陳飛

（中國南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司貴陽局，貴陽 550000）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求越來越大，同時導(dǎo)致輸電線路的路徑越來越復(fù)雜，輸電線在經(jīng)過山區(qū)、同一走廊線內(nèi)多條線路架設(shè)以及線路交叉跨越[1,2]也就越來越多。輸電線路對周圍的樹木放電或者輸電線路對下方交叉跨越物放電會導(dǎo)致線路故障。在高溫天氣下以及較大負(fù)荷的情況下，對交叉跨越進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析就會顯得越來越重要。現(xiàn)階段，大部分專家通過測距桿、超聲波測距儀等進(jìn)行交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析[3]，但是不同的交叉跨越統(tǒng)計(jì)方法存在一定的局限性。如何快速簡單的完成基于機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)話題。結(jié)合上述分析，本文設(shè)計(jì)并提出基于機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了所提方法的有效性以及優(yōu)越性。

1 方法

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)載雷達(dá)測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個不同的領(lǐng)域內(nèi)，該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容就是利用地物的光譜特性對不同地表進(jìn)行采樣，同時得到隨機(jī)離散分布的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理獲取最終的測繪產(chǎn)品。

結(jié)合上述分析，利用迭代線性濾波方法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體的操作過程如下所示：

1）將全部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，

2）對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行定權(quán)擬合處理；

3）通過步驟2）獲取初始擬合DEM；

4）將初始數(shù)據(jù)以及擬合面[4]進(jìn)行對比，獲取不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)的殘差。

根據(jù)計(jì)算出的殘差對不同的點(diǎn)進(jìn)行賦權(quán)Pi，以下給出穩(wěn)健估計(jì)的權(quán)函數(shù)計(jì)算式：

式中，參數(shù)a、b的取值全部都是通過權(quán)函數(shù)的陡峭程度所決定的；其中g(shù)的取值需要選取一個標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)數(shù)，主要通過殘差統(tǒng)計(jì)直方圖[5,6]來確定參數(shù)g取值的大小。

以下設(shè)定ω代表過渡區(qū)間，在實(shí)際操作的過程中，需要選用對應(yīng)的緩沖區(qū)間完成相關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

設(shè)定G1(x1,y1,z1)、G2(x2,y2,z2)、G3(x3,y3,z3)分別代表不規(guī)則三角形的三個節(jié)點(diǎn)；p(x,y,z)代表不規(guī)則三角形內(nèi)的任意離散點(diǎn)；d代表待定點(diǎn)到三角面的距離；(α,β,γ)代表離散點(diǎn)P和三角形節(jié)點(diǎn)(G1,G2,G3)連線同三角形平面所形成的夾角。通過三角形的三個頂點(diǎn)(G1,G2,G3)來確定平面方程，以下給出具體的計(jì)算式：

以下給出三角形三個頂點(diǎn)(G1,G2,G3)到離散點(diǎn)P的具體計(jì)算式：

其中距離d和夾角α的計(jì)算式為：

利用圖1給出點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程圖。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包含兩個不同的部分，分別為：

1）不規(guī)則點(diǎn)云數(shù)據(jù)的柵格化；

2）低點(diǎn)探測。

通過形態(tài)學(xué)的濾波窗口設(shè)置，選用漸變窗口，不斷的增大濾波窗口以完成不同尺寸地物的移除[7]，其中漸變窗口序列能夠劃分為線性序列以及指數(shù)序列。

根據(jù)形態(tài)學(xué)的相關(guān)理論，需要設(shè)定各個濾波窗口的大小，同時需要利用漸變窗口不斷的擴(kuò)大濾波窗口[8]，以便大小不同尺寸地物的移除；通過漸變窗口序列能夠?qū)⑵溥M(jìn)行精準(zhǔn)的劃分，以下給出具體的計(jì)算式：

式中：

b—初始窗口；

k—迭代次數(shù)。

以下給出指數(shù)序列的濾波窗口：

結(jié)合相關(guān)理論，通過不同地物的特征進(jìn)行多尺度地物濾除；首先通過dmin的濾波窗口對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，同時刪除所有面積較小的地物；然后持續(xù)添加濾波窗口的系數(shù)，并且一一刪除全部的建筑物，在每次迭代完成以后，需要將差值大于1 m的區(qū)域設(shè)定為建筑物的候選區(qū)域；最后通過建筑面積以及建筑物邊緣的差作為判定依據(jù)進(jìn)行對應(yīng)參數(shù)的選取。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程圖

以下給出點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的具體操作過程：

1）組建完整的線性序列漸變窗口，其中濾波窗口的取值大小為[3 ,wmax]；主要利用地物尺度對其進(jìn)行精準(zhǔn)劃分，然后統(tǒng)計(jì)不同地物的高程以及各個濾波窗口所對應(yīng)的高程，其中將窗口尺寸對應(yīng)多種地物中最低地物的高程設(shè)定為對應(yīng)窗口的地物最低高度。

2）建筑物提取的過程中，由于建筑物本身具有一定的使用價值，所以它的空間需要滿足人類的生活以及生產(chǎn)需要。在進(jìn)行迭代的過程中，需要通過形態(tài)學(xué)濾波結(jié)構(gòu)元的特點(diǎn)，在i+1次迭代結(jié)束后，設(shè)定對應(yīng)參數(shù)的取值。

