麻衛(wèi)峰

1. 云南師范大學(xué)地理學(xué)部,云南 昆明 650500; 2. 中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南 昆明 650051; 3. 云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室,云南 昆明 650500

輸電線路作為電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分,承載著國民生產(chǎn)和生活所需電力能源的運輸命脈,對其運行狀態(tài)安全巡檢及風(fēng)險監(jiān)測一直是電網(wǎng)運營管理部門關(guān)注的重點。機載激光雷達(dá)(light detection and ranging)能夠快速獲取高精度、高密度的輸電線路三維空間信息——點云數(shù)據(jù),彌補了傳統(tǒng)人工地面巡檢效率低下、精度不高的缺陷,已成為輸電線路智能化巡檢研究的新型技術(shù)手段。盡管國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的激光雷達(dá)電力巡檢工程試驗和理論研究并取得了顯著的進展,但相關(guān)研究仍存在算法普適性不夠高、信息挖掘和應(yīng)用不夠全面等問題。因此,論文聚焦激光點云輸電線精細(xì)提取、激光點云輸電線模型重建、輸電線工況模擬和狀態(tài)監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)開展研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下。

(1) 借鑒地圖投影思想,將輸電線三維激光點云投影至二維模型殘差空間,通過引入或改進經(jīng)典聚類算法將激光點云輸電線提取過程轉(zhuǎn)化為模型殘差聚類,提出了兩種激光點云輸電線精提取方法,包括殘差密度聚類法和殘差改進K均值聚類法,解決了點云缺失、大量噪聲等復(fù)雜背景環(huán)境的激光點云輸電線提取難題。試驗結(jié)果表明:①兩種方法均有效克服對點云連續(xù)性和完整性的依賴,單根輸電線提取率均在95%以上,同時顧及輸電線檔距和數(shù)目、線路地形及點云密度等因素,對分裂導(dǎo)線的單導(dǎo)線提取仍具有較好的適應(yīng)性;②殘差密度聚類法無須類別數(shù)目輸入且能識別任意形狀類簇目標(biāo),輸電線提取具有自動化程度高、普適性好的特點,殘差改進K均值聚類法通過拐點法自適應(yīng)聚類數(shù)目、距離約束初始樣本點選擇和閾值判別的噪聲點自動識別等改進策略,使得輸電線提取具有操作簡單、抗噪性強的優(yōu)勢。

(2) 從模型選擇和參數(shù)求解兩個方面入手,改善了激光點云輸電線模型重建精度。首先,提出了顧及風(fēng)偏環(huán)境的輸電線形態(tài)描述的空間模型方程(拋物線-拋物線方程),并討論了不同模型方程的適應(yīng)性和有效性;然后,通過優(yōu)化種子點選擇數(shù)目和方案、引入最小二乘初始模型求解等策略,提出了一種改進隨機采樣一致性激光點云輸電線模型參數(shù)求解方法。試驗結(jié)果表明:①論文提出的拋物線-拋物線模型方程精確描述了風(fēng)荷載激勵的輸電線形態(tài)特征,更合適風(fēng)偏環(huán)境下激光點云輸電線空間模型重建,已有直線-拋物線和直線-懸鏈線方程對無風(fēng)偏環(huán)境的激光點云輸電線模型重建具有較高的精度,且直線-拋物線方程更佳;②改進隨機采樣一致性模型參數(shù)求解方法既繼承原始算法自動識別噪聲點的特性,又具備穩(wěn)定性優(yōu)勢,輸電線模型重建中誤差為7.06,平均誤差6.15 cm,最大誤差19.10 cm。

(3) 通過分析高溫、大風(fēng)和覆冰典型氣象因素作用于輸電線的形變過程及機理,建立了不同工況環(huán)境下輸電線空間模型動態(tài)模擬方法,針對全站儀、GPS等傳統(tǒng)定點測繪技術(shù)驗證樣本容量不足、動態(tài)輸電線捕捉困難等缺陷,設(shè)計了一種兩期激光點云輸電線工況模擬精度評定交叉驗證法,該研究內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于實現(xiàn)了基于靜態(tài)激光點云的動態(tài)環(huán)境輸電線模型重建,彌補了靜態(tài)激光點云無法及時反饋動態(tài)環(huán)境輸電線運行狀態(tài)信息的不足。通過人工設(shè)置5種不同氣象條件的工況組合,試驗結(jié)果表明:論文提出的靜態(tài)激光點云輸電線工況動態(tài)模擬方法可行且結(jié)果可靠,激光點云輸電線工況模擬平均誤差小于0.036 m,中誤差小于0.027,最大誤差小于0.171 m。

(4) 在溫度校正和風(fēng)速改正等氣象數(shù)值預(yù)報數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上,綜合輸電線提取、輸電線模型重建和輸電線工況模擬等研究內(nèi)容,構(gòu)建了機載激光點云輸電線路缺陷監(jiān)測技術(shù)流程,該內(nèi)容的主要創(chuàng)新點在于拓展了激光點云輸電線路巡檢模式,實現(xiàn)了機載激光雷達(dá)電力巡檢模式由靜態(tài)檢測到動態(tài)監(jiān)測的跨越。首先,量化缺陷監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)及等級劃分標(biāo)準(zhǔn);然后,通過水平應(yīng)力及等值覆冰厚度等輸電線運行狀態(tài)物理參數(shù)反演及變化規(guī)律分析,建立了斷線、倒塔等線路本體要素缺陷檢/監(jiān)測;最后,通過輸電線與地物的凈空距離提取,建立了閃絡(luò)、放電等輸電線路通道缺陷檢/監(jiān)測。