机载激光点云输电线路巡检关键技术研究

麻卫峰

1. 云南师范大学地理学部,云南 昆明 650500; 2. 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650051; 3. 云南省高校资源与环境遥感重点实验室,云南 昆明 650500

输电线路作为电网系统的重要组成部分,承载着国民生产和生活所需电力能源的运输命脉,对其运行状态安全巡检及风险监测一直是电网运营管理部门关注的重点。机载激光雷达(light detection and ranging)能够快速获取高精度、高密度的输电线路三维空间信息——点云数据,弥补了传统人工地面巡检效率低下、精度不高的缺陷,已成为输电线路智能化巡检研究的新型技术手段。尽管国内外学者开展了大量的激光雷达电力巡检工程试验和理论研究并取得了显著的进展,但相关研究仍存在算法普适性不够高、信息挖掘和应用不够全面等问题。因此,论文聚焦激光点云输电线精细提取、激光点云输电线模型重建、输电线工况模拟和状态监测等关键技术开展研究。主要研究内容和结论如下。

(1) 借鉴地图投影思想,将输电线三维激光点云投影至二维模型残差空间,通过引入或改进经典聚类算法将激光点云输电线提取过程转化为模型残差聚类,提出了两种激光点云输电线精提取方法,包括残差密度聚类法和残差改进K均值聚类法,解决了点云缺失、大量噪声等复杂背景环境的激光点云输电线提取难题。试验结果表明:①两种方法均有效克服对点云连续性和完整性的依赖,单根输电线提取率均在95%以上,同时顾及输电线档距和数目、线路地形及点云密度等因素,对分裂导线的单导线提取仍具有较好的适应性;②残差密度聚类法无须类别数目输入且能识别任意形状类簇目标,输电线提取具有自动化程度高、普适性好的特点,残差改进K均值聚类法通过拐点法自适应聚类数目、距离约束初始样本点选择和阈值判别的噪声点自动识别等改进策略,使得输电线提取具有操作简单、抗噪性强的优势。

(2) 从模型选择和参数求解两个方面入手,改善了激光点云输电线模型重建精度。首先,提出了顾及风偏环境的输电线形态描述的空间模型方程(抛物线-抛物线方程),并讨论了不同模型方程的适应性和有效性;然后,通过优化种子点选择数目和方案、引入最小二乘初始模型求解等策略,提出了一种改进随机采样一致性激光点云输电线模型参数求解方法。试验结果表明:①论文提出的抛物线-抛物线模型方程精确描述了风荷载激励的输电线形态特征,更合适风偏环境下激光点云输电线空间模型重建,已有直线-抛物线和直线-悬链线方程对无风偏环境的激光点云输电线模型重建具有较高的精度,且直线-抛物线方程更佳;②改进随机采样一致性模型参数求解方法既继承原始算法自动识别噪声点的特性,又具备稳定性优势,输电线模型重建中误差为7.06,平均误差6.15 cm,最大误差19.10 cm。

(3) 通过分析高温、大风和覆冰典型气象因素作用于输电线的形变过程及机理,建立了不同工况环境下输电线空间模型动态模拟方法,针对全站仪、GPS等传统定点测绘技术验证样本容量不足、动态输电线捕捉困难等缺陷,设计了一种两期激光点云输电线工况模拟精度评定交叉验证法,该研究内容的创新之处在于实现了基于静态激光点云的动态环境输电线模型重建,弥补了静态激光点云无法及时反馈动态环境输电线运行状态信息的不足。通过人工设置5种不同气象条件的工况组合,试验结果表明:论文提出的静态激光点云输电线工况动态模拟方法可行且结果可靠,激光点云输电线工况模拟平均误差小于0.036 m,中误差小于0.027,最大误差小于0.171 m。

(4) 在温度校正和风速改正等气象数值预报数据预处理基础上,综合输电线提取、输电线模型重建和输电线工况模拟等研究内容,构建了机载激光点云输电线路缺陷监测技术流程,该内容的主要创新点在于拓展了激光点云输电线路巡检模式,实现了机载激光雷达电力巡检模式由静态检测到动态监测的跨越。首先,量化缺陷监测指标参数及等级划分标准;然后,通过水平应力及等值覆冰厚度等输电线运行状态物理参数反演及变化规律分析,建立了断线、倒塔等线路本体要素缺陷检/监测;最后,通过输电线与地物的净空距离提取,建立了闪络、放电等输电线路通道缺陷检/监测。