激光点云在输电线路优化选线中的应用研究

激光点云在输电线路优化选线中的应用研究

徐金辉

浙江聚能智慧电力科技有限公司，浙江省宁波市315000

摘要：现如今，随着我国经济的加快发展，输电线路安全检测与分析是电力系统的智能化、数字化建设不可或缺的重要组成部分。当前输电线路超高压、大容量建设趋势，增加了输电线路检测与维护的难度。因此为提高人工巡检效率，突破复杂地形对巡线的局限性，提高空间定位精度，设计了一种基于激光点云数据的输电线路安全检测分析系统。系统功能主要包括电力走廊点云自动分类提取与安全检测分析，能够对电力线、杆塔等输电设备数据以及建筑物、河流等其他走廊地物数据进行自动分类提取；通过检测电力线与其他走廊地物之间的距离判别危险点类型，生成安全分析报告；为验证系统有效性，将系统分析数据与人工现场测量数据进行对比分析，结果表明，该系统能够精准地判别输电线路危险点，具有较高的实际应用价值。

关键词：激光点云；输电线路；优化选线；应用

引言

相比于传统航空摄影测量数据，激光点云数据具有高程精度高、三维表达直观、数据获取不受光照影响等优势，随着LiDAR技术在电力行业的发展以及“六精四化”建设新模式下对输电线路工程建设质量的新要求，将高精度激光点云更好地应用于输电线路工程对提升工程建设质量具有重要意义。从输电线路工程设计出发，研究激光点云在优化选线方面的应用，总结激光点云的应用模式，进一步挖掘激光点云在输电线路工程选线中的应用价值，为提升工程建设质量提供技术支持。

1激光点云数据处理流程及技术

1）前期准备：包括实地踏勘和航线设计等内容。实地踏勘的目的是全面了解测区情况，例如边界、地貌、交通等信息；航线设计应遵循高效、经济的原则，在踏勘结果的基础上，根据需求、行业规范、地区规定及实地天气等因素，制定航飞的路线、计划及人员安排。2）数据采集：包括控制测量、点云采集、数据补测等步骤。首先利用GNSS基站及卫星定位系统，通过控制测量建立点云数据的坐标基准，采用搭载LiDAR设备的无人机航飞采集测区的点云数据，完成点云数据的基本检查后，对漏飞区域、点云密度不符要求区域以及点云异常区域进行补测，以完善采集成果。3）点云去噪：在利用LiDAR技术获取点云数据成果的过程中，测区内的地物的外形、材质、运动状态以及可能出现的空中漂浮物都会造成点云数据内存在噪声点。此外，在搭载LiDAR系统的无人机飞行过程中的减速、转弯、地面起伏等运动状况，以及天气环境的突然变化，也会造成部分噪声。为了提高数据的准确性，要将这些噪声点过滤消除。4）数字地表模型（digitalsurfacemodel，DSM）生成：点云数据中，落于地表的点称作地面点，落于地物上，能反映地物形态的点，称作非地面点，如建筑物、植被、管线、杆塔、电力线等。在自动分类前，要对测区范围内的状况进行整体评定，如测区内地形、地貌条件等，选取代表性的数据作为样区，反复调试完，将准确性高的参数应用于整个点云成果。采用自动分类方式所获得的成果，其精度很大程度取决于样区和全部点云成果的相似程度，一次性实现自动分类往往会很困难，一般存在着较大的误差，需要通过手动分类精细化数据成果。通过手动的方式，对自动分类结果较差的地区进行调试处理，以满足精细化分类的要求。将分类后不同地物类型的点云数据分别进行投影，得到对应的DSM。

2激光点云在输电线路选线中的应用措施

2.1激光点云数据的获取

激光雷达技术由于工作效率高、测量精准度高、操作灵活、作业范围广以及自动化水平高等优点，已经成为重要的观测技术之一，此次利用激光雷达观测技术对输电线路的云数据进行采集。利用激光雷达技术和无人机技术采集输电线路点云数据，以时间同步技术作为技术支撑，可以同步获取输电线路三维激光点云和定位姿势数据，能够高集成度、高效率、高质量地获取数据。

