鄭武略 張富春 翁珠奮 袁文俊

摘 要：針對傳統(tǒng)輸電線路分類方法分類效率低的問題，提出了一種基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類方法。首先根據(jù)輸電線路分類需求，運用機載激光雷達和無人機獲取輸電線路點云數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行抽稀處理，剔除一些冗余數(shù)據(jù)，最后利用聚類分析算法對處理后的數(shù)據(jù)進行分類，以此實現(xiàn)基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類。經(jīng)實驗證明，基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類方法具有較高的分類效率。

關(guān)鍵詞：機載激光;點云數(shù)據(jù);輸電線路;聚類分析算法

0 引言

傳統(tǒng)的輸電線路分類方法由于分類精度低、效率低，經(jīng)常出現(xiàn)錯分、漏分等現(xiàn)象，使傳統(tǒng)分類方法已經(jīng)無法滿足輸電線路分類需求。輸電線路分類是一個極其復(fù)雜的問題，并且在分類過程中需要對大量的點云數(shù)據(jù)進行采集和處理，導(dǎo)致輸電線路自動分類具有一定的困難。因此，本文將機載激光雷達技術(shù)應(yīng)用到輸電線路自動分類中，提出了一種基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類方法，提高了輸電線路的自動分類效率。

1 基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類方法

1.1? ? 機載激光點云數(shù)據(jù)的獲取

機載激光雷達技術(shù)由于工作效率高、測量精準度高、操作靈活、作業(yè)范圍廣以及自動化水平高等優(yōu)點，已經(jīng)成為重要的觀測技術(shù)之一，此次利用機載激光雷達觀測技術(shù)對輸電線路的云數(shù)據(jù)進行采集[1]。利用激光雷達技術(shù)和無人機技術(shù)采集輸電線路點云數(shù)據(jù)，以時間同步技術(shù)作為技術(shù)支撐，可以同步獲取輸電線路三維激光點云和定位姿勢數(shù)據(jù)，能夠高集成度、高效率、高質(zhì)量地獲取數(shù)據(jù)[2]。機載激光雷達與無人機參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1.2? ? 機載激光點云數(shù)據(jù)處理

由于機載激光雷達采集到的輸電線路空間三維點云數(shù)據(jù)具有不連續(xù)性、非線性、不規(guī)則性特點，使輸電線路自動分類具有一定的復(fù)雜性，并且采集到的數(shù)據(jù)存有大量的冗余數(shù)據(jù)，所以需要對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，以實現(xiàn)輸電線路精準分類[3]。首先，根據(jù)電力線的橫擔(dān)寬和點云數(shù)據(jù)的屬性值，對原始點云數(shù)據(jù)進行抽稀，這樣既保證了數(shù)據(jù)的精準和質(zhì)量，同時還減少了原始點云數(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狀結(jié)構(gòu)的最近鄰近點查找點云抽稀方法，該方法可以將高密度、高冗余度的點云數(shù)據(jù)按照一定的間隔距離進行采樣，經(jīng)過抽稀處理后的數(shù)據(jù)腳點之間能夠保持相同間隔距離均勻分布。然后，需要建立一個點云數(shù)據(jù)樹，根據(jù)輸電線路分類要求，確定抽稀最小距離，計算出最優(yōu)樹層，提高緊鄰點云數(shù)據(jù)的查找效率[5]。最后，在找到給定距離的點云數(shù)據(jù)腳點后，剔除周圍其余的腳點，以此實現(xiàn)對機載激光點云數(shù)據(jù)的處理。

1.3? ? 輸電線路自動分類

根據(jù)輸電線路自動分類需求，選用聚類分析算法對處理后的數(shù)據(jù)進行自動分類，運用聚類分析算法確定輸電線路的數(shù)量和起點，然后基于輸電線路高度的最小值確定輸電線路的下導(dǎo)線，最后運用算法對輸電線路進行導(dǎo)線追蹤，以此實現(xiàn)基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類[6]。圖1為基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類流程圖。

把處理后的機載激光點云數(shù)據(jù)分為N個類別，確保每個類別內(nèi)都具有一定的相似度，采用平方誤差準則推算出類別的相似度，其定義如下：

R=∑|p-mi|2Gi

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

根據(jù)機載激光點云數(shù)據(jù)相似特征，將數(shù)據(jù)歸集到一類構(gòu)成集合，將每類集合中篩選出一個種子點云數(shù)據(jù)作為輸電線路起點，再將種子點云數(shù)據(jù)周圍區(qū)域中具有相同特征的點云數(shù)據(jù)合并到一起，直到?jīng)]有滿足條件的機載激光點云數(shù)據(jù)劃分進來為止，此時完成輸電線路自動分類。

具體分類步驟如下：首先對機載激光點云數(shù)據(jù)進行相似度計算，將所有數(shù)據(jù)按照相似度進行分類，然后找到一個歸類的點云數(shù)據(jù)記為A。然后以A為中心，對A周圍的點云數(shù)據(jù)進行評判，如果滿足歸類準則將其與A歸到一個區(qū)域，再在區(qū)域中找一個點云數(shù)據(jù)，然后重復(fù)上述操作，直到集合中每個點都有相應(yīng)分類時，完成對輸電線路自動分類。

2 實驗

在完成對基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類方法設(shè)計后，需要對其進行一組對比實驗，檢驗該方法是否能滿足輸電線路自動分類實際需求。將其與傳統(tǒng)分類方法同時應(yīng)用到某電網(wǎng)輸電線路分類中，將機載激光掃描寬度設(shè)置為150 m，條帶長45 km。首先對需要分類的輸電線路進行分塊，然后針對每個區(qū)域的掃描點云數(shù)據(jù)進行輸電線路自動分類。此次實驗選用電壓為220 V輸電線路作為分類對象，共包含4檔數(shù)據(jù)，每檔數(shù)據(jù)包含8相輸電線，每相輸電線有4根分裂導(dǎo)線，3個基桿塔，每個基桿塔高約35 m。運用兩種方法對其進行自動分類，檢驗此次提出方法的分類效率。圖2為兩種分類方法的分類效率。

從圖2可以看出，此次提出的基于機載激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路自動分類方法的分類效率可達到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路自動分類效率。

3 結(jié)語

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

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收稿日期：2019-12-26

作者簡介：鄭武略（1987—），男，湖北宜昌人，碩士，工程師，從事超高壓輸電線路運行維護工作。