基于激光点云输电线覆冰厚度检测与融冰防灾方法及系统

本发明涉及输电线检修监测，具体地说，是一种基于激光点云输电线覆冰厚度检测与融冰防灾方法及系统。

背景技术：

0、技术背景

1、输电线是电力系统的重要构成部分，输电线路上发生周期较长的覆冰现象，会造成导线上附着的冰雪等效厚度不断增大，覆冰会使导线的垂直荷载增加，容易导致线路断线、短路、接地、通讯中断、导线过载断线、融冰跳跃、倒塔、跳闸以及绝缘子闪络等事故，不仅对电力系统(超高压(uhv)/高压/中压输电线路等)的安全检查、稳定运行造成威胁，而且还会给社会造成巨大经济损失。

2、目前常用的覆冰厚度检测方法主要有：人工测量法(测量人员需要去陡峭的山区测量风偏差，这往往会带来很大的风险)、图像处理法(图像质量相对粗糙、数据误差大)、传感器间接计算法等方法。人工测量法主要采用卡尺或卷尺实地接触式直接量取覆冰输电线直径或截面周长，或者勾勒出覆冰导线的截面，计算覆冰厚度或将冰融化为水称重计算。该方法测量准确性高，但是效率较低，测量危险性大。图像处理法主要是通过对导线覆冰图像进行边缘检测，对比覆冰前后的轮廓来判断覆冰的严重程度。该方法克服了人工测量的安全方面的问题，但覆冰厚度检测的精度较低。传感器间接计算法是采用拉力或倾角传感器，实时测量姿态倾角和导线拉力，根据力学平衡关系计算出覆冰厚度，该方法能够实时地测量，但是要面对传感器性能，外界干扰(微地形和微气象)等挑战。覆冰厚度预测和提取精度不高，模型可靠性低和适用范围窄。

3、而对于交通不便的地区、自然环境通常恶劣复杂，维护人员检查输电线路难度大，甚至危险，用于检测和监测现有输电线路上仪器设备受到走廊内的外力和环境侵蚀、受人为等因数影响采样图片、图像精度低、现有的技术不能完全发现组件缺陷或侵占植被，无法实时提供输电线路运行情况，无人机载激光雷达系统能够提取输电线路三维空间信息数据，自动化程度高，逐渐成为电网运行安全监测和风险评估、覆冰险情监测与预警的热点，但是，现有无人机载激光雷达系统受环境与传感器的影响，激光点云图像弯曲电力线和覆冰成像几何相关的变形，尤其是侧倾和透视缩短，会影响影像及设计、预测精度。其中还存在激光点云数据缺失、地形起伏过大、点云拼接、点云去噪、点云滤波处理处理海量数据、工作量大，交叉建模精度低、输电线建立数学模型不可靠、适用范围小、输电线建模与覆冰厚度计算、预测与实践误差较大等问题，且鉴于现有输电线与覆冰厚度进行输电线路风险评估、除冰策略、及提取、检测、监测、存储、识别、存在需要专用设备人工、或半自动实现等精度不高、效率低、成本低不足等问题，本技术研究一种基于激光点云的输电线覆冰厚度检测与融冰防灾方法及系统，为防止冰害事故的发生和输电线路结冰状况快速提供依据，及实现输电线路的有效的监测和维护。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于提供一种基于激光点云输电线覆冰厚度检测与融冰防灾系统及方法，以解决现有技术中覆冰厚度检测精度低、效率低等不足。

