基于機載激光雷達技術的超高壓電力工程巡檢研究

摘" 要：該文探討基于機載激光雷達技術的超高壓電力工程巡檢方法，以解決傳統巡檢技術在電力工程中存在的局限性。首先，對機載激光雷達技術進行全面的介紹與分析，包括其原理、優勢和應用范圍。其次，針對超高壓電力工程巡檢中存在的難點和問題，提出基于機載激光雷達技術的巡檢方案，并詳細闡述實施步驟和關鍵技術。然后，提出基于漸進形態學地面濾波的超高壓輸電線路點云語義分割算法。最后，通過對比實驗驗證該方法在超高壓電力工程巡檢中的有效性和可行性。結果表明，基于機載激光雷達技術的超高壓電力工程巡檢方法具有高精度、高效率和高安全性的特點，能夠滿足超高壓電力工程巡檢的實際需求。

關鍵詞：機載激光雷達技術；超高壓電力工程巡檢；漸進形態學地面濾波；點云語義分割算法；巡檢方案

中圖分類號：TN958.98" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0055-04

Abstract： This paper discusses an ultra-high voltage power engineering inspection method based on airborne LiDAR technology to solve the limitations of traditional inspection technology in power engineering. First of all， airborne LiDAR technology is comprehensively introduced and analyzed， including its principles， advantages and application scope. Secondly， in view of the difficulties and problems existing in the inspection of ultra-high voltage power projects， an inspection plan based on airborne LiDAR technology is proposed， and the implementation steps and key technologies are elaborated in detail. Then， a semantic segmentation algorithm for EHV transmission line point cloud based on progressive morphological ground filtering is proposed. Finally， the effectiveness and feasibility of the method in ultra-high voltage power engineering inspection are verified through comparative experiments. The results show that the ultra-high voltage power engineering inspection method based on airborne LiDAR technology has the characteristics of high accuracy， high efficiency and high security， and can meet the actual needs of ultra-high voltage power engineering inspection.

Keywords： airborne LiDAR technology; ultra-high voltage power engineering inspection; progressive morphological ground filtering; point cloud semantic segmentation algorithm; inspection scheme

超高壓（Extra-high voltage， EHV）輸電線路作為一種與日常生產生活密切相關的基礎公共設施，是國家電力網絡的重要組成部分，其安全穩定地運行對保證電力網絡結構及功能的完整性意義重大。由于輸電線路本身結構復雜且組件數量多，一旦出現故障，維修成本較高，且有可能影響到大片區域的生產和生活用電，造成不可估量的經濟損失。常規基于人工的巡線工作存在勞動力強度大、工作條件艱苦、效率低、復巡周期長和巡檢數據準確率低等問題，已經難以滿足社會發展的需要[1]。隨著激光雷達技術的發展，以車輛、飛機等移動工具作為載體的移動測量技術得到了廣泛的應用，以點云為代表的全空間、全時域三維數據獲取能力得到了顯著提升。該技術還能夠在復雜地形和惡劣環境下實現高效巡檢，為超高壓電力工程巡檢工作提供了全新的解決方案。因此，合理預防線路故障歷來是超高壓輸電線路運行維護工作的核心內容。

1" 機載激光雷達技術

機載激光雷達技術的優勢在于高效、高精度、高安全性和多角度數據，將為超高壓電力工程巡檢工作帶來全新的技術支持和方法選擇。龔建宗[2]通過對超高壓輸電線路走廊數據進行格網化處理，計算每個格網中點云數據的分布特征，以此確定桿塔大致位置，然后進行切片分析計算桿塔中心平面坐標。王鴻飛等[3]同樣先將超高壓輸電線路點云二維格網化，然后利用線路內點云數據的相對高度以及桿塔的分布特征設定閾值，以保留桿塔所在網格，并利用周圍網格計算桿塔的水平位置。陳西強[4]利用桿塔在輸電線路通道中高密度、大坡度、大高差特征，通過對數據進行規則化分析，以建立點云特征圖像，然后根據桿塔在密度、坡度及高程上的特征，確定其中心位置并提取桿塔點云。

1.1" 技術原理

機載激光雷達技術是一種利用激光束對目標進行掃描和測距的先進技術。如圖1所示，其原理是通過激光雷達系統發射激光束，然后利用接收器接收激光束經目標反射后返回的信號，通過計算反射信號的時間差來確定目標的距離。該技術具有高精度、快速測量、非接觸等優勢，可以實現對地物的三維高精度測量。機載激光雷達技術在超高壓電力工程巡檢中的應用范圍廣泛，可以對輸電線路、變電站、輸電通道等進行快速、精確的巡檢，為電力工程的規劃設計和施工提供可靠的數據支持[5]。

