徐 鄭，王維坤，童賢德，丁思明，魏茂榮

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥）

引言

輸電線路走廊中的電力線桿塔受到干擾因素（如地基下沉、基礎(chǔ)補(bǔ)平、惡劣氣候、結(jié)構(gòu)老化、外力破壞等）的影響可能出現(xiàn)變形問(wèn)題，一旦電力線桿塔變形，不僅會(huì)影響電力線桿塔的輸電穩(wěn)定性，且會(huì)給整個(gè)輸電線路埋下安全隱患。在此情況下，必須做好電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)工作，在新時(shí)代背景下，可引入三維激光點(diǎn)云而提高變形監(jiān)測(cè)精度。

1 電力線桿塔所處輸電線路走廊分析

為提高電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)精度，提高三維激光點(diǎn)云運(yùn)用效果，在正式運(yùn)用之前需對(duì)電力線桿塔所處的輸電線路走廊環(huán)境進(jìn)行分析。輸電線路走廊環(huán)境復(fù)雜，高大喬木等因素可對(duì)目標(biāo)電力線桿塔產(chǎn)生遮蓋，不利于桿塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，且在三維激光點(diǎn)云特征圖中，高大喬木為高值響應(yīng)，同樣可表現(xiàn)在三維激光點(diǎn)云特征圖內(nèi)，因此，為高精度獲取電力線桿塔的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需區(qū)分喬木與桿塔，以桿塔、線路之間存在的相對(duì)關(guān)系為依據(jù)進(jìn)行輸電線路提取，隨后確定桿塔大致位置，進(jìn)一步聯(lián)合分析高差距離點(diǎn)云特征與坡度點(diǎn)云特征，以此方可完成輸電線路走廊區(qū)域的劃定[1]。

在確認(rèn)分析電力線桿塔所處的輸電線路環(huán)境時(shí)，需對(duì)距離特征點(diǎn)云圖像及坡度特征點(diǎn)云圖像的二值化閾值進(jìn)行確定。在現(xiàn)行架空線路設(shè)計(jì)規(guī)范中明確指出了各個(gè)電壓等級(jí)的輸電線路參數(shù)指標(biāo)，其中對(duì)地最小距離如表1 所示，從中提取各電壓等級(jí)的對(duì)地距離最小值，將其作為對(duì)地安全距離，將其整理，如表2 所示。在已知電力線路電壓等級(jí)后，將電力線桿塔電壓等級(jí)最大距離視為距離特征點(diǎn)云圖像二值化閾值（將其記為T距），同時(shí)借助式（1）計(jì)算得出坡度特征點(diǎn)云的二值化閾值。

表1 架空線路設(shè)計(jì)規(guī)范中的對(duì)地最小距離

表2 對(duì)地安全距離

式中：T坡為坡度特征點(diǎn)云的二值化閾值；arctan 為正反切函數(shù)；dmin為對(duì)地距離最小值；g 為萬(wàn)有引力常數(shù)。

完成T距、T坡參數(shù)的確認(rèn)后則結(jié)合三維點(diǎn)云圖像進(jìn)行二值化處理及形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算，以此進(jìn)行膨脹運(yùn)算與腐蝕運(yùn)算，得出線路空洞區(qū)域，隨后結(jié)合形態(tài)學(xué)閉操作結(jié)果確認(rèn)電力線桿塔輸電線路三維激光點(diǎn)云圖像區(qū)域。

2 電力線桿塔三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

電力線桿塔所處環(huán)境復(fù)雜，其變形緩慢，通常需周期性監(jiān)測(cè)。在三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，可借助全站儀、無(wú)人機(jī)等裝置進(jìn)行三維激光點(diǎn)云采集，此時(shí)需根據(jù)整個(gè)輸電線路區(qū)域特征而選擇適宜的數(shù)據(jù)采集方式，并合理確定三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集參數(shù)[2]。

承載于全站儀或無(wú)人機(jī)等裝置上的激光掃描儀可采集記錄電力線桿塔點(diǎn)位數(shù)據(jù)，根據(jù)距離值、垂直角、水平角而得出三維坐標(biāo)值，公式如式（2）所示：

式中：X、Y、Z 代表三維坐標(biāo)；d 為距離值；φ、θ 分別為垂直角、水平角。

2.2 點(diǎn)云預(yù)處理

激光掃描儀裝置所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)易受到噪聲影響而產(chǎn)生噪聲點(diǎn)與孤點(diǎn)，可對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，繼而降低電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)精度，因此，基于三維激光點(diǎn)云而展開電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)提前做好三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，均一化處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并濾波降噪。

通常情況下，三維激光點(diǎn)云蘊(yùn)含著特定統(tǒng)計(jì)規(guī)律，點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像中心點(diǎn)與鄰域點(diǎn)之間的距離符合高斯分布特性，故在電云預(yù)處理過(guò)程中，依托于高斯分布特性而定位無(wú)效點(diǎn)，剔除噪聲點(diǎn)與孤點(diǎn)，完成去噪過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，借助體素格網(wǎng)濾波器均一化處理完成降噪的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為保障均一化處理效果，需結(jié)合激光掃描儀的載體裝置采集數(shù)據(jù)而選擇適宜規(guī)格的體素格網(wǎng)濾波器[3]。完成降噪與均一化處理后，所得的電力線桿塔狀態(tài)較為清晰，具體可見圖1、圖2。

