CN111929698A - 一种输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，包括：将输电线路走廊区域的点云数据中的悬空点使用悬链线方程及弧垂方程计算相邻基塔之间的输电线路的弧垂，以拟合出相邻基塔之间的每条输电线路；然后对点云数据进行分类得到输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据；以分类后得到的点云数据为基础，构建以相邻基塔、相邻基塔之间的输电线路以及地面为边界的柱状探查空间；最后获取柱状探查空间内的植被与输电线路之间的距离，并标识出植被中与输电线路之间的距离小于设定值的树木。本发明可及时发现输电线路内的树障隐患，防止树木对输电线路造成威胁，与传统人工量测排除相比识别的准确性更高。

Description

一种输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法

技术领域

本发明涉及输电线路保护技术领域，尤其涉及一种输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法。

背景技术

输电线路是一个国家主干电网的重要组成部分，是一项重要的国家基础设施，输电线路故障会给人们的日常生产生活和国家经济造成巨大损失，因此，为了防止和杜绝电网安全事故的发生，电网运行维护部门每年都需要投入大量人力、物力对输电线路进行巡检。输电线路多处于植被茂密的山区，山区内面积大、树木多，巡检人员经常遇到树障问题。所谓“树障”是指威胁到输电线路安全运行的线下树冠或走廊区域的树木，其容易造成线路跳闸，甚至使线路断裂或者杆塔倒塌，造成较大面积的停电等问题。

目前的树障的检测手段主要靠人工肉眼判断为主，巡检人员通过在地面手持激光测距判别树木与输电线路的距离，但是，由于人与树障点的测量角度和位置关系，检测结果很大可能存在较大的误差。还有一种方式是利用倾斜摄影建模进行安全距离测量，但是这些检种方法在检测的时候，容易将输电线路挂点附近的金具、绝缘子等距离输电线路走廊区域较近的部件也视为树障隐患，导致树障隐患判断不够准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，能够提高输电线路走廊区域内树障隐患判断的准确性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，包括：

获取输电线路走廊区域的激光雷达的点云数据，并对所述点云数据进行分类，提取输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据；

根据所述输电线路点云数据使用悬链线方程及弧垂方程计算输电线路的弧垂，以拟合出每条输电线路；

以分类后得到的点云数据为基础，构建以基塔、输电线路以及地面为边界的柱状探查空间；

获取所述柱状探查空间内的植被与所述输电线路之间的距离，并标识出所述植被中与所述输电线路之间的距离小于设定值的树木。

可选的，所述输电线路的左悬挂点为坐标原点，水平方向为x轴，铅直向上为y轴建立坐标系，所述悬链线方程为：

所述弧垂方程为：

其中，σ₀是输电线路的水平应力，γ是输电线路的比载，ch是双曲线余弦函数，H为输电线路的两悬挂点高差，L为输电线路的两悬挂点档距，a为坐标原点的悬挂点到输电线路的最低点的水平距离，h为输电线路的最低点至左悬挂点的高差值。

可选的，采用非线性最小二乘信赖域迭代算法拟合求解出所述悬链线方程和所述弧垂方程，以实现每条输电线路的拟合。

可选的，对所述点云数据进行分类，提取输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据的步骤包括：

对所述点云数据进行滤波处理，以分离出地面点与非地面点；

过滤所述地面点，得到所述非地面点，其中，所述非地面点包括所述输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据；