1.2" 技術優勢

機載激光雷達技術具有許多優勢，這些優勢使得它在超高壓電力工程巡檢中具有重要的應用價值。首先，機載激光雷達技術能夠實現快速、高效率的大面積巡檢，大大縮短了巡檢周期。其次，由于激光雷達具有非接觸式測量能力，可以在保證測量精度的同時降低對工程區域的干擾和破壞，具有較高的安全性。此外，機載激光雷達技術還可以實現對地物三維信息的快速獲取和大數據處理，具有高精度、高分辨率的特點，可以滿足超高壓電力工程巡檢中對空間地物信息的高要求。另外，機載激光雷達技術還可以進行多波段、多角度的數據采集，能夠獲取更加全面的地理信息數據，為超高壓電力工程巡檢提供了更加豐富的信息基礎[6]。

2" 超高壓輸電巡檢流程

基于機載激光雷達的超高壓輸電線路巡檢工作可分為3個部分：準備工作、外業數據采集、內業數據處理。其中，準備工作的主要任務為制定工作計劃以確保作業安全；數據采集工作則是根據工作計劃獲取原始數據；數據處理部分可分為數據解算及數據應用。主要工作流程如圖2所示。

2.1" 前期準備

由于電網巡檢作業的特殊性，需要在數據采集前做好一系列準備工作，以確保作業過程中人員、設備及電網設施的安全。首先，需進行作業區踏勘工作，收集輸電線路走廊中地形、氣候等測區實際資料。其次，需根據測區實際情況、作業要求以及飛行平臺續航情況來規劃航線、制訂作業計劃。然后，應根據線路情況，合理布設GNSS基站地面控制點，以確保激光雷達系統定位數據解算準確。最后，為檢驗所獲點云數據的精度，需在桿塔附近選擇特征明顯位置，布設地面檢查點并制作點之記。

2.2" 數據采集

機載激光雷達所獲點云數據的質量，高度依賴系統參數的設定、飛行平臺及定位方式的選擇。系統參數影響數據密度及采集范圍，主要包括飛行參數及掃描參數，具體可分為飛行速度及高度、雷達掃描角度、激光發射頻率。其中，飛行速度影響掃描條帶寬度，飛行高度及雷達掃描角度影響掃描范圍，激光發射頻率影響激光腳點間隔。

2.3" 數據處理

基于機載激光雷達系統的巡檢作業中數據處理工作可分為點云數據解算及數據分析2部分。點云數據解算是利用外業工作所獲取原始數據（GNSS數據、IMU數據、雷達測距及測角數據、影像數據）經聯合解算以獲取真彩點云的過程，解算得到點云數據后，通過人工判讀及濾波算法去除由于設備震動等原因產生的噪點，然后根據巡檢作業任務要求對點云數據進行分析，例如，危險點檢測、樹木生長分析、風偏模擬、覆冰分析和工況模擬等。本文所研究的超高壓輸電線路點云語義分割算法是實現以上分析及應用的基礎性工作。

3" 超高壓輸電線路點云語義分割算法

3.1" 超高壓輸電線路點云語義規則

在超高壓輸電線路點云數據處理中，基于語義規則的方法主要依靠于桿塔及電力線的空間分布特征來設定分割規則。對于桿塔數據而言，其不同于輸電線路場景中其他地物的空間幾何特征在于：①高程連續性，組成單個桿塔的點云數據在高程方向上是連續不間斷的；②高程突變性，同一桿塔上的點云具有較大高差；③局部最高點，通常桿塔頂部點云為桿塔所在范圍內的最高點；④與電力線點云相連。

基于上述特點，可以通過對超高壓輸電線路場景內的點云數據進行二維格網化或根據高程信息建立直方圖的方式來完成桿塔位置的確定及桿塔點云數據的粗提取。對于電力線點云而言，其最顯著的空間分布特征表現為2方面：①符合懸鏈線模型，電力線材質為柔性鋼索，兩端連接于桿塔絕緣子，中間受重力作用自然下垂，并且在水平投影中符合直線方程，在垂直剖面投影中符合拋物線方程；②懸空性，電力線兩端連接于桿塔頂部，與地面距離較遠，且與相鄰電力線間隔在10 m左右，各條電力線均具有懸空性特點。

