王維坤，張 樂，張 軍，崔 雷，蔡博文

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥）

引言

電力線路大多處于戶外，很容易受環(huán)境及天氣因素影響，出現(xiàn)導線斷裂、破壞等問題，尤其在線路雷擊跳閘時，更是容易出現(xiàn)線路故障。強化電力線巡檢，及時排查發(fā)現(xiàn)故障問題并對其進行修復具有重要意義，有利于保障線路安全。作為電力系統(tǒng)工作的重要一環(huán)，傳統(tǒng)電力巡檢方式大多以人工手段完成，檢查設備運行狀態(tài)，但這種方式難免會存在巡檢效率低、工作受限和安全隱患問題。為應對這些問題，基于三維激光點云的電力線巡檢技術應運而生。

1 基于三維激光點云的電力線巡檢優(yōu)勢

基于三維激光點云的電力線巡檢技術，以三維激光掃描設備，掃描電力設施表面，獲得大量的點云數(shù)據(jù)，通過使用點云處理軟件對其進行適當處理，達到電力設施三維立體模型。在此基礎上，利用算法分析、圖像識別等技術，智能化巡檢電力線。相較于傳統(tǒng)電力線巡檢方式，基于三維激光點云的電力線巡檢具有諸多優(yōu)勢。其一，該巡檢方式精度更高。傳統(tǒng)巡檢方式主要由人工視覺判斷電力設備運行情況，存在較強的主觀性，且觀察過程易受影響。但基于激光點云的電力線巡檢技術，可以通過點云實現(xiàn)精準定位，實時準確記錄電力線運行情況。其二，該巡檢方式效率更高。傳統(tǒng)巡檢方法需消耗大量人力、物力，巡檢時間較長，且無法保障巡檢精準性。而基于三維激光點云的電力線巡檢技術，可以保證在短時間內(nèi)，高效地完成電力線全方位巡檢，過程更加智能化、高效率。其三，該巡檢方法更具安全性。傳統(tǒng)巡檢過程在檢查電力線時，部分環(huán)節(jié)需工作人員直接接觸設施，往往存在一定安全隱患。但基于三維激光點云的電力線巡檢技術，不需人工接觸，采用非接觸的巡檢模式，更加安全可靠。此外，基于三維激光點云的電力巡檢技術，還能夠在巡檢基礎上，進一步對電力設施進行管理、建模和維護等工作。通過三維建模，快速定位電力故障，提高維修質(zhì)量和效率，對其進行全生命周期的養(yǎng)護管理[1]。

2 基于三維激光點云的電力線巡檢技術

2.1 三維激光掃描

利用無人機駕駛激光系統(tǒng)，結(jié)合GPS、激光和空中測量平臺、數(shù)字攝影技術等的應用，全方位掃描塔樓情況，實時傳輸所掃描到的信息，包括塔樓位置和經(jīng)緯線等，將其傳輸至地面觀測系統(tǒng)，生成三維立體圖像，對其進行旋轉(zhuǎn)和放大處理，確定大塔樓信息。以使用Trimble SX10 三維激光掃描儀為例，其相關參數(shù)見表1。通過確定參數(shù)，合理使用掃描儀開展工作，可以在航路計劃當中，提供準確的經(jīng)緯、高度等坐標，并可以有效規(guī)避巡檢過程的障礙，準確定位無人機，確保其航行軌跡與方向精準度控制在20 cm 以內(nèi)。

表1 Trimble SX10 三維激光掃描儀參數(shù)

2.2 無人機飛行控制

無人機飛行控制系統(tǒng)，包括地面控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信模塊和自主飛行控制系統(tǒng)。無人機控制系統(tǒng)直接影響無人駕駛效果，影響飛行效能和安全。通過無人機控制系統(tǒng)，建立飛行器與地面站點的聯(lián)系，由地面觀測點對無人機操作進行導航和監(jiān)控。在無人機駕駛系統(tǒng)中，主控制器為ARM，連接WIFI 網(wǎng)絡，將四旋翼作為主體，進行三次激光掃描，將信息輸送至地面基站。在地面基站中，利用電子地圖定位模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、儀器顯示模塊等顯示并處理相關信息，實現(xiàn)激光三維掃描信息的傳輸和收集，進而規(guī)劃合適的路線。航線規(guī)劃過程主要是在無人機飛行完成后，按照航跡點，構(gòu)成1 條路線，并對其飛行狀態(tài)進行可視化監(jiān)控。