分离所述非地面点中的悬空点得到所述输电线路点云数据；

利用方向特征分离出所述基塔点云数据，利用维数特征分离出所述植被点云数据和建筑物点云数据；

根据在点云数据的空间显示为球状目标或面状目标分别分离出所述植被点云数据和建筑物点云数据。

可选的，获取所述柱状探查空间内的植被与所述输电线路之间的距离，并标识出所述植被中与所述输电线路之间的距离小于设定值的树木的步骤包括：

对所述柱状探查空间内的植被点云数据进行单木分割处理，得到对应于每棵树木的点云数据；

计算每棵树木与对应的输电线路之间的距离，标识出与输电线路之间的距离小于所述设定值的树木。

可选的，每棵树木与对应的输电线路之间的距离为净空距离。

可选的，根据如下公式计算出所述净空距离D_v：

D_v＝D1-f-D2-Δh-10.2；

其中，D1为左基塔的高度，D2为树木高度，Δh为施工裕度，f为输电线路的任意点的弧垂。

可选的，所述设定值大于或等于13.5m。

本发明提供的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，将输电线路走廊区域的激光雷达的点云数据中的悬空点使用悬链线方程及弧垂方程计算相邻基塔之间的输电线路的弧垂，以拟合出相邻基塔之间的每条输电线路；然后对所述点云数据进行分类得到输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据；以分类后得到的点云数据为基础，构建以相邻基塔、相邻基塔之间的输电线路以及地面为边界的柱状探查空间；最后获取所述柱状探查空间内的植被与所述输电线路之间的距离，并标识出所述植被中与所述输电线路之间的距离小于设定值的树木。本发明可及时发现输电线路内的树障隐患，防止树木对输电线路造成威胁，与传统人工量测排除相比，本发明提高了识别的准确性，并实现了安全距离的自动测算及树障隐患点的标注。

附图说明

图1为本发明实施例提供的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的输电线路下的树木净空距离的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供了一种输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，包括：

步骤S1：获取输电线路走廊区域的激光雷达的点云数据，并对所述点云数据进行分类，提取输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据；

步骤S2：根据所述输电线路点云数据使用悬链线方程及弧垂方程计算输电线路的弧垂，以拟合出每条输电线路；

步骤S3：以分类后得到的点云数据为基础，构建以基塔、输电线路以及地面为边界的柱状探查空间；

步骤S4：获取所述柱状探查空间内的植被与所述输电线路之间的距离，并标识出所述植被中与所述输电线路之间的距离小于设定值的树木。

具体的，首先执行步骤S1，飞行器沿着平行于输电线路两侧的方向往返飞行，保证旁向重叠度30％以上，测区平均点云密度不低于30点/平方米，数据覆盖以输电线路中心线为中心，两边外扩不少于60米。然后对地面基准站GPS接收机采集的数据和飞行器机载GPS接收机接收的数据进行载波相位差分处理，得到飞行平台三维坐标。然后在行器中搭载激光雷达，激光雷达向地面发射激光脉冲，获得输电线路的点云数据，并接受地面反射回来的反射脉冲并同时记录所用时间，计算出激光雷达到地面的距离，结合飞行平台三维坐标计算出地面点的三维坐标(地面点的点云数据)。接下来。对获得的输电线路的点云数据以及生成的地面点的点云数据进行去噪，用三维网格划分点云数据，统计每个网格中落入的点的个数，并判断周边网格中是否存在点；若网格中点数少于一定数量并且周边网格中不存在点，则判定该点为噪音点。

接下来，对所述点云数据进行分类，提取输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据。具体而言，对去噪后点云数据采用不规则三角网法进行滤波：先选择种子点构建一个粗略的地面三角网，剩余的点为非地面点，然后逐渐从非地面点中选择符合要求的点向初始粗略三角网中添加构成新的网，迭代计算，直到所有的点分为地面点和非地面点为止。

进一步地，过滤所述地面点，得到所述非地面点，其中，所述非地面点包括所述输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据，此时，需要将所述输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据分离。

分离所述非地面点中的悬空点得到所述输电线路点云数据，然后利用方向特征分离出所述基塔点云数据，利用维数特征分离出所述植被点云数据和建筑物点云数据，此时，需要分离所述植被点云数据和建筑物点云数据。

根据在点云数据的空间显示为球状目标或面状目标分别分离出所述植被点云数据和建筑物点云数据。具体而言，植被点云数据在点云数据的空间显示为球状目标，建筑物点云数据在点云数据的空间显示为面状目标，从而可以据此分离出所述植被点云数据和建筑物点云数据。

通过所述基塔点云数据及输电线路点云数据可识别出绝缘子串和导线，从而可确定两相邻基塔的悬挂点，如确定了左基塔和右基塔为两相邻塔杆，确定了左基塔上的导线悬挂点，右基塔上的导线悬挂点。

接着，执行步骤S2，当处于山区地形时，两相邻基塔的高度不同，两相邻基塔的悬挂点的高度也不同，可根据所述输电线路点云数据使用悬链线方程及弧垂方程计算输电线路的弧垂，以拟合出每条输电线路。具体而言，高程极大值位置即为基塔位置，两个基塔间的输电线路属于自然悬垂线，符合双曲余弦函数模型，因此可根据此特征对输电线路进行拟合，本实施例中，以所述输电线路的左悬挂点为坐标原点，水平方向为x轴，铅直向上为y轴建立坐标系，所述悬链线方程为：

