(cè)角度，在機(jī)載設(shè)備內(nèi)部坐標(biāo)系（x軸、y軸、z軸）中計(jì)算每個(gè)激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)（其中x軸代表水平方向，y軸與x軸垂直構(gòu)成水平面，z軸垂直于平面，指向天空），完成三維激光掃描數(shù)據(jù)融合[3]。為了保證數(shù)據(jù)融合的精度，本文對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，采用了k-d樹（k-dimensional tree）方法剔除原始數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。基于空間劃分原理，本文構(gòu)建了多維索引結(jié)構(gòu)，以定位在數(shù)據(jù)集中每個(gè)點(diǎn)的相對(duì)位置。具體來說，在一個(gè)包含n個(gè)點(diǎn)的三維激光掃描數(shù)據(jù)集中，本文計(jì)算了數(shù)據(jù)集中任意掃描點(diǎn)k在其鄰域內(nèi)的平均距離。該鄰域由距離掃描點(diǎn)k最近的d個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，這些點(diǎn)與掃描點(diǎn)k的距離應(yīng)當(dāng)大于0且小于預(yù)設(shè)的最大距離。利用這個(gè)約束條件定義k點(diǎn)的d鄰域，計(jì)算該鄰域的半徑以及平均距離。基于得到的平均距離計(jì)算距離均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，來識(shí)別并剔除那些顯著偏離正常分布范圍的異常點(diǎn)，如公式（1）所示[4]。

（1）

式中：c為掃描點(diǎn)至鄰域的平均距離；n為三維激光掃描數(shù)據(jù)集點(diǎn)的個(gè)數(shù)；d為與掃描點(diǎn)k點(diǎn)距離最近的點(diǎn)的個(gè)數(shù)；cd為鄰域半徑；ω為點(diǎn)至平均距離的標(biāo)準(zhǔn)偏差。比較各點(diǎn)至平均距離的標(biāo)準(zhǔn)偏差，當(dāng)某點(diǎn)至鄰域內(nèi)點(diǎn)的平均距離大于標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)，視該點(diǎn)為異常點(diǎn)并予以剔除，經(jīng)過以上步驟，剔除原始數(shù)據(jù)中的異常值。

2 三維激光掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

在剔除異常數(shù)據(jù)后，雖然整體數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了提升，但是也影響了輸電線路設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)集的完整性。這些被剔除的點(diǎn)可能包括對(duì)整體場(chǎng)景理解的重要信息，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在局部或全局出現(xiàn)缺失。為了解決上述問題，本文采用了尺度不變特征變換（Scale-Invariant Feature Transform，SIFT）方法對(duì)預(yù)處理后的三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。SIFT方法的作用是提取和描述圖像中的局部特征，其通過在尺度空間中尋找極值點(diǎn)來定位特征點(diǎn)，并預(yù)測(cè)這些特征點(diǎn)的方向，計(jì)算其尺度，最終生成具有旋轉(zhuǎn)和尺度不變性的特征描述符。SIFT方法運(yùn)用高斯模糊和高斯差分（Difference of Gaussian，DoG）技術(shù)來檢測(cè)不同尺度空間的特征點(diǎn)。通過在不同尺度中應(yīng)用高斯濾波器，SIFT能夠捕捉從微小細(xì)節(jié)到整體輪廓的多層次特征。這個(gè)特性，使SIFT在剔除異常數(shù)據(jù)后可以補(bǔ)充丟失的信息。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，筆者構(gòu)建了尺度空間，并利用高斯函數(shù)對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度變換。通過調(diào)整高斯正態(tài)分布的方差，可以在不同尺度中捕捉三維激光掃描數(shù)據(jù)的特征，從而保證數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。

在尺度空間框架內(nèi)[5]，DoG將1幅圖像與2個(gè)不同尺度的高斯濾波器分別進(jìn)行卷積運(yùn)算，將得到的2個(gè)卷積圖像相減，得到高斯差分圖像。采用這種方法可以有效地檢測(cè)圖像中的邊緣和角點(diǎn)等特征?；谙噜彸叨戎g的高斯平滑圖像之差，采用高斯卷積運(yùn)算法解析三維激光掃描數(shù)據(jù)在不同尺度中的差分圖像，如公式（2）所示[6]。

