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        基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)方法研究

        2020-06-27 14:05:30鄭武略張富春翁珠奮袁文俊
        機(jī)電信息 2020年2期
        關(guān)鍵詞:點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸電線(xiàn)路

        鄭武略 張富春 翁珠奮 袁文俊

        摘 要:針對(duì)傳統(tǒng)輸電線(xiàn)路分類(lèi)方法分類(lèi)效率低的問(wèn)題,提出了一種基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)方法。首先根據(jù)輸電線(xiàn)路分類(lèi)需求,運(yùn)用機(jī)載激光雷達(dá)和無(wú)人機(jī)獲取輸電線(xiàn)路點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理,剔除一些冗余數(shù)據(jù),最后利用聚類(lèi)分析算法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi),以此實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)方法具有較高的分類(lèi)效率。

        關(guān)鍵詞:機(jī)載激光;點(diǎn)云數(shù)據(jù);輸電線(xiàn)路;聚類(lèi)分析算法

        0 引言

        傳統(tǒng)的輸電線(xiàn)路分類(lèi)方法由于分類(lèi)精度低、效率低,經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)分、漏分等現(xiàn)象,使傳統(tǒng)分類(lèi)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足輸電線(xiàn)路分類(lèi)需求。輸電線(xiàn)路分類(lèi)是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題,并且在分類(lèi)過(guò)程中需要對(duì)大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理,導(dǎo)致輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)具有一定的困難。因此,本文將機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)中,提出了一種基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)方法,提高了輸電線(xiàn)路的自動(dòng)分類(lèi)效率。

        1 基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)方法

        1.1? ? 機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

        機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)由于工作效率高、測(cè)量精準(zhǔn)度高、操作靈活、作業(yè)范圍廣以及自動(dòng)化水平高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為重要的觀(guān)測(cè)技術(shù)之一,此次利用機(jī)載激光雷達(dá)觀(guān)測(cè)技術(shù)對(duì)輸電線(xiàn)路的云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[1]。利用激光雷達(dá)技術(shù)和無(wú)人機(jī)技術(shù)采集輸電線(xiàn)路點(diǎn)云數(shù)據(jù),以時(shí)間同步技術(shù)作為技術(shù)支撐,可以同步獲取輸電線(xiàn)路三維激光點(diǎn)云和定位姿勢(shì)數(shù)據(jù),能夠高集成度、高效率、高質(zhì)量地獲取數(shù)據(jù)[2]。機(jī)載激光雷達(dá)與無(wú)人機(jī)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

        1.2? ? 機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

        由于機(jī)載激光雷達(dá)采集到的輸電線(xiàn)路空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有不連續(xù)性、非線(xiàn)性、不規(guī)則性特點(diǎn),使輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)具有一定的復(fù)雜性,并且采集到的數(shù)據(jù)存有大量的冗余數(shù)據(jù),所以需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路精準(zhǔn)分類(lèi)[3]。首先,根據(jù)電力線(xiàn)的橫擔(dān)寬和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的屬性值,對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀,這樣既保證了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)和質(zhì)量,同時(shí)還減少了原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量,提高數(shù)據(jù)處理效率[4]。抽稀處理方法是一種基于樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的最近鄰近點(diǎn)查找點(diǎn)云抽稀方法,該方法可以將高密度、高冗余度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照一定的間隔距離進(jìn)行采樣,經(jīng)過(guò)抽稀處理后的數(shù)據(jù)腳點(diǎn)之間能夠保持相同間隔距離均勻分布。然后,需要建立一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)樹(shù),根據(jù)輸電線(xiàn)路分類(lèi)要求,確定抽稀最小距離,計(jì)算出最優(yōu)樹(shù)層,提高緊鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)的查找效率[5]。最后,在找到給定距離的點(diǎn)云數(shù)據(jù)腳點(diǎn)后,剔除周?chē)溆嗟哪_點(diǎn),以此實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。

        1.3? ? 輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)

        根據(jù)輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)需求,選用聚類(lèi)分析算法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi),運(yùn)用聚類(lèi)分析算法確定輸電線(xiàn)路的數(shù)量和起點(diǎn),然后基于輸電線(xiàn)路高度的最小值確定輸電線(xiàn)路的下導(dǎo)線(xiàn),最后運(yùn)用算法對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)追蹤,以此實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)[6]。圖1為基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)流程圖。

        把處理后的機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為N個(gè)類(lèi)別,確保每個(gè)類(lèi)別內(nèi)都具有一定的相似度,采用平方誤差準(zhǔn)則推算出類(lèi)別的相似度,其定義如下:

