巡線式激光雷達點云的電力線重構(gòu)

摘要：隨著高壓輸電線路的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜并延伸到崎嶇的地形，這對發(fā)現(xiàn)和重建電網(wǎng)構(gòu)成了許多挑戰(zhàn)。建立基于POS數(shù)據(jù)的檢索模型以在不同區(qū)域之間劃分電源線點。該區(qū)域中的電源線點數(shù)很大，線性特性很明顯，并且確定了線數(shù)。 因此，這對于獲取子導(dǎo)線非常有用。通過構(gòu)建新的激光雷達點云模式，提出了一種新的電力線重構(gòu)方法，可實現(xiàn)電力線的快速檢索和建模，并滿足未來高壓電網(wǎng)進行細化檢查的要求。

關(guān)鍵詞：巡線式;激光雷達;電力線;重構(gòu)

由于持續(xù)的機械張力，電閃絡(luò)，樹木生長等原因，電力線和電力塔長時間暴露在野外會產(chǎn)生許多問題，電力公司需要定期檢查以確保電源安全。激光雷達可以快速獲取高精度的地面空間信息，因此已開始在電氣巡檢中得到廣泛應(yīng)用。目前，激光雷達有兩種方法：車載和機載。一套完整的電力線重構(gòu)方法為在新挑戰(zhàn)下檢測和重建電網(wǎng)提供了新的方式[1]。

一、巡線式激光雷達系統(tǒng)

巡線式激光雷達系統(tǒng)之后的生產(chǎn)線的工作原理與機/車載式激光雷達系的工作原理相同。根據(jù)機器/車輛的類型，巡線式激光雷達的生產(chǎn)線的構(gòu)造應(yīng)充分考慮機器人負載和尺寸的限制。巡線式激光雷達是使用擴展的卡爾曼濾波來聯(lián)合求解集成的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以獲得巡線式激光雷達的精確軌跡，即POS（方向位置）數(shù)據(jù)。通過將POS數(shù)據(jù)和激光數(shù)據(jù)與參考幀進行匹配，可以獲取場景的地理位置點云[2]。

巡線式激光雷達系統(tǒng)的集成與專用機器人集成在一起，其操作方法不同于機載式的從高空自上而下俯視掃描以及從地面自下而上仰視掃描的車載式不同。主要區(qū)別在于，機器人以低速和近距離掃描電力線，并且可以獲取非常密集的真實傳輸通道三維點云數(shù)據(jù)。機器人始終沿電力線掃描，而傳輸線屬于化學結(jié)構(gòu)，該范圍內(nèi)的所有電力線都具有相同的趨勢并確定空間。因此，POS監(jiān)視線不僅可以用于生成點云，還可以用于處理電力線點云。

二、整體技術(shù)方法

基于巡線式激光雷達的數(shù)據(jù)特點，融合機/車載式電力線點云的處理方法，本文提出了一套完整的電力線提取與重建新方法。

（一）電力線提取

電力線提取包括檔段分割，即將多級點云劃分為單級點云，并將POS數(shù)據(jù)用于后續(xù)處理。粗略提取是為了快速去除大部分接地點，從而大大減少數(shù)據(jù)處理量。根據(jù)POS提供的電力線速度，逐層獲得結(jié)構(gòu)化分區(qū)，即結(jié)構(gòu)化分布線電力線云。分裂導(dǎo)線的群集最終從點云中捕獲了電源線的單個點，根據(jù)POS數(shù)據(jù)進行細分[3]。機器人在交叉擋位時充當爬升動作，根據(jù)工作條件的特性和由機體提供測得的傾斜傳感器數(shù)據(jù)，將傾斜角的絕對值接近0°的位置確定為電線塔的懸掛點，進而將其確定POS數(shù)據(jù)中電塔的空間位置。

基于POS高程閾值??的粗略提取，除電力線點外，對面水平的點還包括地面點和其他特征點，電力線通常高于其他要素。使用POS數(shù)據(jù)生成高程閾值可以快速去除地面點和大多數(shù)要素。通過群集提取分裂導(dǎo)線，并對結(jié)構(gòu)化分區(qū)進行處理，以僅保留一定數(shù)量的有序云點。它的線性特性非常明顯，該區(qū)域中子導(dǎo)線的數(shù)量可以與先驗信息區(qū)分開。因此，使用霍夫算法和Kmeans聚類獲得電力線的單點。對得到的高程圖像先提取邊緣，然后使用霍夫算法找到直線，然后使用K均值聚類獲得XY平面中每條子線的中心線方程，最后映射回去到三維空間提取子線激光點[4]。

（二）電力線重構(gòu)

