基于三維激光點(diǎn)云的電力線巡檢技術(shù)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）

引言

電力線路大多處于戶外，很容易受環(huán)境及天氣因素影響，出現(xiàn)導(dǎo)線斷裂、破壞等問題，尤其在線路雷擊跳閘時，更是容易出現(xiàn)線路故障。強(qiáng)化電力線巡檢，及時排查發(fā)現(xiàn)故障問題并對其進(jìn)行修復(fù)具有重要意義，有利于保障線路安全。作為電力系統(tǒng)工作的重要一環(huán)，傳統(tǒng)電力巡檢方式大多以人工手段完成，檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，但這種方式難免會存在巡檢效率低、工作受限和安全隱患問題。為應(yīng)對這些問題，基于三維激光點(diǎn)云的電力線巡檢技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 基于三維激光點(diǎn)云的電力線巡檢優(yōu)勢

基于三維激光點(diǎn)云的電力線巡檢技術(shù)，以三維激光掃描設(shè)備，掃描電力設(shè)施表面，獲得大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過使用點(diǎn)云處理軟件對其進(jìn)行適當(dāng)處理，達(dá)到電力設(shè)施三維立體模型。在此基礎(chǔ)上，利用算法分析、圖像識別等技術(shù)，智能化巡檢電力線。相較于傳統(tǒng)電力線巡檢方式，基于三維激光點(diǎn)云的電力線巡檢具有諸多優(yōu)勢。其一，該巡檢方式精度更高。傳統(tǒng)巡檢方式主要由人工視覺判斷電力設(shè)備運(yùn)行情況，存在較強(qiáng)的主觀性，且觀察過程易受影響。但基于激光點(diǎn)云的電力線巡檢技術(shù)，可以通過點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，實(shí)時準(zhǔn)確記錄電力線運(yùn)行情況。其二，該巡檢方式效率更高。傳統(tǒng)巡檢方法需消耗大量人力、物力，巡檢時間較長，且無法保障巡檢精準(zhǔn)性。而基于三維激光點(diǎn)云的電力線巡檢技術(shù)，可以保證在短時間內(nèi)，高效地完成電力線全方位巡檢，過程更加智能化、高效率。其三，該巡檢方法更具安全性。傳統(tǒng)巡檢過程在檢查電力線時，部分環(huán)節(jié)需工作人員直接接觸設(shè)施，往往存在一定安全隱患。但基于三維激光點(diǎn)云的電力線巡檢技術(shù)，不需人工接觸，采用非接觸的巡檢模式，更加安全可靠。此外，基于三維激光點(diǎn)云的電力巡檢技術(shù)，還能夠在巡檢基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對電力設(shè)施進(jìn)行管理、建模和維護(hù)等工作。通過三維建模，快速定位電力故障，提高維修質(zhì)量和效率，對其進(jìn)行全生命周期的養(yǎng)護(hù)管理[1]。

2 基于三維激光點(diǎn)云的電力線巡檢技術(shù)

2.1 三維激光掃描

利用無人機(jī)駕駛激光系統(tǒng)，結(jié)合GPS、激光和空中測量平臺、數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)等的應(yīng)用，全方位掃描塔樓情況，實(shí)時傳輸所掃描到的信息，包括塔樓位置和經(jīng)緯線等，將其傳輸至地面觀測系統(tǒng)，生成三維立體圖像，對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和放大處理，確定大塔樓信息。以使用Trimble SX10 三維激光掃描儀為例，其相關(guān)參數(shù)見表1。通過確定參數(shù)，合理使用掃描儀開展工作，可以在航路計劃當(dāng)中，提供準(zhǔn)確的經(jīng)緯、高度等坐標(biāo)，并可以有效規(guī)避巡檢過程的障礙，準(zhǔn)確定位無人機(jī)，確保其航行軌跡與方向精準(zhǔn)度控制在20 cm 以內(nèi)。

表1 Trimble SX10 三維激光掃描儀參數(shù)

2.2 無人機(jī)飛行控制

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，包括地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信模塊和自主飛行控制系統(tǒng)。無人機(jī)控制系統(tǒng)直接影響無人駕駛效果，影響飛行效能和安全。通過無人機(jī)控制系統(tǒng)，建立飛行器與地面站點(diǎn)的聯(lián)系，由地面觀測點(diǎn)對無人機(jī)操作進(jìn)行導(dǎo)航和監(jiān)控。在無人機(jī)駕駛系統(tǒng)中，主控制器為ARM，連接WIFI 網(wǎng)絡(luò)，將四旋翼作為主體，進(jìn)行三次激光掃描，將信息輸送至地面基站。在地面基站中，利用電子地圖定位模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、儀器顯示模塊等顯示并處理相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)激光三維掃描信息的傳輸和收集，進(jìn)而規(guī)劃合適的路線。航線規(guī)劃過程主要是在無人機(jī)飛行完成后，按照航跡點(diǎn)，構(gòu)成1 條路線，并對其飛行狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)控。