2.2基于点云数据的森林单木分割提取技术

基于点云数据的林木分割技术可分为林木判别、单木分割、森林参数反演和３Ｄ林木模型建立。林木点云识别的目的就是从原始点云中分离出林木或其他植被的数据，检测出属于植被的点。单株木点云分割是在已知林木点云中应用模式识别方法对单株木进行分割、分类，要求能较准确地描述原始林木的几何形状、位置、种类等信息。森林参数估算指的是在林木点云识别的基础上就单株木和林分两个层面进行森林参数的反演。林木建模是指利用单株木的点云建立单株木模型，林木模型建立的关键是提取或生成合理的骨架，并对单株木或森林场景植染。植被一般具有不规则的形状，大都垂直突出在裸露的地面上，并占据一定的连续区域。植被（特别是高大林木）点云形成的表面粗糙程度比建筑物或裸露地面要高，因此可利用点云的曲面变化和曲率来区分植被和其他主要地物。除了考虑点云表面的粗糙程度外，还应考虑局部点云密度这一特性。由于激光束可穿透部分树冠直接打到树枝或地面上，因此可利用点云数据的第一回波和最后一次回波之间的高程差来判定是否是植被。但是第一回波点云包含了植被、建筑物屋顶、部分墙体，而最后一次回波包含了地面点和部分植被，因此多重回波高程差值可用于确定植被候选点。由此可知，对于林木的点云数据分割技术，需采用树顶探测和冠层分割结合的方法。

2.3电力线提取与重建

实现电力线的自动提取是电力线三维重建的前提，电力线分为单根导线和分裂导线。根据输电线路电力线的空间特征，各电力线近似于一组平行线，且导线间距一般为１０～２０ｍ，各分裂子导线间距一般为０．２～０．５ｍ。根据电力线在空间分布上的特点，文中采用双重Ｋ－ｍｅａｎｓ算法实现电力线的自动提取，算法工作原理如下：１）对电力线候选点集采用抛物线模型与直线模型组合进行拟合，计算出每个点的拟合残差值ｖ。２）将分裂导线当作一根导线，采用Ｋ－ｍｅａｎｓ算法对拟合残差进行聚类，输入聚类数目Ｋ、种子点间距Ｄ等参数。３）随机选择Ｋ个种子点，不断迭代直至种子点集合不再变化，实现单根导线之间的相互分离，得到每根导线的点云。４）对单根分裂导线进行拟合，计算出每个点的　　　　拟合残差ｖ′，同样采用Ｋ－ｍｅａｎｓ算法对拟合残差进行聚类，实现分裂子导线之间的相互分裂，得到每根子导线的点云。电力线三维重建是指将提取得到的单根电力线点云进行精确矢量化。考虑到电力线点云中还存在着一定噪声点，最小二乘拟合无法消除这些噪声点的影响，拟合误差较大，文中采用ＲＡＮＳＡＣ算法实现电力线三维重建。ＲＡＮＳＡＣ算法随机选取数据得到模型拟合参数，通过反复迭代得到最优的模型参数，可以消除噪声点的干扰，ＲＡＮＳＡＣ算法。

2.4自动提取交叉跨越点高程

交叉跨越是影响输电线路路径走向的重要因素之一，跨越点高度对钻跨塔的类型和高度有决定性作用，在工程设计阶段准确获取交叉跨越点高程是十分重要的。通过LiDAR获取高精度的输电线路点云数据，能够准确反映输电通道地物真实情况，但通常获取的输电线为离散点云，在计算交叉跨越点高程时需先将离散点云根据K-means迭代聚类算法进行拟合，获取输电线路弧垂矢量，获取拟合的电力线矢量后，便可通过与设计线路的弧垂矢量相交计算交叉跨越点平面坐标，基于平面坐标分别计算已有线路弧垂矢量跨越点高程和设计线路跨越点高程，从而计算交叉跨越点高差，为输电线路路径优化提供依据。