所述弧垂方程为：

其中，σ₀是输电线路的水平应力，γ是输电线路的比载，ch是双曲线余弦函数，H为输电线路的两悬挂点高差，L为输电线路的两悬挂点档距，a为坐标原点的悬挂点到输电线路的最低点的水平距离，h为输电线路的最低点至左悬挂点的高差值。

接着采用非线性最小二乘信赖域迭代算法拟合求解出所述悬链线方程和所述弧垂方程，以实现每条输电线路的拟合，拟合后即可得到输电线路的三维模型。

进一步，输电线路在自然环境中大多以裸露形式存在，因此经常会受到气象条件等外界因素及工况条件的影响，导致输电线路的弧垂实时变化，输电线路与地物的距离也在动态变化，静态的激光点云数据不能及时发现潜在的危险点。针对以上情况，可通过在线监测环境参数模型获取到精确输电线路区域气象参数信息，以模拟各工况条件下的输电线路各类运行参数，并根据参数信息计算输电线路的弧垂。

具体而言，可通过如下步骤计算弧垂：获取输入工况条件、输电线路型号和参数，计算输电线路的比载和许用应力；然后选择可能控制条件，计算临界档距，选择有效临界档距；将控制气象条件下的比载、气温作为已知条件，代入状态方程计算各气象条件下的应力；最后将计算出的应力代入上述弧垂方程中，计算出不同各种条件下的弧垂。

接着执行步骤S3，以分类后得到的点云数据为基础，构建以基塔、输电线路以及地面为边界的柱状探查空间。可以理解的是，两个基塔、基塔中间的输电线路以及输电线路下方的植被、违章建筑物、交跨线等共同形成了所述柱状探查空间，由于所述柱状探查空间每个点都有三维坐标，可以实时计算出距离。由于树木作为输电线路的最大障碍物应该首先予以清除，所以本实施例将所述植被数据作为目标数据。

最后执行步骤S4：获取所述柱状探查空间内的植被与所述输电线路之间的距离，并标识出所述植被中与所述输电线路之间的距离小于设定值的树木。

具体的，由于植被是大量树木的集合，若需要准确的定点对输电线路产生威胁的树木，首先需要对所述柱状探查空间内的植被点云数据进行单木分割处理，得到对应于每棵树木的点云数据，然后计算每棵树木与对应的输电线路之间的距离，用颜色标识出与输电线路之间的距离小于所述设定值的树木。

具体的，由于植被中的树木数量巨大，若对计算每棵树木与对应的输电线路之间的距离，则计算量非常大。本实施例中，在对所述植被点云数据进行单木分割处理之前，可获取所述植被点云数据中相距超过预设缓冲距离的点云数据，划分出所述植被点云数据中与所述输电线路距离较为接近的危险植被区域，然后将所述危险植被区域中的点云数据进行单木分割并计算出每棵与所述输电线路之间的距离，在保证了识别准确的前提下，还可减少计算量。

可以理解的是，上述介绍的是当相邻基塔高度不同时计算弧垂的方式，应理解。在平原地区，相邻基塔间的高度相同，相邻基塔可都设置在平整的地面上，两相邻基塔的悬挂点也等高，通过基塔电云数据及输电线路点云数据可得到两基塔间的模拟连接直线，在模拟连接直线上任意点的高程值分别与相邻基塔间的悬挂点的高程值相等，此时只需要计算相邻基塔之间导线最低点的高程值与任一悬挂点的高程值之间的差值，即可得出弧垂数值。

假设，导线挂点A和导线挂点B的高程值为T，甲塔2和乙塔3之间导线最低点的高程值为P，将T与P求差计算获取Zmax，即为甲塔2和乙塔3之间的线路的弧垂数值。

如图2所示，本实施例中，每棵树木与对应的输电线路之间的距离为净空距离，根据如下公式计算出所述净空距离D_v：

D_v＝D1-f-D2-Δh-10.2；

其中，D1为左基塔的高度，D2为树木高度，Δh为施工裕度，f为输电线路的任意点的弧垂。

接下来，根据输电线路的电压等级、地物类型、地理环境参数可在标准规定中寻找树木与输电线路之间的安全距离阈值，如果计算的树木与对应的输电线路之间的距离大于标准规定的安全距离阈值，则认为树木是危险地物，通过颜色标识给出预警。巡检人员可根据颜色标识找到该树木，并将该树木砍伐，以防止该树木威胁到输电线路，确保输电线路处于安全运维状态。当然，由于巡检人员从确认需要砍伐的树木到实际砍伐该树木需要一定准备时间，需要留有一定的施工裕度。