2.3 校準(zhǔn)電塔方向

將電塔點(diǎn)云模型導(dǎo)入，不同的電塔位置不同，朝向不同，導(dǎo)致觀測難度加大。所以，在確定觀測點(diǎn)前，需要對塔身方向進(jìn)行校準(zhǔn)處理，使其在地理坐標(biāo)中位于正方向。在此過程中，運(yùn)用PCA 算法，將n 思維特征映射到k 思維上，也就是映射為全新的正交特征。在原始空間當(dāng)中，找出一組順序排列、相互正交的坐標(biāo)軸。就電塔點(diǎn)云信息而言，三個坐標(biāo)維度中，不考慮高度坐標(biāo)，僅考慮X、Y 坐標(biāo)方向。將點(diǎn)云在z=0 的平面上進(jìn)行投影，獲得二維點(diǎn)云，將其作為PCA，確定電塔橫桿長寬方向，以此為基礎(chǔ)，對點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)處理，得到正方向的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。

2.4 設(shè)置濾波閾值

由于電塔數(shù)據(jù)中，存在一定電力線數(shù)據(jù)，若該數(shù)據(jù)較多，很容易影響點(diǎn)位的準(zhǔn)確性，所以，還需適當(dāng)對數(shù)據(jù)濾波處理。利用直通濾波法，設(shè)置合適的濾波閾值，將已校準(zhǔn)方向的點(diǎn)云進(jìn)行處理。考慮到電力線數(shù)據(jù)在Y 坐標(biāo)軸，所以濾波處理Y 字段，分析點(diǎn)云底部數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定Y 方向的最小值和最大值，確定濾波閾值，消除其中無用的數(shù)據(jù)信息。圖1 所示為濾波處理流程。

圖1 濾波處理流程

2.5 確定觀測點(diǎn)位置

經(jīng)過以上處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)絕緣子的位置，可知絕緣子掛點(diǎn)位于電塔中線位置，使用畫格子的方法，規(guī)劃觀測點(diǎn)位置。將高度增加的差值設(shè)置為h，初始高度為h0，每次提升h，對該提升部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平面投影處理，畫出相應(yīng)的格子。格子位置不同，上升高度不同。格子最初為正方形點(diǎn)云圖形，在高度不斷增加的情況下，格子尺寸不斷縮小，直到到達(dá)絕緣子位置后，格子寬度才會明顯增大，增大的程度甚至?xí)^閾值。在到達(dá)絕緣子掛點(diǎn)后，格子的尺寸又會不斷變小，以此確定絕緣子掛點(diǎn)位置。在最后一個格子的探索下，就可以確定地線位置，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的觀測點(diǎn)。

2.6 設(shè)置偏航角

在確定了觀測點(diǎn)后，為保證無人機(jī)能夠準(zhǔn)確到達(dá)拍攝點(diǎn)位置，還需設(shè)置偏航角。使西側(cè)觀測點(diǎn)向東側(cè)觀測點(diǎn)指向，形成向量，與正北方向量作點(diǎn)乘處理，計算出夾角大小，再按照無人機(jī)對偏航角的要求，計算出相應(yīng)的偏航角大小。若需要巡檢多個電塔的電力線時，不需要反復(fù)啟動程序，而是可以按順序單獨(dú)傳入電塔，按照傳入順序，由程序自動規(guī)劃巡檢路線[3]。

2.7 巡檢要點(diǎn)和優(yōu)化

2.7.1 單元作業(yè)

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，需要利用無人機(jī)航攝進(jìn)行，以航線為單位提供相應(yīng)信息。這一過程涉及大量數(shù)據(jù)，且航線之間存在一定的重疊問題，所以為了保證應(yīng)用效果，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)蔫偳逗筒们刑幚恚詥卧M(jìn)行作業(yè)。在繪制鑲嵌線時，要確保航線接邊差符合設(shè)計需要，盡量將其繪制在重疊處的中央位置。由于激光掃描日期會造成航線中地物的差異性，所以應(yīng)最好沿著鄉(xiāng)村路、行樹、溝渠等帶狀覆蓋中心區(qū)域繪制鑲嵌線，若平原作物存在明顯生長差異，要特別避開從大面積平坦耕地中穿出鑲嵌線。

2.7.2 噪聲濾除

利用無人機(jī)載運(yùn)激光雷達(dá)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程中，難免會由于儀器的系統(tǒng)誤差或被測對象的物理特性原因，存在不合理的噪聲點(diǎn)。而噪聲點(diǎn)又分為高于地面、低于地面、不成群的和與地表高差較小的、與地面點(diǎn)混合的多種類型，會在某種程度上影響數(shù)據(jù)分析精確性。所以，在計算分析數(shù)據(jù)前，應(yīng)當(dāng)首先將噪聲點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)去除。

基于此，可利用雙邊濾波算法，對點(diǎn)云去噪處理。雙邊濾波器以空間分布為基礎(chǔ)，保存目標(biāo)物的高頻信息，促使點(diǎn)云數(shù)據(jù)趨勢更加平緩，沿法向促使數(shù)據(jù)點(diǎn)產(chǎn)生位移。

