一種基于分層隨機(jī)抽樣的單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向電力線三維重建的架空輸電線路單檔電力線直升機(jī)激光雷 達(dá)（LiDAR)點(diǎn)云的聚類方法，具體地說是一種基于分層隨機(jī)抽樣的單檔電力線LiDAR點(diǎn)云 聚類方法，屬于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息提取技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 架空輸電線路是一個(gè)國家主干電網(wǎng)的重要組成部分，是一項(xiàng)重要的國家基礎(chǔ)設(shè) 施。近年來，伴隨著我國電力發(fā)展步伐不斷加快，電網(wǎng)也得到迅速發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓 等級(jí)不斷提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，基本形成了完整的長(zhǎng)距離輸電電網(wǎng)網(wǎng)架。截止到2010 年底，我國電網(wǎng)規(guī)模躍居世界第一，其中，220千伏及以上輸電線路總長(zhǎng)度達(dá)到43萬公里。 然而，輸電線路故障卻會(huì)給人們的日常生產(chǎn)生活和國家經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失，國內(nèi)外皆如此。 譬如，2003年8月14日發(fā)生的舉世震驚的美國和加拿大大停電，美國8個(gè)州5千萬人、加拿 大2個(gè)州受到影響；事故調(diào)查報(bào)告認(rèn)為，誘發(fā)這次大停電的首要原因是輸電線路的樹閃故 障。因此，為了防止和杜絕電網(wǎng)安全事故的發(fā)生，電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)部門每年都需要投入大量人 力、物力對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢。電網(wǎng)的巡檢和維護(hù)工作對(duì)于電網(wǎng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。電 力巡線是保障電力資源持續(xù)、穩(wěn)定供給，保護(hù)電力設(shè)備等安全的重要技術(shù)；相關(guān)部門可以通 過電力巡線提前發(fā)現(xiàn)待提取的隱患、及時(shí)消除隱患以防患于未然。
[0003] 傳統(tǒng)的人工巡檢方式是依靠地面交通工具或徒步行走、利用普通儀器或肉眼來巡 查設(shè)施、處理設(shè)備缺陷。然而，很多長(zhǎng)距離輸電線路分布在地形陡峭、自然環(huán)境惡劣的崇山 峻嶺、廣袤森林之間，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的人工巡線勞動(dòng)力強(qiáng)度大、工作條件艱苦、效率低、復(fù)巡周 期長(zhǎng)、巡檢數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率不高。因此，國內(nèi)外開始大規(guī)模應(yīng)用直升機(jī)巡檢技術(shù)。直升機(jī)電力巡 線中，利用直升機(jī)作為運(yùn)載工具，裝載檢測(cè)人員、設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在于輸電線路上其 他儀器難以發(fā)現(xiàn)的熱致故障隱患和外部缺陷。從20世紀(jì)50年代起，美國、加拿大以及西歐 很多國家開始采用直升機(jī)巡線；隨后，俄國、日本、瑞典等國家也開始直升機(jī)巡線作業(yè)；我 國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行直升機(jī)巡線和帶電作業(yè)等方面的研宄。
[0004] 從國際電力巡線的發(fā)展來看，輸電線路采用直升飛機(jī)巡線等電力作業(yè)工作日益 成為電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的迫切需求。已有的直升機(jī)巡線中，多采用紅外攝影儀、數(shù)碼攝像 機(jī)、高分辨率望遠(yuǎn)鏡、可見光錄像機(jī)等設(shè)備作為觀測(cè)工具。但無論是多光譜還是熱紅外技 術(shù)，空間定位的量測(cè)精度均不高，很難精確判斷線路走廊地物到線路的距離；而且獲得的 多源數(shù)據(jù)大多分開處理、沒有形成整體性，處理起來也比較繁瑣，降低了巡線的效率和可靠 性。近年來，由于機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR)測(cè)量技術(shù)能同時(shí)獲取輸電線路走廊影像及三維 空間坐標(biāo)信息，且具有測(cè)量精度高、全三維、自動(dòng)化程度高、效率高、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)；機(jī)載 LiDAR電力巡線可以克服傳統(tǒng)的工程測(cè)量電力巡線工作量大、危險(xiǎn)性高、效率低下及直升機(jī) 電力巡線空間定位精度低的缺點(diǎn)。