S（x，y，z）=c×G×I（x，y）+ω " " " "（2）

式中：S（x，y，z）為三維激光掃描數(shù)據(jù)差分圖像；G為高斯核；I（x，y）為三維激光掃描數(shù)據(jù)的灰度值。

筆者基于三維激光掃描數(shù)據(jù)差分圖像，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了子區(qū)域劃分，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)了每個(gè)子區(qū)域內(nèi)梯度方向的直方圖，并通過累加處理提取了特征點(diǎn)的特征向量。為了提高特征向量對(duì)光照變化的魯棒性，對(duì)其進(jìn)行了歸一化處理[7]?；谶@些歸一化的特征向量，在獨(dú)立的坐標(biāo)系中對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行了平移和旋轉(zhuǎn)操作，直至所有特征點(diǎn)均映射至統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，從而完成三維空間中的掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，如公式（3）所示。

V=R×S（x，y，z）+T " " " " " " （3）

式中：V為三維激光掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)坐標(biāo)；R為旋轉(zhuǎn)系數(shù)；T為平移因子。

三維激光掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)保證了數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和一致性，為數(shù)據(jù)融合過程提供了可靠的基礎(chǔ)，使后續(xù)的數(shù)據(jù)融合能夠更高效、準(zhǔn)確，進(jìn)而支持輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的決策制定。

3 面向線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)融合

雖然三維激光掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)能夠提供高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但是受掃描角度、遮擋物以及光線條件等因素影響，單一掃描數(shù)據(jù)通常無法覆蓋所有區(qū)域并捕捉到所有細(xì)節(jié)。不同掃描視角的數(shù)據(jù)之間可能存在重疊區(qū)域，這些重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)會(huì)存在一定的差異。為了消除這些差異，本文利用數(shù)據(jù)融合，采用相關(guān)算法對(duì)這些差異進(jìn)行平滑處理，消除冗余數(shù)據(jù)，縮小誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性和一致性。數(shù)據(jù)融合可以整合多個(gè)掃描視角的數(shù)據(jù)，形成更全面、準(zhǔn)確的場(chǎng)景描述。因此對(duì)配準(zhǔn)后的三維激光掃描進(jìn)行坐標(biāo)融合，構(gòu)建輸電線路工程區(qū)域內(nèi)地物三維模型。將配準(zhǔn)坐標(biāo)導(dǎo)入三維場(chǎng)景中，通過閾值篩選，提取地形輪廓。隨機(jī)選取2個(gè)點(diǎn)，其之間的距離作為基準(zhǔn)半徑，以這個(gè)半徑為直徑構(gòu)造alpha圓。當(dāng)alpha圓的半徑增長至原先的2～3倍時(shí)，將此時(shí)2個(gè)點(diǎn)之間的連線作為地形邊緣輪廓線[8]。為了進(jìn)一步細(xì)化這個(gè)邊緣輪廓，筆者引入了Delaunay三角剖分方法，通過融合配準(zhǔn)坐標(biāo)集合中的所有點(diǎn)，形成互不重疊的三角形區(qū)域，構(gòu)成地形的三角網(wǎng)模型[9]。在構(gòu)建三角網(wǎng)的過程中，筆者設(shè)定了一個(gè)判定準(zhǔn)則：如果三角形的某條邊長大于alpha值的2倍，那么說明初始2個(gè)點(diǎn)之間距離過大，無法有效支撐合理的取值圓，因此該三角形被視為無效并被刪除。最終，本文融合并生成了輸電線路地形的三維模型，如公式（4）所示。

B=V×r+2r " " " "（4）

式中：B為三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)融合生成的輸電線路地形三維模型；r為alpha圓半徑。

將原始線路坐標(biāo)標(biāo)記到模型中，并基于融合后得到的輸電線路工程三維模型對(duì)線路進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化須遵循以下標(biāo)準(zhǔn)。1）嚴(yán)格遵循線路主體走向，使新線路與既有線路之間的平行距離gt;100 m，以減少電磁干擾，降低潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證2條線路獨(dú)立、穩(wěn)定運(yùn)行。在路徑受限的特殊地段，例如地形復(fù)雜、空間狹窄等區(qū)域，應(yīng)采取更嚴(yán)格的距離控制標(biāo)準(zhǔn)，保證新線路邊導(dǎo)線與既有線路邊導(dǎo)線的間距不小于該區(qū)域最高塔的高度，以避免在極端條件下出現(xiàn)導(dǎo)線偏移，保障線路安全。同時(shí)，須特別關(guān)注線路在風(fēng)偏狀態(tài)下的相對(duì)位置，當(dāng)新線路與既有線路的桿塔位置交錯(cuò)排列時(shí)，須保證在最大風(fēng)偏情況下，2條線路導(dǎo)線之間的最短水平距離≥7 m，以防范因風(fēng)偏導(dǎo)致的短路或碰撞事故。針對(duì)輸電線路工程中普遍存在的500 m