2.3 校準電塔方向

將電塔點云模型導入，不同的電塔位置不同，朝向不同，導致觀測難度加大。所以，在確定觀測點前，需要對塔身方向進行校準處理，使其在地理坐標中位于正方向。在此過程中，運用PCA 算法，將n 思維特征映射到k 思維上，也就是映射為全新的正交特征。在原始空間當中，找出一組順序排列、相互正交的坐標軸。就電塔點云信息而言，三個坐標維度中，不考慮高度坐標，僅考慮X、Y 坐標方向。將點云在z=0 的平面上進行投影，獲得二維點云，將其作為PCA，確定電塔橫桿長寬方向，以此為基礎，對點云旋轉(zhuǎn)處理，得到正方向的點云數(shù)據(jù)[2]。

2.4 設置濾波閾值

由于電塔數(shù)據(jù)中，存在一定電力線數(shù)據(jù)，若該數(shù)據(jù)較多，很容易影響點位的準確性，所以，還需適當對數(shù)據(jù)濾波處理。利用直通濾波法，設置合適的濾波閾值，將已校準方向的點云進行處理?？紤]到電力線數(shù)據(jù)在Y 坐標軸，所以濾波處理Y 字段，分析點云底部數(shù)據(jù)，進而確定Y 方向的最小值和最大值，確定濾波閾值，消除其中無用的數(shù)據(jù)信息。圖1 所示為濾波處理流程。

圖1 濾波處理流程

2.5 確定觀測點位置

經(jīng)過以上處理后的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)絕緣子的位置，可知絕緣子掛點位于電塔中線位置，使用畫格子的方法，規(guī)劃觀測點位置。將高度增加的差值設置為h，初始高度為h0，每次提升h，對該提升部分的點云數(shù)據(jù)進行平面投影處理，畫出相應的格子。格子位置不同，上升高度不同。格子最初為正方形點云圖形，在高度不斷增加的情況下，格子尺寸不斷縮小，直到到達絕緣子位置后，格子寬度才會明顯增大，增大的程度甚至會超過閾值。在到達絕緣子掛點后，格子的尺寸又會不斷變小，以此確定絕緣子掛點位置。在最后一個格子的探索下，就可以確定地線位置，進而確定準確的觀測點。

2.6 設置偏航角

在確定了觀測點后，為保證無人機能夠準確到達拍攝點位置，還需設置偏航角。使西側(cè)觀測點向東側(cè)觀測點指向，形成向量，與正北方向量作點乘處理，計算出夾角大小，再按照無人機對偏航角的要求，計算出相應的偏航角大小。若需要巡檢多個電塔的電力線時，不需要反復啟動程序，而是可以按順序單獨傳入電塔，按照傳入順序，由程序自動規(guī)劃巡檢路線[3]。

2.7 巡檢要點和優(yōu)化

2.7.1 單元作業(yè)

激光點云數(shù)據(jù)獲取，需要利用無人機航攝進行，以航線為單位提供相應信息。這一過程涉及大量數(shù)據(jù)，且航線之間存在一定的重疊問題，所以為了保證應用效果，可進行適當?shù)蔫偳逗筒们刑幚恚詥卧M行作業(yè)。在繪制鑲嵌線時，要確保航線接邊差符合設計需要，盡量將其繪制在重疊處的中央位置。由于激光掃描日期會造成航線中地物的差異性，所以應最好沿著鄉(xiāng)村路、行樹、溝渠等帶狀覆蓋中心區(qū)域繪制鑲嵌線，若平原作物存在明顯生長差異，要特別避開從大面積平坦耕地中穿出鑲嵌線。

2.7.2 噪聲濾除

利用無人機載運激光雷達，獲取點云數(shù)據(jù)的過程中，難免會由于儀器的系統(tǒng)誤差或被測對象的物理特性原因，存在不合理的噪聲點。而噪聲點又分為高于地面、低于地面、不成群的和與地表高差較小的、與地面點混合的多種類型，會在某種程度上影響數(shù)據(jù)分析精確性。所以，在計算分析數(shù)據(jù)前，應當首先將噪聲點進行適當去除。