[0005] 直升機(jī)LiDAR電力巡線的一項(xiàng)重要任務(wù)是進(jìn)行電力線的三維重建。電力線三維重 建是危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)、導(dǎo)線相間高差量測(cè)、導(dǎo)線間距離量測(cè)、導(dǎo)線對(duì)地距離量測(cè)、三維可視化、導(dǎo) 線弧垂分析、導(dǎo)線覆冰分析、導(dǎo)線風(fēng)偏分析等重要應(yīng)用的基礎(chǔ)，成為研宄的重點(diǎn)。目前，基于 架空輸電線路直升機(jī)LiDAR點(diǎn)云的電力線三維重建相關(guān)研宄涉及3個(gè)重要的方面：①單檔 電力線LiDAR點(diǎn)云確定；②單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類（即，確定單檔電力線總根/條數(shù)和 確定單根電力線LiDAR點(diǎn)）；③單檔單根電力線模型選擇。其中，單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚 類是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，也是研宄的重點(diǎn)。目前，單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類的方法大 致分為四種。第一種，采用了Hough變換，每條直線對(duì)應(yīng)一條電力線。第二種，采用了高程 直方圖分析以區(qū)分不同高度的電力線點(diǎn)。第三種，采用了類似區(qū)域生長(zhǎng)的電力線模型生長(zhǎng)、 合并方法。第四種，采用了3D連通成分分析，每個(gè)連通成分對(duì)應(yīng)一條電力線。但是，已有的 單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類方法存在下述問題：
[0006] -、Hough變換無法檢測(cè)出垂直排列、混合排列、交錯(cuò)排列的多根電力線；另外，對(duì) 于垂直結(jié)構(gòu)的多根電力線，嚴(yán)重的弧垂現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致無法通過高程值特征進(jìn)行不同根電力線 點(diǎn)的分離。而現(xiàn)實(shí)世界中的高壓線路一檔內(nèi)的電力線可存在三角、水平、垂直、混合排列、交 錯(cuò)排列等多種構(gòu)型的排列方式，已有的方法無法滿足多種構(gòu)型的電力線LiDAR點(diǎn)云聚類。
[0007] 二、模型生長(zhǎng)、合并方法無法滿足分裂導(dǎo)線LiDAR點(diǎn)的識(shí)別；而3D連通成分分析方 法無法滿足分裂導(dǎo)線的任一分裂的重建。和電力線巡檢密切相關(guān)的電力線類型可以分為導(dǎo) 線和避雷線，前者又可細(xì)分為單導(dǎo)線、分裂導(dǎo)線（又稱導(dǎo)線束，可進(jìn)一步細(xì)分為二、四、六、 八分裂等）。在LiDAR點(diǎn)云中，單導(dǎo)線、避雷線、分裂導(dǎo)線任一分裂（束）的形態(tài)特征極其相 似；而整體上，分裂導(dǎo)線與單導(dǎo)線、避雷線的形態(tài)特征不同。而模型生長(zhǎng)、合并方法無法適用 于分裂導(dǎo)線。另外，對(duì)于分裂導(dǎo)線，由于間隔棒會(huì)連接各個(gè)分裂，且LiDAR點(diǎn)云中無法詳細(xì) 的區(qū)分間隔棒點(diǎn)、電力線點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致3D連通成分分析方法將各個(gè)分裂聚為一類，無法識(shí) 別各個(gè)分裂導(dǎo)線。
[0008] 三、模型生長(zhǎng)、合并方法和3D連通成分分析方法易受到LiDAR點(diǎn)云的不規(guī)則斷裂、 粗差的負(fù)面影響。
[0009] 上述三個(gè)問題導(dǎo)致已有的單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類方法的聚類精度低、自動(dòng)化 程度低、聚類效率低、需要大量人工干預(yù)、魯棒性差和普適性差等問題，無法滿足智能電網(wǎng) 對(duì)快速、高精度電力巡線的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)現(xiàn)有架空輸電線路單檔電力線直升機(jī)LiDAR點(diǎn)云聚類技術(shù)的不足，本發(fā)明提 出一種基于分層隨機(jī)抽樣的單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類方法，具有對(duì)電力線的根數(shù)、電力 線類型、電力線空間構(gòu)型、粗差點(diǎn)、點(diǎn)云不規(guī)則斷裂、檔距長(zhǎng)短等因素不敏感的優(yōu)勢(shì)。
[0011] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：一種基于分層隨機(jī)抽樣的單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類方法，其特征是，所述單檔電力線LiDAR點(diǎn)云的數(shù)據(jù)已經(jīng)被正確識(shí)別，所述 方法包括以下步驟：
[0012] 步驟一，加載單檔電力線LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟二，確定電力線三維重建模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式；
[0014] 步驟三，對(duì)單檔電力線LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分段組織 和管理；
[0015] 步驟四，采用分層隨機(jī)抽樣策略，并在電力線三維重建模型約束下進(jìn)行單檔電力 線LiDAR點(diǎn)云的聚類。
[0016] 優(yōu)選地，在步驟二中，將單檔單根電力線三維重建模型分解為兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部 分，第一部分是直線段，該直線段由電力線LiDAR點(diǎn)云在XOY平面的投影點(diǎn)經(jīng)過最小二乘擬 合生成；第二部分是懸鏈線段，該懸鏈線段位于過直線段的垂面、且由電力線LiDAR點(diǎn)云的 信息生成。
[0017] 優(yōu)選地，所述的直線段與懸鏈線段不僅共面，而且直線段的兩個(gè)端點(diǎn)與懸鏈線段 的兩個(gè)端點(diǎn)具有垂直投影關(guān)系。
[0018] 優(yōu)選地，在步驟三中，計(jì)算該檔電力線LiDAR點(diǎn)的總數(shù)目，將全部LiDAR點(diǎn)的聚類 狀態(tài)設(shè)置為"未聚類"，利用LiDAR點(diǎn)的信