電力線桿塔監(jiān)測中點云數(shù)據(jù)的應(yīng)用

徐 鄭，王維坤，童賢德，丁思明，魏茂榮

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥）

引言

輸電線路走廊中的電力線桿塔受到干擾因素（如地基下沉、基礎(chǔ)補平、惡劣氣候、結(jié)構(gòu)老化、外力破壞等）的影響可能出現(xiàn)變形問題，一旦電力線桿塔變形，不僅會影響電力線桿塔的輸電穩(wěn)定性，且會給整個輸電線路埋下安全隱患。在此情況下，必須做好電力線桿塔變形監(jiān)測工作，在新時代背景下，可引入三維激光點云而提高變形監(jiān)測精度。

1 電力線桿塔所處輸電線路走廊分析

為提高電力線桿塔變形監(jiān)測精度，提高三維激光點云運用效果，在正式運用之前需對電力線桿塔所處的輸電線路走廊環(huán)境進(jìn)行分析。輸電線路走廊環(huán)境復(fù)雜，高大喬木等因素可對目標(biāo)電力線桿塔產(chǎn)生遮蓋，不利于桿塔點云數(shù)據(jù)的采集，且在三維激光點云特征圖中，高大喬木為高值響應(yīng)，同樣可表現(xiàn)在三維激光點云特征圖內(nèi)，因此，為高精度獲取電力線桿塔的三維激光點云數(shù)據(jù)，需區(qū)分喬木與桿塔，以桿塔、線路之間存在的相對關(guān)系為依據(jù)進(jìn)行輸電線路提取，隨后確定桿塔大致位置，進(jìn)一步聯(lián)合分析高差距離點云特征與坡度點云特征，以此方可完成輸電線路走廊區(qū)域的劃定[1]。

在確認(rèn)分析電力線桿塔所處的輸電線路環(huán)境時，需對距離特征點云圖像及坡度特征點云圖像的二值化閾值進(jìn)行確定。在現(xiàn)行架空線路設(shè)計規(guī)范中明確指出了各個電壓等級的輸電線路參數(shù)指標(biāo)，其中對地最小距離如表1 所示，從中提取各電壓等級的對地距離最小值，將其作為對地安全距離，將其整理，如表2 所示。在已知電力線路電壓等級后，將電力線桿塔電壓等級最大距離視為距離特征點云圖像二值化閾值（將其記為T距），同時借助式（1）計算得出坡度特征點云的二值化閾值。

表1 架空線路設(shè)計規(guī)范中的對地最小距離

表2 對地安全距離

式中：T坡為坡度特征點云的二值化閾值；arctan 為正反切函數(shù)；dmin為對地距離最小值；g 為萬有引力常數(shù)。

完成T距、T坡參數(shù)的確認(rèn)后則結(jié)合三維點云圖像進(jìn)行二值化處理及形態(tài)學(xué)閉運算，以此進(jìn)行膨脹運算與腐蝕運算，得出線路空洞區(qū)域，隨后結(jié)合形態(tài)學(xué)閉操作結(jié)果確認(rèn)電力線桿塔輸電線路三維激光點云圖像區(qū)域。

2 電力線桿塔三維激光點云數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

電力線桿塔所處環(huán)境復(fù)雜，其變形緩慢，通常需周期性監(jiān)測。在三維激光點云數(shù)據(jù)采集時，可借助全站儀、無人機等裝置進(jìn)行三維激光點云采集，此時需根據(jù)整個輸電線路區(qū)域特征而選擇適宜的數(shù)據(jù)采集方式，并合理確定三維激光點云數(shù)據(jù)采集參數(shù)[2]。

承載于全站儀或無人機等裝置上的激光掃描儀可采集記錄電力線桿塔點位數(shù)據(jù)，根據(jù)距離值、垂直角、水平角而得出三維坐標(biāo)值，公式如式（2）所示：

式中：X、Y、Z 代表三維坐標(biāo)；d 為距離值；φ、θ 分別為垂直角、水平角。

2.2 點云預(yù)處理

激光掃描儀裝置所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)易受到噪聲影響而產(chǎn)生噪聲點與孤點，可對三維激光點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，繼而降低電力線桿塔變形監(jiān)測精度，因此，基于三維激光點云而展開電力線桿塔變形監(jiān)測時，應(yīng)提前做好三維激光點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，均一化處理點云數(shù)據(jù)，并濾波降噪。

通常情況下，三維激光點云蘊含著特定統(tǒng)計規(guī)律，點云數(shù)據(jù)圖像中心點與鄰域點之間的距離符合高斯分布特性，故在電云預(yù)處理過程中，依托于高斯分布特性而定位無效點，剔除噪聲點與孤點，完成去噪過程。在此基礎(chǔ)上，借助體素格網(wǎng)濾波器均一化處理完成降噪的三維激光點云數(shù)據(jù)。為保障均一化處理效果，需結(jié)合激光掃描儀的載體裝置采集數(shù)據(jù)而選擇適宜規(guī)格的體素格網(wǎng)濾波器[3]。完成降噪與均一化處理后，所得的電力線桿塔狀態(tài)較為清晰，具體可見圖1、圖2。

圖1 降噪與均一化處理后的點云數(shù)據(jù)圖像（頂視圖）

圖2 降噪與均一化處理后的點云數(shù)據(jù)圖像（透視圖）

2.3 特征圖分析

依托于三維激光點云而進(jìn)行電力線桿塔變形監(jiān)測時，需明確電力線桿塔特征參數(shù)，如高差、坡度等，基于特征而確定電力線桿塔三維坐標(biāo)，以便精準(zhǔn)得出電力線桿塔的變形情況。三維激光點云特征圖計算期間，選取數(shù)字坡度特征、高差特征作為特征值，借助混合運算的方式進(jìn)行坡度特征、高差特征的計算，得出電力線桿塔的狀態(tài)數(shù)據(jù)[4]。