2.5机载激光点云数据处理

由于机载激光雷达采集到的输电线路空间三维点云数据具有不连续性、非线性、不规则性特点，使输电线路自动分类具有一定的复杂性，并且采集到的数据存有大量的冗余数据，所以需要对采集到的数据进行处理，以实现输电线路精准分类。首先，根据电力线的横担宽和点云数据的属性值，对原始点云数据进行抽稀，这样既保证了数据的精准和质量，同时还减少了原始点云数据量，提高数据处理效率[4]。抽稀处理方法是一种基于树状结构的最近邻近点查找点云抽稀方法，该方法可以将高密度、高冗余度的点云数据按照一定的间隔距离进行采样，经过抽稀处理后的数据脚点之间能够保持相同间隔距离均匀分布。然后，需要建立一个点云数据树，根据输电线路分类要求，确定抽稀最小距离，计算出最优树层，提高紧邻点云数据的查找效率。最后，在找到给定距离的点云数据脚点后，剔除周围其余的脚点，以此实现对机载激光点云数据的处理。

2.6杆塔设计

设计人员还要从绿色建造角度出发，加强杆塔设计的环保性。杆塔设置的位置如果无法避开林区，则要尽量减少线路走廊的宽度，在跨林区时，要选择高塔跨越的方式，避免对林木的大量砍伐，从而保护生态环境。需要避免塔基的大开挖，以免改变山地原有地形，可以全面利用高低推塔和主柱加高基础，减少降基，最大限度地减少水土流失问题。在降基后，还要加强对边坡的保护，做好护面，避免塔位受到冲刷。各个塔位和单独的塔腿要保持龟背型或者斜面型，确保自然排水的恢复。对于人员比较密集区域，杆塔应选择具有紧凑特点的铁塔，从而减少对土地的使用。在对铁塔基础进行优化设计时，要考虑施工区域的地形，加强对原状土的使用，从而节约建设成本，并减少对施工区域的环境影响。

2.7架线工程施工组织安全管理

对于送电线路施工组织与安全施工管理工作来说，其中的架线工程施工组织安全管理工作尤为重要。（1）越线架的搭设环节中，施工人员在搭建完成之后需要由现场的监督管理人员进行质量检测，确保其牢固稳定，在越线架搭设过程中，立柱埋深需要高于0.5m，简易架的埋深度应根据实际搭设情况进行调整，更要设置好撑杆以及拉线。越线架的形式要参考被跨越物的体积大小而决定，宽度要超出两边线各1.5m左右，越线的中心点需要在线路的中心线上方，架顶两侧必须安装外伸钢角，而现场施工人员在越线架搭设过程中，应提前与相关单位取得沟通联系。此外，越线架立杆材质大小、间距等，要按照相关施工规定进行现场的监督管理，管理人员要重点监控施工顺序，在越线架搭设完成之后，对各项线路进行安装设计，当所有工序完成之后，需要拆除越线架时，则必须安排一到两名监护人员，确保其拆除的安全性。（2）在放线过程中，现场施工人员与管理人员需要提前对放线滑车进行外观检测，并为滑车配备相应的保险装置。在实际的放线过程中，前后的通信信号需要畅通无阻，避免在无通信信号或视野盲区的情况下进行放线工艺。（3）在紧线及附件安装过程中，现场的施工人员与管理人员要对接好各项技术交底工作，选择相应的工具器械，做好现场安装布置。在紧线安装之前，应由专业的检测人员对线路进行检查，确保通信无阻碍的情况下，对周边障碍物以及跳槽进行清理，而在紧线作业安装过程中，紧线段内的跨越位置、压接管过滑车位置以及各杆塔附近必须安排专业的管理看护人员，一旦信号出现中断，就需要立即停止紧线安装。

结语

本文设计了一种基于激光点云数据的输电线路安全检测分析系统，系统能够对输电线路的点云数据进行自动提取与建模，并能够对输电线路危险点、杆塔倾斜程度进行分析计算，得出危险点信息。通过对系统有效性进行实验分析表明，系统安全检测分析结果与实际测量结果之间误差较小，满足实际工程需求，验证了系统实用性、有效性。

参考文献

［１］王宁，孙敦权．输电线路工程实景三维建模研究与应用［Ｊ］．电力勘测设计，２０２０（１０）：８１－８５．

［２］邓超怡．机载激光雷达点云电力线三维重建方法分析与探究［Ｊ］．电力系统装备，２０１９（１７）：２４６－２４７．

［３］彭福先，张玮，祝晓军，等．基于激光点云精确定位的输电线路无人机自主巡检系统研究［Ｊ］．智慧电力，２０１９，４７（７）：１１７－１２２．