圖1 降噪與均一化處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像（頂視圖）

圖2 降噪與均一化處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像（透視圖）

2.3 特征圖分析

依托于三維激光點(diǎn)云而進(jìn)行電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)時(shí)，需明確電力線桿塔特征參數(shù)，如高差、坡度等，基于特征而確定電力線桿塔三維坐標(biāo)，以便精準(zhǔn)得出電力線桿塔的變形情況。三維激光點(diǎn)云特征圖計(jì)算期間，選取數(shù)字坡度特征、高差特征作為特征值，借助混合運(yùn)算的方式進(jìn)行坡度特征、高差特征的計(jì)算，得出電力線桿塔的狀態(tài)數(shù)據(jù)[4]。

在坡度特征計(jì)算時(shí)需得出坡度數(shù)據(jù)，在電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，坡度數(shù)據(jù)能夠呈現(xiàn)出電力線桿塔的高程變化情況，根據(jù)該參數(shù)可判斷電力線桿塔是否存在傾斜變形問(wèn)題，并可進(jìn)一步結(jié)合精準(zhǔn)的坡度數(shù)據(jù)而得出電力線桿塔傾斜變形程度。在高差特征計(jì)算時(shí)，所得出的高差數(shù)據(jù)能夠表現(xiàn)電力線桿塔、高大喬木的高程分布狀況，且整體性了解輸電線路區(qū)域內(nèi)的變形狀況。完成特征圖分析后，則根據(jù)特征數(shù)據(jù)情況細(xì)化調(diào)整三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所得坡度特征點(diǎn)云圖像與高差特征點(diǎn)云圖像可見圖3。

3 電力線桿塔三維激光點(diǎn)云變形監(jiān)測(cè)計(jì)算

3.1 變形桿塔定位

隨著現(xiàn)代化城市基礎(chǔ)設(shè)施體系的完善，電力線桿塔在城鄉(xiāng)區(qū)域基本實(shí)現(xiàn)了全面覆蓋，以滿足各地用電需求，保障電力供應(yīng)，這就意味著電力線桿塔所處的輸電線路走廊環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，電力線桿塔受到不良干擾因素易出現(xiàn)變形問(wèn)題，其中最為典型且最為常見的則為傾斜變形[5]?；谌S激光點(diǎn)云進(jìn)行電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，主要依靠激光掃描儀所采集到的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像而分析是否存在變形監(jiān)測(cè)。結(jié)合上述分析可知，通過(guò)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像可提取關(guān)鍵特征，以關(guān)鍵特征為依據(jù)展開細(xì)致分析，在電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，考慮到最為典型且最為常見的則為傾斜變形，故選取坡度特征及高差特征進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。而在此期間，坡度特征主要用于判斷變形電力線桿塔的坡度情況（即傾斜變形程度），為精準(zhǔn)定位輸電線路走廊中的變形電力線桿塔，則可根據(jù)高差特征而整體了解電力線桿塔之間的高差情況，若發(fā)現(xiàn)某一電力線桿塔高差與其他電力線桿塔存在高差差距，則可判定該電力線桿塔可能存在變形問(wèn)題，此時(shí)可通過(guò)局部高密度點(diǎn)位的迭代運(yùn)算而進(jìn)一步定位變形電力線桿塔，并運(yùn)用坡度特征計(jì)算方式而明確該電力線桿塔的變形程度，在完成電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)的同時(shí)，明確變形程度以及變形電力線桿塔的定位，為后續(xù)變形處理作業(yè)的開展奠定基礎(chǔ)。

3.2 變形監(jiān)測(cè)計(jì)算

結(jié)合上述特征圖分析可知，基于三維激光點(diǎn)云監(jiān)測(cè)電力線桿塔變形情況時(shí)，主要借助三維激光點(diǎn)云坡度特征而得出電力線桿塔的傾斜變形情況，根據(jù)高差特征而整體性了解輸電線路走廊區(qū)域的電力線桿塔傾斜變形狀況。為精度完成電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)，需以三維激光點(diǎn)云真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

以坡度特征為依據(jù)的電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)計(jì)算公式如下所示：

以高差特征為依據(jù)電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)計(jì)算公式如下所示：

式中：R 為高差特征；HDSM為顯示所有表面物體（如桿塔、高大喬木）的高程模型；HDEM為輸電線路走廊區(qū)域范圍內(nèi)的高程數(shù)據(jù)集[6]。由此可見，在電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，可結(jié)合三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像而提取電力線桿塔坡度特征及高差特征，并借助特定計(jì)算公式而獲得電力線桿塔真實(shí)的坡度情況及高差情況。在坡度特征數(shù)據(jù)支撐下，可幫助相關(guān)人員分析判斷電力線桿塔是否存在傾斜變形問(wèn)題，并得出傾斜變形程度，同時(shí)可基于高差特征數(shù)據(jù)而整體性了解輸電線路走廊區(qū)域內(nèi)的電力線桿塔高差情況，可根據(jù)電力線桿塔之間的高差數(shù)據(jù)而定位存在傾斜變形問(wèn)題的電力線桿塔，切實(shí)發(fā)揮出三維激光電云在電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)中的作用，降低變形監(jiān)測(cè)工作量及人為監(jiān)測(cè)誤差，以此則可高精度、高質(zhì)量完成電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)工作。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，三維激光點(diǎn)云在電力線桿塔變形監(jiān)測(cè)中具有良好應(yīng)用效果，為保障變形監(jiān)測(cè)質(zhì)量，切實(shí)發(fā)揮出三維激光點(diǎn)云的積極作用，需做好輸電線線路走廊場(chǎng)景分析，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行預(yù)處理，提取特征圖并進(jìn)行計(jì)算，隨后以三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行電力線桿塔迭代定位，進(jìn)一步進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)計(jì)算即可。