机载激光点云输电线路巡检关键技术研究EI北大核心CSCD

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。     

一种改进的输电线模型参数求解方法

架空输电线三维空间模型是机载激光雷达电力巡检的基础.针对现有模型参数求解方法噪声点敏感、稳定性差等不足,在分析最小二乘法(LS)和随机一致性算法(RANSAC)性能的基础上,提出了一种改进的输电线模型参数求解方法,即LS-RANSAC.首先随机选择K个样本点以提高初始模型参数解精度;然后利用最小二乘法稳定性拟合初始模型,采用随机一致性方法的循环迭代计算确定最佳模型参数,削弱噪声对参数求解结果的影响;最后讨论关键参数K的选择原则.实验结果表明,该方法模型参数求解精度高,抗噪性强,对不同类型的输电线均具有较好的适用性;兼顾精度和效率K建议取值30～45,研究对架空输电线空间模型精细重建具有技术参考价值.     

一种基于机载LiDAR点云电力线自动提取方法

针对电力巡线需求,提出一种基于机载LiDAR点云数据的电力线自动提取方法。首先采用高程滤波方法去除地面点及低矮地物点,采用顾及邻域尺度的自适应半径主成分分析法确定各点维度特性,利用维度特性从滤波后的点云中粗提取电力线点;然后根据电力线点空间分布特征,引入密度聚类算法实现单根电力线点精确提取;最后采用抛物线模型在三维空间中重构每根电力线。选取两组典型代表性的实测数据进行实验,结果表明:该方法能够从电力线走廊机载激光点云中快速提取出完整的单根电力线点,具有抗噪性强和提取精度高的特点,单根电力线提取误差率在0.06%以下,电力线提取结果能够直接应用于三维模型重建中。     

激光点云输电线精细提取的残差聚类法

针对输电线点云数据中存在缺失、噪声等复杂环境,提出了一种基于模型残差聚类的激光点云电力线精细提取方法。首先根据归一化高程阈值分割去除近地面点,在此基础上,采用自适应维度特征和方向特征粗提取电力线点;然后以抛物线模型为约束条件,采用改进的建模方法,确定模型残差并对其进行密度聚类,根据聚类结果实现单根电力线精细提取;最后讨论了关键参数的选择对提取结果的影响。两景实测数据试验表明:该方法能快速实现点云部分缺失、噪声干扰等复杂环境下的电力线精细提取,无须电力线数目、点云密度等先验知识,对不同类型分裂导线提取均具有很好的适用性。单根电力线提取准确率达99.17%以上,模型误差最大值为0.167 m,中误差最大值为0.079 m。     

一种改进法向量估算的点云特征提取

针对传统主成分分析点云法向量估算存在精度不高、人工干预等问题,提出了一种改进的主成分分析法向量估算方法,并根据点邻域法向量标准差实现了离散点云特征提取,最后对关键参数K取值进行讨论.通过引入高斯核函数为邻域点集权值计算公式,削弱了距离较远点对采样点法向量精度影响;以信息熵最小化为约束条件自适应选择最佳邻域尺度R,较好的顾及了局部点云空间特征的差异性.实验结果表明:该方法能很好的实现点云特征提取,改进后的点云法向量估算顾及点云邻域复杂程度,具有普适性强、自动化程度高的特点,建议关键参数K取值范围12～20.研究对点云配准、数据精简及模型重构等点云预处理研究具有理论参考价值.     

一种基于局部曲率特征的点云精简算法

平均曲率是分析三维表面的重要几何特征之一。根据平均曲率进行海量散乱点云数据的精简,首先通过空间包围盒法建立K邻域,然后对K邻域内的点拟合二次曲面计算平均曲率,最后以邻近区域内点的平均曲率中误差为阈值,结合点的精简概率判定点是否保留。通过与传统方法对比,证实了文中方法在保留特征点和压缩上具有较好的优势。     

星载InSAR技术支持下的昆明地表沉降监测

为了分析在2014—2017年期间昆明城区地面形变情况,本文利用Sentinel-1A数据,基于SBAS-In SAR技术提取了昆明城区升降轨模式下形变信息。首先,将雷达视线向(LOS)上的形变速率转换为垂向方向的沉降速率,再通过对升降轨观测数据相互验证和融合处理避免单一模式下的数据失真,反演出更加真实的城区地表沉降,并与城区历史沉降监测数据进行对比分析。结果表明:近3年期间昆明五华区沉降缓慢,相对稳定;西山区和官渡区内的滇池北岸区域呈现大面积沉降且沉降速率较快的趋势,形成多个沉降漏斗中心,最大沉降垂直速率达-54.2 mm/a。     

基于GM(1,1)模型的EXCEL/VBA二次开发

针对建筑沉降的特点,根据灰色系统理论,运用灰色预测模型GM(1,1),利用VBA(Visual Basic for Application)在EXCEL下编写宏程序,对建筑沉降进行预测分析,可以轻松实现灰色预测,效率提升明显且预测结果直观,其结果令人满意。     

Sentinel-1A数据及短基线集的昆明地面沉降分析

针对近年来昆明的城市建设、地下水抽取以及降雨量的变化对昆明地区的地面沉降造成巨大影响的问题,该文利用32景Sentinel-1ATOPS SAR影像基于短基线集技术获取2014-2017年昆明地表沉降信息,并结合城市建设资料、地质及水文资料以及气象资料对昆明沉降区的成因进行全面的分析。结果表明:昆明地表沉降空间特征明显不均匀,西山区和官渡区多处出现沉降,沉降最严重的是位于昆明新螺蛳湾国际商贸城地区。其沉降原因为地铁施工和大型建筑物和商业区建设造成土层变形引发地面沉降;地下水抽取导致地下水位下降以及第四系土体固结诱发地面沉降;6—11月丰富的降雨量有效地补充昆明地下水,使昆明地面沉降伴随降雨量呈现明显的季节非线性沉降。     

机载激光雷达点云数据输电线路弧垂模拟

弧垂是架空输电线路安全运行监测的重点。针对现有弧垂模拟精度不高等问题,提出了一种基于机载激光雷达点云数据的架空输电线弧垂模拟新方法,实现了静态点云数据到动态环境下导线空间形态模拟。首先利用静态点云数据重建输电线三维空间模型,然后结合状态方程提取弧垂模拟关键参数,最后根据弧垂模型方程,实现了不同气象条件下输电线弧垂三维空间形态模拟。通过设置4种典型气象条件组合开展弧垂模拟精度验证,结果表明:该方法模拟精度高,且不受档距、电力线材质等条件影响,可为复杂地理区域或特殊气象条件下的电力线运行安全评估与监测提供参考依据。