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引言
输电线路是一个国家主干电网的重要组成部分，是一项重要的国家基础设施，随着我国社会的高速发展，国民经济对电力的需求不断增大，各类高电压、长距离输电线路的数量和规模不断扩大，电网设计单位和运行管理部分对输电线路安全和可靠性的要求也越来越高。为了防止和杜绝电网安全事故的发生，国家有关部门每年都需要投入大量人力、物力对输电线路进行巡检，因此高效、安全、低成本的线路巡检方式显得尤为重要[3-4]。激光雷达技术（LiDAR）是近 20 年来发展非常迅速的遥感技术，它通过发射激光脉冲、接收返回的脉冲信号，经过系统处理来获取目标的三维空间信息。近年来，机载激光雷达（Light Detection andRanging，LiDAR）技术的出现为输电线路巡检提供了可行的解决方案[6]。 因此逐渐被引入到输电线路巡线中[4-6]，特别是在山区地形复杂或者条件恶劣的地区。研究机载激光点云数据中电力线拟合技术，实现电力线自动提取，对电力巡线工作有着重要的现实意义。
Melzer等提出了基于迭代Hough变换技术从机载激光扫描数据中自动提取三维电力线的方法[1 2|，但其不能确定电力线穿越电塔时悬挂点的空间位置，从而只适应于小范围塔间电力线的提取，难以满足电力巡检的需要。。本文结合前人的研究及生产实践，对机载 LiDAR 在电力巡线中的导线提取和拟合中的关键技术进行了深入探讨，以期提高LiDAR 技术在电力巡线中的应用效率。
基于机载激光点云数据的电力线自动提取需解决4方面的问题：电力线点云与电塔点云的自动分类、电力线平面位置提取、电力线悬挂点空间位置提取、电力线拟合。本文针对上述问题，提出一种电力线自动提取算法，包括局部区域高程直方图分布模式分类滤波、Hough特征空间中全局方向特征优先的线特征提取、悬挂点位置数学推算、局部分段多项式拟合，实现了基于机载激光扫描点云数据的电力线自动提取，并通过实际工程数据验证了该算法的实用性。
1输电线路点云的分类
电力线点云的自动分类是从机载激光扫描数据中正确提取电力线的先决条件。电力线提取的重点是实现从海量的点云中识别出电力线点云。电力线在激光点云中表现出较明显的空间特征，如呈线状分布、贯穿整个数据区域；相邻的电力线点高程变化小，而与下方非电力线点相距较远；电力线点在水平面上投影呈相互平行的直线等。但是由于电力线非常窄，只能反射部分激光脉冲，因此在点云的多回波信息中，电力线点往往仅表现为首次回波点等。
从车载点云中分离电力线的方法，首先标记出地面点，然后利用电力线点云到地面距离较大的特点，将高于地表一定距离的点三维格网化，并计算格网内点集的特征值和特征向量，将表现为线状特征的格网标记为电力线格网，利用电力线点云空间分布连续的特点，提取包含电力线的格网，最后利用霍夫变换检测格网内的电力线点云。从而从机载点云中分离电力线点云数据。
分类得到的电力线点云是无序、离散的，且两杆塔间还同时存在多根空间相邻的电力线，因此导地线建模中首先要完成单根电力线的分离，即将归属于同一根电力线的点云进行合并。梁静[9]利用同根电力线内部点之间的距离较小、不同电力线点云之间的距离较大的特点，采用空间聚类的方法并设置距离阈值，分别将每一相的每一根电力线点云进行合并。这种方法对单相电力线点云十分有效，但无法处理相邻相的电力线紧密相连的情况，其结果往往是连续的几相电力线连接在一起。有的研究基于导线具有明确的方向性的特点，沿导线的走向，利用体元探测的方法将属于同一根导线的点云进行合并[11]。国外学者基于导地线模型参数，通过假设检验的方法将电力线进行区分并拟合，这种方法具有一定的鲁棒性，能克服部分导线点云缺失的情况[11]。
2导地线拟合
通过Hough特征空间中全局方向特征优先的线对象提取方法和数学推算方法，得到各条电力线的点云。
对每一根电力线的点云进行模型拟合是电力线三维重建的最后一步，拟合的基础模型是电力线的悬链线方程，但由于该方程较为复杂，计算的复杂度比较大，为了简化计算采用抛物线方程来拟合。当确定拟合模型以后，需要通过离散的点云求出抛物线的参数，常用的拟合方法为最小二乘法[9]。由于抛物线方程是在二维平面内，而我们的拟合场景是三维空间。由于导线形成的抛物线是受重力的作用产生的，所以该抛物线是垂直于大地平面的。因此我们的拟合分两步进行，一是先在xoy平面是拟合出导线的投影直线的方程，二是在通过该直线并且平行于Z轴的二维平面拟合抛物线方程，这两个方程组合成导线的抛物线方程。完成每根电力线的拟合后，即可获得精细的导地线模型。通过不同相的导线求交，还可求出的悬挂点位置。图1所示为某两杆塔间的导线点云。
图2
4 结论
本文针对电力线提取过程中电力线点云自动分类、电力线平面位置提取、电力线悬挂点位置提取、电力线拟合4方面的问题，提出了局部区域高程分布模式分类滤波、Hough特征空间中全局方向特征优先的线对象提取、悬挂点位置推算、局部分段多项式拟合的有效方法，并通过实际工程数据验证了该算法的实用性和稳健性，解决了区域植被干扰造成点云数据不完备情况下点云数据的处理方法。成功地实现了基于机载激光点云数据的电力线自动提取，为输电线路巡检系统提供可靠的数据处理方案。
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论文作者:盛从兵1,张宏琦2
论文发表刊物:《河南电力》2019年6期
论文发表时间:2019/12/12
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