应理解，所述设定值可根据架空输电线路设计规范的要求进行设计，例如，+800V的直流架空输电线路要求输电线路与树木之间的最小垂直距离小于13.5m，本实施例中，所述设定值即设定为大于或等于13.5m；当所述输电线路是其他电压级别的直流架空输电线路时，所述设定值可以是其他数值，例如，当所述输电线路是+220V的直流架空输电线路时，所述设定值可设定为大于或等于4.5m。

综上，在本发明提供的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法中，将输电线路走廊区域的激光雷达的点云数据中的悬空点使用悬链线方程及弧垂方程计算相邻基塔之间的输电线路的弧垂，以拟合出相邻基塔之间的每条输电线路；然后对所述点云数据进行分类得到输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据；以分类后得到的点云数据为基础，构建以相邻基塔、相邻基塔之间的输电线路以及地面为边界的柱状探查空间；最后获取所述柱状探查空间内的植被与所述输电线路之间的距离，并标识出所述植被中与所述输电线路之间的距离小于设定值的树木。本发明可及时发现输电线路内的树障隐患，防止树木对输电线路造成威胁，与传统人工量测排除相比，本发明提高了识别的准确性，并实现了安全距离的自动测算及树障隐患点的标注。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，其特征在于，包括：

获取输电线路走廊区域的激光雷达的点云数据，并对所述点云数据进行分类，提取输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据；

根据所述输电线路点云数据使用悬链线方程及弧垂方程计算输电线路的弧垂，以拟合出每条输电线路；

以分类后得到的点云数据为基础，构建以基塔、输电线路以及地面为边界的柱状探查空间；

获取所述柱状探查空间内的植被与所述输电线路之间的距离，并标识出所述植被中与所述输电线路之间的距离小于设定值的树木。

2.如权利要求1所述的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，其特征在于，以所述输电线路的左悬挂点为坐标原点，水平方向为x轴，铅直向上为y轴建立坐标系，所述悬链线方程为：

所述弧垂方程为：

其中，σ₀是输电线路的水平应力，γ是输电线路的比载，ch是双曲线余弦函数，H为输电线路的两悬挂点高差，L为输电线路的两悬挂点档距，a为坐标原点的悬挂点到输电线路的最低点的水平距离，h为输电线路的最低点至左悬挂点的高差值。

3.如权利要求2所述的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，其特征在于，采用非线性最小二乘信赖域迭代算法拟合求解出所述悬链线方程和所述弧垂方程，以实现每条输电线路的拟合。

4.如权利要求1所述的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，其特征在于，对所述点云数据进行分类，提取输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据的步骤包括：

对所述点云数据进行滤波处理，以分离出地面点与非地面点；

过滤所述地面点，得到所述非地面点，其中，所述非地面点包括所述输电线路点云数据、基塔点云数据和植被点云数据；

分离所述非地面点中的悬空点得到所述输电线路点云数据；

利用方向特征分离出所述基塔点云数据，利用维数特征分离出所述植被点云数据和建筑物点云数据；

根据在点云数据的空间显示为球状目标或面状目标分别分离出所述植被点云数据和建筑物点云数据。

5.如权利要求1所述的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，其特征在于，获取所述柱状探查空间内的植被与所述输电线路之间的距离，并标识出所述植被中与所述输电线路之间的距离小于设定值的树木的步骤包括：

对所述柱状探查空间内的植被点云数据进行单木分割处理，得到对应于每棵树木的点云数据；

计算每棵树木与对应的输电线路之间的距离，标识出与所述输电线路之间的距离小于所述设定值的树木。

6.如权利要求5所述的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，其特征在于，每棵树木与对应的输电线路之间的距离为净空距离。

7.如权利要求6所述的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，其特征在于，根据如下公式计算出所述净空距离D_v：

D_v＝D1-f-D2-Δh-10.2；

其中，D1为左基塔的高度，D2为树木高度，Δh为施工裕度，f为输电线路的任意点的弧垂。

8.如权利要求6所述的输电线路走廊区域内的树障隐患识别方法，其特征在于，所述设定值大于或等于13.5m。

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