在對捕獲的單點電源線進行三維重構(gòu)之前，由于掃描范圍的限制（> 1 m），巡線式電力線點云缺少機器人行走地線。而POS可以增加電源線數(shù)據(jù)，由于在通過機器人自身的重量加載地線時會收集POS，因此在重建地線行走模型時必須對附加弧垂進行補償。霍夫變換和直方圖擬合技術(shù)用于獲得中心直線方程，將電源線數(shù)據(jù)投影到XY平面上，然后執(zhí)行霍夫變換以獲得具有斜率和截距近似的直線群[5]。然后，確定與直方圖的峰值相對應(yīng)的直方圖的頻帶以消除主方向上的剔除粗差點干擾，然后通過在平方法中應(yīng)用線性方程y = C.x + Cz。

四、實際線路實驗

機器人巡線式收集特定省份的220kV線數(shù)據(jù)。該線共有5條電源線，兩條接地線在頂層，三相導(dǎo)線沿接地線GJ-50排列。原始的云點包括電塔點，輸電力線點和大量植被。根據(jù)POS數(shù)據(jù)劃分單個文件段的點云。文件段閾值為65. 28 m。由于閾值是根據(jù)該文件段的電源線類型獲得的，因此無需過濾算法即可快速分離電源線點。電力線周圍沒有高大的建筑物或樹木，只有少數(shù)特征被誤認為是滑坡，可以在隨后的結(jié)構(gòu)化分區(qū)中輕松移除它們。通過結(jié)構(gòu)化的分區(qū)，可以分離電源線點，捕獲合適線的捕捉線，并以0.1 m的間隔對模型進行采樣，以解決新的三維電源點擬合問題，擬合模型再現(xiàn)了實際線條的幾何特性。

為了驗證獲得分裂導(dǎo)線方法的優(yōu)勢，本文提出了一個實驗區(qū)域來完成相關(guān)測試。LGJ-95共有6條與實驗場平行的公共接地線，其中4層位于第一層，二層位于第二層，機器人沿一條線運行在第二層。6條電源線分為3組，間距為380?600mm。雙分裂垂直固定220kV線路的標準尺寸為400 mm，因此測試場可用于模擬實際線路的分裂線路。除機器人步行線外，實驗現(xiàn)場收集的原始點云共有5條電源線[6]。由于沿著地線掃描，因此不會出現(xiàn)車載式激光雷達數(shù)據(jù)中，電源線點經(jīng)常被高大的樹木和建筑物遮擋。實驗結(jié)果所有電力線的平均提取正確率為95.8%，提取完整率為91. 3%。

可以看出，巡線式激光雷達點云致密精細，為處理電力線點奠定了很好的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)。基于POS的采集模型和工作條件的結(jié)合可以根據(jù)實際的線路類型完全提取電力線點。但是，本文中的方法通過巡檢機器人采集數(shù)據(jù)，這些機器人受極端風、雨和雪的影響相對較大。障礙物穿越或打滑機器人不僅會引入噪聲，還會導(dǎo)致點云不均。

結(jié)束語：

巡線機器人系統(tǒng)可以在崎嶇的山脈和森林中沿著電力線行走。激光雷達跟蹤線緊緊地聚焦在輸電通道上，以獲取高質(zhì)量的電力線云點。線路跟蹤類型的POS數(shù)據(jù)的獨特功能可以在絕緣階段，分層接地點和結(jié)構(gòu)化分區(qū)的過程中快速逐層提取電網(wǎng)，有效避免多條線路出現(xiàn)電線缺失等問題。實際的電路實驗表明，內(nèi)置式掩護系統(tǒng)的巡線式激光雷達系統(tǒng)組件安裝合理且功能正常，并且可以適應(yīng)現(xiàn)場操作領(lǐng)域。 用于巡線式激光雷達系統(tǒng)的新型電力線重構(gòu)方法可以作為機/車載式激光雷達進行電力巡檢的有用輔助工具。

參考文獻：

[1]秦新燕， 吳功平， 彭向陽， et al. 巡線式激光雷達點云的電力線重構(gòu)%Power line reconstruction based on cable-patrolled LiDAR point clouds[J]. 測繪科學， 2019， 044（005）：171-176，190.

[2]韓曉言， 何 ?靜， 游安清. 激光雷達在電力巡線應(yīng)用中的計算方法[J]. 太赫茲科學與電子信息學報， 2019， 17（4）：703-708.

[3]王和平， 夏少波， 譚弘武， et al. 電力巡線中機載激光點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 地理空間信息， 2015， v.13;No.75（05）：8+71-74.

[4]張繼賢， 段敏燕， 林祥國， et al. 激光雷達點云電力線三維重建模型的對比與分析[J]. 武漢大學學報（信息科學版）， 2017（11）：68-75.

[5]林祥國， 張繼賢. 架空輸電線路機載激光雷達點云電力線三維重建[J]. 測繪學報， 2016， 45（3）：347-353.

[6]林昀， 吳敦， 李丹農(nóng). 基于機載激光雷達的高精度電力巡線測量[J]. 城市勘測， 2011（05）：77-80.

作者簡介：姓名：倪莎（1989-）姓別：女 籍貫：內(nèi)蒙 學歷：研究生 ?研究方向：電力無人機及二次應(yīng)用 激光雷達等