3.2" 漸進形態學地面濾波算法

漸進形態學地面濾波算法的主要流程如下。

1）對輸入的離散點云建立規則格網，查詢格網中最低高程點生成最小高程表面SF1，若格網內不包含點云，則利用最近鄰點插值方法為其賦值。

2）利用初始窗口尺寸W1及最小高程表面SF1進行第一次形態學濾波，即開操作，在開操作結束后，計算每個點與最小高程表面的高差dhp，1，若dhp，1大于高差閾值dhT，k，則該點歸為非地面，否則，歸為地面點。

3）利用公式（1）、（2）及公式（3）計算新的窗口尺寸Wk及高差閾值dhT，k，對新的SFk進行下一次迭代，直到窗口尺寸達到設定閾值。

窗口尺寸的2種計算方式為

Wk=2kb+1， （1）

Wk=2kb+1， （2）

式中：k為迭代次數；b為初始定義的窗口大小；+1是為了保證Wk為一個奇數。式（2）適用于大場景數據，窗口尺寸增長速度快。

高差閾值為

式中：dh0為初始高差閾值；s為坡度；c為格網大小；k為當前迭代次數；dhmax為最大高差閾值。

4" 實驗結果分析

本文所有實驗均使用相同硬件配置的工作站，計算機操作系統為Ubuntu 18.04，CPU型號為Intel@Xeon（R）Silver 4114，內存為48 GB，顯卡型號為NVIDIA Quadro RTX 4000，顯存為8 GB。本實驗使用C++語言，結合專門用于處理點云數據的PCL（Point Cloud Library）庫、las文件讀寫庫LASlib以及矩陣運算庫Eigen進行了算法流程的實現。

4.1" 實驗數據

實驗數據為某地實測500 kV超高壓輸電線路點云數據，如圖3所示，該數據由無人直升機搭載Reigl VUX-1HA激光掃描儀采集而來，測區地形較為平緩，點云密度為86 pts/m2，共包含11個檔間，利用手工標記的方式將其標記為桿塔、地線、導線、低壓電力線、建筑物、植被和地面7個類別。同時使用該數據作為第五章深度學習模型實驗的測試集。由于分割規則的限制，本實驗只分析桿塔、地線及導線3個類別的分割效果。

4.2" 評價指標

點云語義分割領域常用的評價指標可分為單一類別評價指標及總體評價指標，其中單一類別評價指標包括準確率（pre）、召回率（rec）、F1-值（f1）和交并比（IoU）；總體評價指標包括2類，分別是平均交并比（mIoU）、總體精度（OA）。

4.3" 實驗結果及分析

從表1中可以看出，常規的基于語義規則的方法，在桿塔、地線及導線3個類別上均能達到較好的分割效果。其中，導線點在3種類別中分割效果最佳，在4種精度指標中分別可達到 96.79%、96.76%、96.77%和93.75%，其誤分現象主要存在于與桿塔相接部分，部分導線點被誤分為桿塔點，且連接導線與桿塔的絕緣子也部分被誤分為導線點。相對于導線點，地線點分割精度稍差，其誤差來源與導線點相同，同樣來源于與桿塔相接部分。3種類別中，桿塔分割精度最差，其誤差來源除地線與導線外，還來自塔基與地面相連部分，雖然本文在桿塔提取中利用切片分析法實現了塔基部分的提取，但仍有部分桿塔點與地面、植被點混雜在一起，難以精確分割提取。

5" 結論

基于機載激光雷達技術的超高壓電力工程巡檢方法在提高巡檢精度、縮短巡檢周期、降低巡檢成本方面具有顯著優勢，為電力工程領域的巡檢工作提供了全新的技術支持和方法選擇。期望本研究能夠為相關領域的學者和工程師提供借鑒和啟發，推動機載激光雷達技術在電力工程領域的廣泛應用和推廣。

參考文獻：

[1] 張林.機載激光雷達在地形測繪中的運用[J].工程技術研究，2024，9（7）：98-100.

[2] 龔建宗.機載激光雷達在山區輸電線路設計中的應用[J].測繪與空間地理信息，2024，47（1）：170-172.

[3] 王鴻飛，譚若愚.機載激光雷達測量技術及其在桂欽高速中的應用研究[J].湖南工程學院學報（自然科學版），2023，33（4）：76-80.

[4] 陳西強.無人機機載激光雷達技術在電力工程中的應用分析[J].價值工程，2023，42（34）：124-126.

[5] 王明偉.無人機機載激光雷達技術在礦山三維測繪中的應用研究[J].世界有色金屬，2023（21）：7-9.

[6] 李艷，伍陶，屈仁飛，等.機載激光雷達技術在水電站地質災害解譯中的應用[J].成都航空職業技術學院學報，2023，39（3）：58-61，65.