以上大檔距段落，需要額外考慮線路在風(fēng)偏作用下可能產(chǎn)生的不同步擺動(dòng)，并據(jù)此優(yōu)化線路的安全距離；在選線過程中，如果發(fā)現(xiàn)對(duì)線路有影響的重要設(shè)施或規(guī)劃區(qū)域（例如無法拆遷的廠房、建筑），應(yīng)優(yōu)化線路走向，選擇無障礙物的路徑進(jìn)行布置；針對(duì)線路跨越不同等級(jí)通信線的情況，應(yīng)嚴(yán)格遵守交叉角度的規(guī)定：I級(jí)通信線（包括電纜）的交叉角≥45°，Ⅱ級(jí)通信線≥30°。在實(shí)際測(cè)量交叉角度后，應(yīng)在數(shù)據(jù)融合得到的三維模型上明確標(biāo)示。對(duì)Ⅲ級(jí)及以下通信線來說，雖然沒有嚴(yán)格的角度限制，但是同樣需要避免過近或過完距離的平行布置，除非根據(jù)特殊協(xié)議須搬遷通信線；對(duì)于涉及高等級(jí)通信線、公路、鐵路、重要河流和35 kV及以上電力線等重要交叉跨越區(qū)段，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)跨越塔位以及搭設(shè)跨越架的位置，避開被跨越物前后50 m的水域。當(dāng)與公路、河流、弱電線路、電力線路以及特殊管道等進(jìn)行平行布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)最高桿塔的高度來設(shè)定線路的平行距離，以保障線路安全、穩(wěn)定運(yùn)行。按照以上要求，利用數(shù)據(jù)融合得到的三維模型重新選擇線路，來優(yōu)化輸電線路設(shè)計(jì)，完成面向輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)融合工作。

4 試驗(yàn)論證

4.1 試驗(yàn)對(duì)象以及環(huán)境設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文所提技術(shù)的可靠性和適用性，筆者進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。以某輸電線路工程為例，該工程采用了緊湊型全鐵塔線路設(shè)計(jì)，線路整體自北向南延伸，采用雙回架設(shè)方式，原方案線路全長為174.28 km。在試驗(yàn)中，本文收集了工程設(shè)計(jì)方提供的三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量為1.62 GB。利用本文所設(shè)計(jì)的技術(shù)對(duì)三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合處理，以優(yōu)化輸電線路的路徑。試驗(yàn)基于Windows 10操作系統(tǒng)，使用Intel Core i5 CPU，搭配8 GB顯存的無線顯卡以及16 GB

內(nèi)存，數(shù)據(jù)融合程序采用1.0.1版本的Python進(jìn)行編輯。

4.2 試驗(yàn)方法

按照技術(shù)流程，本文對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合處理，優(yōu)化后的輸電線路路徑長度為130.24 km，優(yōu)化前后的輸電線路如圖1所示。

為了驗(yàn)證本文技術(shù)的效果，本文選擇了2種對(duì)比技術(shù)作為試驗(yàn)對(duì)照組，并選取了輸電線路碰撞率和路徑長度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。碰撞是指線路與建筑物、樹木等其他障礙物位置重合，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，需要躲避障礙物，從而增加工程施工成本，路徑長短也與工程施工成本有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，通過比較應(yīng)用3種技術(shù)優(yōu)化后線路碰撞率和路徑長度，來評(píng)價(jià)三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)融合的效果。融合精度越高，輸電線路優(yōu)化效果越好，線路碰撞率越低，路徑越短。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)將該輸電線路工程劃分為8個(gè)區(qū)域，并分別采用3種技術(shù)對(duì)輸電線路的碰撞率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表1。同時(shí)，也采用這3種技術(shù)對(duì)輸電線路的路徑長度進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果見表2。

由表1可知，使用本文技術(shù)優(yōu)化的輸電線路碰撞率不超過1%，使用文獻(xiàn)[2]技術(shù)輸電線路碰撞率最高，超過10%。由表2可知，與原方案相比，使用本文技術(shù)優(yōu)化后的路徑長度會(huì)縮短，使用文獻(xiàn)[1]技術(shù)優(yōu)化后的路徑總長度為168.4 km，使用文獻(xiàn)[2]技術(shù)優(yōu)化后的路徑總長度為153.55 km。雖然使用這2種對(duì)比技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，路徑長度也會(huì)縮短，但是總路徑長度比使用本文技術(shù)優(yōu)化后的路徑長度更長。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文技術(shù)更適合用于輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)融合，融合質(zhì)量良好，能夠有效提高輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)語

本文研究了三維激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的處理與融合技術(shù)，該技術(shù)能夠有效整合多源數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性，為輸電線路的優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用本文技術(shù)不僅可以降低設(shè)計(jì)成本，還能提高設(shè)計(jì)效率，提高電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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