在區(qū)域生長的過程中，濾波精度對于閾值取值大小十分明顯的影響，在進(jìn)行閾值設(shè)定的過程中，需要對地形、地物以及柵格的大小進(jìn)行具體設(shè)定。當(dāng)閾值的取值過大時，則說明還存在部分地物沒有被移除；反之當(dāng)閾值的取值過小時，則說明“地形過度腐蝕”的恢復(fù)能力十分差。

1.2 基于機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析，需要組建一組交叉跨越的模擬輸電線路，在模擬輸電線上等距設(shè)置5個紅色的特征標(biāo)記點(diǎn)，同時將雙目攝像機(jī)固定安裝在模擬輸電線交叉位置的垂直正上方進(jìn)行實(shí)時拍攝[9]。以下重點(diǎn)通過特征標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)恢復(fù)空間曲線擬合，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)基于機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析。以下給出具體的操作流程圖，如圖2所示。

描述輸電線空間曲線的數(shù)據(jù)模型主要包含兩種，分別為：

1）懸鏈線模型；

2）拋物線模型。

回歸分析是目前使用最為廣泛的數(shù)據(jù)分析方法之一，通過數(shù)學(xué)方法能夠?qū)Υ罅康挠^測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而進(jìn)一步獲取比較符合事物內(nèi)部規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

結(jié)合上述分析，以下具體給出輸電線控制曲線模型的具體確定方法，設(shè)定輸電線的空間拋物線模型[10]能夠表示為以下的形式：

如果獲取的控制點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,zi)，則公式（8）能夠轉(zhuǎn)換為以下的形式：

以下給出最小二乘目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式：

將公式（10）轉(zhuǎn)換為最小求值問題，當(dāng)E的取值最小時，能夠獲取如下的計(jì)算式：

通過以上公式，能夠獲取最優(yōu)參數(shù)，從而進(jìn)一步得到輸電線的空間曲線模型，具體的計(jì)算式如下所示：

圖2 基于機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析的具體流程圖

在上述分析的基礎(chǔ)上，引入視覺測量技術(shù)對機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析，同時確保機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析，具體的計(jì)算式如下所示：

綜上所述，完成了機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析。

圖3不同方法的響應(yīng)時間對比結(jié)果

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提基于機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析方法的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選用相機(jī)為200萬像素的工業(yè)相機(jī)，數(shù)字接口為USB 2.0，相機(jī)的鏡頭焦距為4.5～8 mm，能夠手動調(diào)整焦距，以及光圈，采集到圖片的分辨率需要設(shè)定對應(yīng)的取值范圍。

1）響應(yīng)時間/（min）：

不同統(tǒng)計(jì)分析方法的響應(yīng)時間是衡量方法性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)，以下分別給出三種統(tǒng)計(jì)分析方法的響應(yīng)時間對比結(jié)果，具體的對比結(jié)果如圖3所示。

分析圖3相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，不同方法的響應(yīng)時間會隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的變化而變化。其中，所提方法的響應(yīng)時間在三種方法中為最低，這說明了所提方法的有效性。

2）平均誤差：

不同方法在交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析的過程中會存在一定的誤差，這些誤差會對最終的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，其中平均誤差越低則說明方法的性能越好，以下分別給出三種方法的平均誤差對比結(jié)果，具體如表1～3所示。

綜合分析表1～3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)模板圖像數(shù)量不斷增加，各個方法的平均誤差也在不斷發(fā)生變化。其中，所提方法的平均誤差在三種方法中為最低；文獻(xiàn)[5]方法的平均誤差次之；文獻(xiàn)[6]方法的平均誤差在三種方法最大。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了所提方法的有效性以及優(yōu)越性。

表1 所提方法的平均誤差變化情況

表2 文獻(xiàn)[5]方法的平均誤差變化情況

表3 文獻(xiàn)[6]方法的平均誤差變化情況

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方法存在的一系列問題，設(shè)計(jì)并提出基于機(jī)載激光雷達(dá)的交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析方法。以下給出所提方法的具體研究成果：

1）通過機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)完成對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理；

2）結(jié)合步驟1）的相關(guān)操作，對通過攝像機(jī)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理以及特征提?。?/p>

3）結(jié)合立體視覺測量技術(shù)完成交叉跨越的統(tǒng)計(jì)分析；

4）在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別對比各個方法的綜合性能，通過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)全面驗(yàn)證了所提方法的有效性以及優(yōu)越性。

未來階段，將重點(diǎn)針對以下幾方面內(nèi)容展開研究：

1）在具體操作的過程中，所提方法仍然還存在一定的缺陷，后續(xù)將進(jìn)一步對其進(jìn)行改進(jìn)，將其實(shí)際應(yīng)用到交叉跨越統(tǒng)計(jì)分析中；

2）在攝像機(jī)的標(biāo)定過程中，需要進(jìn)行離線設(shè)定，但是無法進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，后續(xù)將展開該方面的研究；

3）為了提高統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，后續(xù)研究過程中能夠使用分辨率更高的攝像機(jī)以及鏡頭；

4）后續(xù)將針對USB相機(jī)展開對應(yīng)程序的設(shè)計(jì)。