        R=∑|p-mi|2Gi

        式中,R表示全部機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平方誤差總合;p表示空間中的點(diǎn);mi表示類(lèi)別Gi的平均值。

        根據(jù)機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)相似特征,將數(shù)據(jù)歸集到一類(lèi)構(gòu)成集合,將每類(lèi)集合中篩選出一個(gè)種子點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為輸電線(xiàn)路起點(diǎn),再將種子點(diǎn)云數(shù)據(jù)周?chē)鷧^(qū)域中具有相同特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并到一起,直到?jīng)]有滿(mǎn)足條件的機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)劃分進(jìn)來(lái)為止,此時(shí)完成輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)。

        具體分類(lèi)步驟如下:首先對(duì)機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度計(jì)算,將所有數(shù)據(jù)按照相似度進(jìn)行分類(lèi),然后找到一個(gè)歸類(lèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)記為A。然后以A為中心,對(duì)A周?chē)狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)判,如果滿(mǎn)足歸類(lèi)準(zhǔn)則將其與A歸到一個(gè)區(qū)域,再在區(qū)域中找一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后重復(fù)上述操作,直到集合中每個(gè)點(diǎn)都有相應(yīng)分類(lèi)時(shí),完成對(duì)輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)。

        2 實(shí)驗(yàn)

        在完成對(duì)基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)方法設(shè)計(jì)后,需要對(duì)其進(jìn)行一組對(duì)比實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)該方法是否能滿(mǎn)足輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)實(shí)際需求。將其與傳統(tǒng)分類(lèi)方法同時(shí)應(yīng)用到某電網(wǎng)輸電線(xiàn)路分類(lèi)中,將機(jī)載激光掃描寬度設(shè)置為150 m,條帶長(zhǎng)45 km。首先對(duì)需要分類(lèi)的輸電線(xiàn)路進(jìn)行分塊,然后針對(duì)每個(gè)區(qū)域的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)。此次實(shí)驗(yàn)選用電壓為220 V輸電線(xiàn)路作為分類(lèi)對(duì)象,共包含4檔數(shù)據(jù),每檔數(shù)據(jù)包含8相輸電線(xiàn),每相輸電線(xiàn)有4根分裂導(dǎo)線(xiàn),3個(gè)基桿塔,每個(gè)基桿塔高約35 m。運(yùn)用兩種方法對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi),檢驗(yàn)此次提出方法的分類(lèi)效率。圖2為兩種分類(lèi)方法的分類(lèi)效率。

        從圖2可以看出,此次提出的基于機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)方法的分類(lèi)效率可達(dá)到90%,比傳統(tǒng)方法高出約30%,證明此次提出的方法可以有效提高輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)效率。

        3 結(jié)語(yǔ)

        機(jī)載激光雷達(dá)為輸電線(xiàn)路地理空間三維數(shù)據(jù)的獲取、處理、分類(lèi)提供了全新的技術(shù)手段,可以有效提高輸電線(xiàn)路自動(dòng)分類(lèi)效率和質(zhì)量。該方法分類(lèi)效率高、精度高,對(duì)于復(fù)雜區(qū)域的輸電線(xiàn)路可以取得良好的分類(lèi)效果,實(shí)現(xiàn)了輸電線(xiàn)路分類(lèi)的自動(dòng)化、智能化、高效化,為輸電路線(xiàn)故障處理和分析提供了良好的理論依據(jù)。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 阮峻,陶雄俊,劉東甲,等.輸電線(xiàn)路多旋翼無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)分類(lèi)技術(shù)研究及應(yīng)用[J].南方能源建設(shè),2019,6(2):89-93.

        [2] 王永志,楊路生,廖麗霞,等.八叉樹(shù)與三維R*樹(shù)集成的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2017,19(5):587-594.

        [3] 劉如飛,盧秀山,岳國(guó)偉,等.一種車(chē)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中道路自動(dòng)提取方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2017,42(2):250-256.

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        [5] 彭福先,張瑋,祝曉軍,等.基于激光點(diǎn)云精確定位的輸電線(xiàn)路無(wú)人機(jī)自主巡檢系統(tǒng)研究[J].智慧電力,2019,47(7):117-122.

        [6] 史少維,李玉富,王瑞忠,等.一種基于三維激光點(diǎn)云建模的技術(shù)方案[J].測(cè)繪通報(bào),2017,47(3):83-85.

        收稿日期:2019-12-26

        作者簡(jiǎn)介:鄭武略(1987—),男,湖北宜昌人,碩士,工程師,從事超高壓輸電線(xiàn)路運(yùn)行維護(hù)工作。

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