在坡度特征計算時需得出坡度數(shù)據(jù)，在電力線桿塔變形監(jiān)測過程中，坡度數(shù)據(jù)能夠呈現(xiàn)出電力線桿塔的高程變化情況，根據(jù)該參數(shù)可判斷電力線桿塔是否存在傾斜變形問題，并可進(jìn)一步結(jié)合精準(zhǔn)的坡度數(shù)據(jù)而得出電力線桿塔傾斜變形程度。在高差特征計算時，所得出的高差數(shù)據(jù)能夠表現(xiàn)電力線桿塔、高大喬木的高程分布狀況，且整體性了解輸電線路區(qū)域內(nèi)的變形狀況。完成特征圖分析后，則根據(jù)特征數(shù)據(jù)情況細(xì)化調(diào)整三維激光點云數(shù)據(jù)，所得坡度特征點云圖像與高差特征點云圖像可見圖3。

3 電力線桿塔三維激光點云變形監(jiān)測計算

3.1 變形桿塔定位

隨著現(xiàn)代化城市基礎(chǔ)設(shè)施體系的完善，電力線桿塔在城鄉(xiāng)區(qū)域基本實現(xiàn)了全面覆蓋，以滿足各地用電需求，保障電力供應(yīng)，這就意味著電力線桿塔所處的輸電線路走廊環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，電力線桿塔受到不良干擾因素易出現(xiàn)變形問題，其中最為典型且最為常見的則為傾斜變形[5]?；谌S激光點云進(jìn)行電力線桿塔變形監(jiān)測過程中，主要依靠激光掃描儀所采集到的三維激光點云數(shù)據(jù)圖像而分析是否存在變形監(jiān)測。結(jié)合上述分析可知，通過三維激光點云數(shù)據(jù)圖像可提取關(guān)鍵特征，以關(guān)鍵特征為依據(jù)展開細(xì)致分析，在電力線桿塔變形監(jiān)測過程中，考慮到最為典型且最為常見的則為傾斜變形，故選取坡度特征及高差特征進(jìn)行變形監(jiān)測。而在此期間，坡度特征主要用于判斷變形電力線桿塔的坡度情況（即傾斜變形程度），為精準(zhǔn)定位輸電線路走廊中的變形電力線桿塔，則可根據(jù)高差特征而整體了解電力線桿塔之間的高差情況，若發(fā)現(xiàn)某一電力線桿塔高差與其他電力線桿塔存在高差差距，則可判定該電力線桿塔可能存在變形問題，此時可通過局部高密度點位的迭代運算而進(jìn)一步定位變形電力線桿塔，并運用坡度特征計算方式而明確該電力線桿塔的變形程度，在完成電力線桿塔變形監(jiān)測的同時，明確變形程度以及變形電力線桿塔的定位，為后續(xù)變形處理作業(yè)的開展奠定基礎(chǔ)。

3.2 變形監(jiān)測計算

結(jié)合上述特征圖分析可知，基于三維激光點云監(jiān)測電力線桿塔變形情況時，主要借助三維激光點云坡度特征而得出電力線桿塔的傾斜變形情況，根據(jù)高差特征而整體性了解輸電線路走廊區(qū)域的電力線桿塔傾斜變形狀況。為精度完成電力線桿塔變形監(jiān)測，需以三維激光點云真實數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

以坡度特征為依據(jù)的電力線桿塔變形監(jiān)測計算公式如下所示：

以高差特征為依據(jù)電力線桿塔變形監(jiān)測計算公式如下所示：

式中：R 為高差特征；HDSM為顯示所有表面物體（如桿塔、高大喬木）的高程模型；HDEM為輸電線路走廊區(qū)域范圍內(nèi)的高程數(shù)據(jù)集[6]。由此可見，在電力線桿塔變形監(jiān)測過程中，可結(jié)合三維激光點云數(shù)據(jù)圖像而提取電力線桿塔坡度特征及高差特征，并借助特定計算公式而獲得電力線桿塔真實的坡度情況及高差情況。在坡度特征數(shù)據(jù)支撐下，可幫助相關(guān)人員分析判斷電力線桿塔是否存在傾斜變形問題，并得出傾斜變形程度，同時可基于高差特征數(shù)據(jù)而整體性了解輸電線路走廊區(qū)域內(nèi)的電力線桿塔高差情況，可根據(jù)電力線桿塔之間的高差數(shù)據(jù)而定位存在傾斜變形問題的電力線桿塔，切實發(fā)揮出三維激光電云在電力線桿塔變形監(jiān)測中的作用，降低變形監(jiān)測工作量及人為監(jiān)測誤差，以此則可高精度、高質(zhì)量完成電力線桿塔變形監(jiān)測工作。

結(jié)束語

綜上所述，三維激光點云在電力線桿塔變形監(jiān)測中具有良好應(yīng)用效果，為保障變形監(jiān)測質(zhì)量，切實發(fā)揮出三維激光點云的積極作用，需做好輸電線線路走廊場景分析，完成點云數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行預(yù)處理，提取特征圖并進(jìn)行計算，隨后以三維激光點云數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行電力線桿塔迭代定位，進(jìn)一步進(jìn)行變形監(jiān)測計算即可。