基于此，可利用雙邊濾波算法，對點云去噪處理。雙邊濾波器以空間分布為基礎，保存目標物的高頻信息，促使點云數(shù)據(jù)趨勢更加平緩，沿法向促使數(shù)據(jù)點產(chǎn)生位移。

2.7.3 點云數(shù)據(jù)配準

點云作為坐標系的點數(shù)據(jù)集，包括豐富信息，其中包含三維坐標系、分類值、時間、強度和顏色等信息。點云配準的目的，就是確保多個點云都能在同一坐標系下，使得點云更加完整。點云數(shù)據(jù)配準過程，可以利用ICP 算法，通過搜尋迭代對應點和最小化點，估計整體距離和變換矩陣。具體原理見圖2。設點云q為目標點云，p 為源點云，qi是距離目標點云最近的點，pi是源點云中的一個點，將其組成一個坐標。計算從目標點云到源點云的PT 變換矩陣，若變換參數(shù)正確，則證明源點云中的各點在變換后都能與目標點云重合。在此過程中，定義誤差函數(shù)為：

圖2 ICP 算法原理

通過此誤差方程，得到與之對應的空間參數(shù)，對點云數(shù)據(jù)進行空間轉(zhuǎn)換。

2.7.4 識別電力線路點云

在結(jié)合輸電線走廊實際物體分類激光點云，建立激光點云塔模型的過程中，應當強化識別電力線路點云和塔桿點云。

首先，粗分類被處理后的激光點云，利用空間三維柵格化處理輸電線路點云，通過經(jīng)驗高程閾值，合理劃分非線路點云，獲取相應的電線點云數(shù)據(jù)，將其中高低植被點云、地面點云等進行過濾。在此基礎上，詳細分類輸電線路點云數(shù)據(jù)，進而是被出交跨線點云、導線點云和塔桿點云。具體實踐過程中，先創(chuàng)建三維柵格空間，按照步長劃分輸電線點云數(shù)據(jù)并對三維柵格劃分和做好編號。分割三維柵格的高程方向。利用相對較小的尺寸對其進行劃分，以避免尺寸過大的無法敏銳識別非連續(xù)性特征。若垂直方向上兩個相鄰點云數(shù)量為0，那么可將其合并劃分。以此為基礎，獲得三維柵格的高程閾值。設定高程間隔閾值，其也作為地面與導線的垂直間距，將計算中所得到的的高程對比高程閾值，若高程小于高程閾值，則證明該高程間隔最小高程值為Z0，需遍歷三維柵格中的全部高程點Z；如高程大于高程閾值，則證明該點為導線點。將粗分類中得到的線路點云，在XY 面上做平面投影，簇狀分布的為桿塔點云，線性分布的則為導線點云和交跨線點云。

2.7.5 特征對比

由于在XY 平面投影的導線點云和交跨線點云，都會呈現(xiàn)出直線模型，所以做好特征對比至關重要。導線在輸電走廊中完全通過，交跨線則斜穿輸電走廊，所以往往交跨線的長度比導線長度更短。所以，可通過對比點云數(shù)量、長度等信息，區(qū)分交跨線和導線，最終確定交跨線點云。此外，還可利用激光點云桿塔模型，精準體現(xiàn)航跡規(guī)劃，確認每個需要拍照的點，對其進行有效連接，進而得到一條高精度航線。這樣一來，不僅能夠使得桿塔本體自動精細化批量提取，還能夠?qū)徊婢€路精細批量提取。圖3、圖4 所示分別為該巡檢方式下桿塔批量巡檢和線路批量巡檢，在此基礎上，還可分析拍照中危險點，設置安全距離，確保無人機避開桿塔，使其安全飛行，保證全過程安全性[4]。

圖3 桿塔批量提取

圖4 線路批量提取

3 結(jié)論

綜上所述，利用三維激光點云電力線巡檢技術，能夠有效簡化無人機巡檢過程，提高巡檢過程的管理和監(jiān)控質(zhì)量，保障線路運行可靠安全。該技術的應用，突破了傳統(tǒng)人工巡檢和無人機巡檢局限，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化操作，降低了工作難度，減輕了工作壓力，同時有效保障工作安全，實現(xiàn)了高精度、高效率巡檢過程，促進了電力設備的智能化巡檢實現(xiàn)，推動了電力行業(yè)的智能化發(fā)展。