2.7.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云作為坐標(biāo)系的點(diǎn)數(shù)據(jù)集，包括豐富信息，其中包含三維坐標(biāo)系、分類值、時間、強(qiáng)度和顏色等信息。點(diǎn)云配準(zhǔn)的目的，就是確保多個點(diǎn)云都能在同一坐標(biāo)系下，使得點(diǎn)云更加完整。點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過程，可以利用ICP 算法，通過搜尋迭代對應(yīng)點(diǎn)和最小化點(diǎn)，估計整體距離和變換矩陣。具體原理見圖2。設(shè)點(diǎn)云q為目標(biāo)點(diǎn)云，p 為源點(diǎn)云，qi是距離目標(biāo)點(diǎn)云最近的點(diǎn)，pi是源點(diǎn)云中的一個點(diǎn)，將其組成一個坐標(biāo)。計算從目標(biāo)點(diǎn)云到源點(diǎn)云的PT 變換矩陣，若變換參數(shù)正確，則證明源點(diǎn)云中的各點(diǎn)在變換后都能與目標(biāo)點(diǎn)云重合。在此過程中，定義誤差函數(shù)為：

圖2 ICP 算法原理

通過此誤差方程，得到與之對應(yīng)的空間參數(shù)，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換。

2.7.4 識別電力線路點(diǎn)云

在結(jié)合輸電線走廊實(shí)際物體分類激光點(diǎn)云，建立激光點(diǎn)云塔模型的過程中，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化識別電力線路點(diǎn)云和塔桿點(diǎn)云。

首先，粗分類被處理后的激光點(diǎn)云，利用空間三維柵格化處理輸電線路點(diǎn)云，通過經(jīng)驗(yàn)高程閾值，合理劃分非線路點(diǎn)云，獲取相應(yīng)的電線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其中高低植被點(diǎn)云、地面點(diǎn)云等進(jìn)行過濾。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分類輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而是被出交跨線點(diǎn)云、導(dǎo)線點(diǎn)云和塔桿點(diǎn)云。具體實(shí)踐過程中，先創(chuàng)建三維柵格空間，按照步長劃分輸電線點(diǎn)云數(shù)據(jù)并對三維柵格劃分和做好編號。分割三維柵格的高程方向。利用相對較小的尺寸對其進(jìn)行劃分，以避免尺寸過大的無法敏銳識別非連續(xù)性特征。若垂直方向上兩個相鄰點(diǎn)云數(shù)量為0，那么可將其合并劃分。以此為基礎(chǔ)，獲得三維柵格的高程閾值。設(shè)定高程間隔閾值，其也作為地面與導(dǎo)線的垂直間距，將計算中所得到的的高程對比高程閾值，若高程小于高程閾值，則證明該高程間隔最小高程值為Z0，需遍歷三維柵格中的全部高程點(diǎn)Z；如高程大于高程閾值，則證明該點(diǎn)為導(dǎo)線點(diǎn)。將粗分類中得到的線路點(diǎn)云，在XY 面上做平面投影，簇狀分布的為桿塔點(diǎn)云，線性分布的則為導(dǎo)線點(diǎn)云和交跨線點(diǎn)云。

2.7.5 特征對比

由于在XY 平面投影的導(dǎo)線點(diǎn)云和交跨線點(diǎn)云，都會呈現(xiàn)出直線模型，所以做好特征對比至關(guān)重要。導(dǎo)線在輸電走廊中完全通過，交跨線則斜穿輸電走廊，所以往往交跨線的長度比導(dǎo)線長度更短。所以，可通過對比點(diǎn)云數(shù)量、長度等信息，區(qū)分交跨線和導(dǎo)線，最終確定交跨線點(diǎn)云。此外，還可利用激光點(diǎn)云桿塔模型，精準(zhǔn)體現(xiàn)航跡規(guī)劃，確認(rèn)每個需要拍照的點(diǎn)，對其進(jìn)行有效連接，進(jìn)而得到一條高精度航線。這樣一來，不僅能夠使得桿塔本體自動精細(xì)化批量提取，還能夠?qū)徊婢€路精細(xì)批量提取。圖3、圖4 所示分別為該巡檢方式下桿塔批量巡檢和線路批量巡檢，在此基礎(chǔ)上，還可分析拍照中危險點(diǎn)，設(shè)置安全距離，確保無人機(jī)避開桿塔，使其安全飛行，保證全過程安全性[4]。

圖3 桿塔批量提取

圖4 線路批量提取

3 結(jié)論

綜上所述，利用三維激光點(diǎn)云電力線巡檢技術(shù)，能夠有效簡化無人機(jī)巡檢過程，提高巡檢過程的管理和監(jiān)控質(zhì)量，保障線路運(yùn)行可靠安全。該技術(shù)的應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)人工巡檢和無人機(jī)巡檢局限，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操作，降低了工作難度，減輕了工作壓力，同時有效保障工作安全，實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率巡檢過程，促進(jìn)了電力設(shè)備的智能化巡檢實(shí)現(xiàn)，推動了電力行業(yè)的智能化發(fā)展。