2、根据本发明的一个方面，提供一种基于激光点云输电线覆冰厚度检测与融冰防灾方法，所述的方法包括如下步骤：

3、s1、采集输电线的点云数据，并对所采集的点云数据进行滤波处理；

4、s2、粗提取：使用高程阈值从所述点云数据中筛选出输电线的候选点，依据ndt单元特征，在所述候选点中筛选出具有线性特征的点作为特征点；

5、s3、细提取：使用dbscan聚类算法对所述特征点进行聚类，得到单根覆冰输电线；

6、s4、建立所述单根覆冰输电线的抛物线数学模型，计算出弧垂值；

7、s5、根据所述单根覆冰输电线状态方程，基于所述弧垂值计算出无风工况下的所述单根覆冰输电线的水平张力和所述单根覆冰输电线综合比载，进而计算出覆冰比载；

8、s6、基于所述弧垂值以及所述覆冰比载，根据质量守恒定律计算所述单根覆冰输电线的等值覆冰厚度。

9、作为一个优选方案，所述点云数据利用无人机载激光雷达系统获取。

10、作为一个优选方案，步骤s1中所述滤波处理的步骤，包括；

11、将所述点云数据中的任意一点作为采样点，并取所述采样点的k个近邻点；

12、计算所述采样点到k个近邻点距离的欧式均值m和标准差σ；

13、其所述采样点到k个近邻点的欧式距离大于m±σ的点视为异常点，对其去除。

14、作为一个优选方案，步骤s2中对所述滤波处理后的点云数据进行所述单根覆冰输电线粗提取的步骤，包括；

15、寻找最佳的高程阈值，对所述滤波处理后的点云数据进行阈值分割处理，将所述点云数据分割为(近)地面点和所述候选点；

16、计算所述候选点的正态分布变换ndt单元，并用一组ndt单元表示点云；

17、期间根据ndt单元的几何外形特征，将ndt单元分为线性单元和非线性单元；

18、并对所述非线性单元的点进行剔除，得到所述覆冰输电线粗提取的结果。

19、作为一个优选方案，步骤s3中对所述粗提取的结果进行细提取得到单根输电线，包括；

20、利用基于密度的聚类方法dbscan对所述粗提取的单根覆冰输电线进行聚类分割，得到聚类分割后的所述单根覆冰输电线。

21、作为一个优选方案，步骤s4中对所述细提取的单根覆冰输电线建立数学模型，计算弧垂值的步骤，包括；

22、s41、采用抛物线模型对单根覆冰输电线空间模型构建,a(0，y0)，b(l，y0+h)为单档内输电线的悬挂点，l为档距，c(x，y)为输电线的任意一点，拟合出抛物线模型：

23、y1＝ax2+bx+c

24、s42、计算悬挂点直线ab的表达式：

25、

26、s43、所述弧垂值为覆冰导线的任意一点到直线ab的铅垂距离得到所述弧垂值表达式；

27、fx＝y2-y1

28、其中，y1代表重建所述单根覆冰输电线的抛物线模型，y2代表所述单档内输电线的悬挂点a、b的连线，fx代表所述的弧垂值。

29、作为一个优选方案，步骤s5中所述单根覆冰输电线的综合比载的计算步骤，包括；

30、s51、档距中央所述弧垂值的计算公式为：

31、

32、其中γ为导线比载，ε为导线的水平张力，θ为直线ab的水平夹角；

33、s52、所述单根覆冰输电线的状态方程为：

34、

35、其中εn、εm分别为n状态和m状态下的导线水平张力，tn、tm分别为n状态和m状态下的温度，η、e分别为所述单根覆冰输电线温膨系数和弹性系数。

36、s53、已知m状态下的导线水平张力εm和导线比载γm，以及覆冰状态n的档距中央所述弧垂值f1/2，计算出覆冰状态n的导线水平张力εn；

37、s54、根据所述覆冰状态n的导线水平张力εn，由档距中央所述弧垂值的计算公式得到覆冰状态下的导线覆冰比载γn。

38、作为一个优选方案，在无风工况下建立导线综合比载γ、覆冰比载γn和自重比载γm的荷载平衡；

39、γ＝γn+γm

40、其中γn、γm分别代表导线覆冰比载和自重比载，γ代表导线综合比载。

41、作为一个优选方案，步骤s6中根据质量守恒定律计算出所述等值覆冰厚度的步骤，包括：

42、已知所述单根覆冰输电线的综合比载γ和自重比载γm，所述覆冰比载计算公式：

43、γn＝γ-τm

44、由单位长度覆冰质量相等的原则，建立质量守恒的关系式：

45、

46、得到所述等值覆冰厚度的计算公式：

47、

48、其中r、s为无覆冰状态下导线的半径和截面积，ρ为覆冰密度。

49、根据本发明的另一个方面，还提供一种基于激光点云输电线覆冰厚度检测与融冰防灾系统，所述的系统包括以下模块：

50、采集模块，用于采集输电线的点云数据，并对所采集的所述点云数据进行滤波处理；

51、粗提取模块，用于使用高程阈值从所述点云数据中筛选出候选点，依据ndt单元特征，在所述候选点中筛选出具有线性特征的点作为特征点；

52、细提取模块，用于使用dbscan聚类算法对所述特征点进行聚类，得到所述单根覆冰输电线；

53、模型构建模块，用于建立所述单根覆冰输电线的抛物线数学模型，计算出所述的弧垂值；

54、覆冰比载计算模块，用于根据所述单根覆冰输电线状态方程，基于所述弧垂值计算出无风工况下所述单根覆冰输电线的水平张力和所述单根覆冰输电线综合比载，进而计算出覆冰比载；

55、覆冰厚度计算模块，用于基于所述弧垂值以及所述覆冰比载，根据质量守恒定律计算所述单根覆冰输电线的等值覆冰厚度。

56、根据上述技术方案，本发明的优点在于：

57、1.本发明首先利用对所采集的单根覆冰输电线的点云数据进行滤波处理，对所述滤波后的点云数据进行基于高程阈值的分割和ndt线性单元筛选，实现输电线的粗提取，采用基于密度聚类的方法进行输电线点云数据分割得到单根输电线；然后重建出单根覆冰输电线的数学模型，根据曲线方程计算出弧垂值；根据弧垂值和状态方程计算出覆冰状态下的水平张力，进而计算出覆冰状态下的输电线综合比载，在无风工况下得到冰重比载，最终根据质量守恒定律得到输电线的等值覆冰厚度。

58、2.本发明加入了滤波算法，可以有效的对一些离主体较远的离群点进行去除，利用竖坐标z值根据kd树查找的连通域确定自适应的值将交叉、重叠数据利用高程阈值的分割快速剔除海量的非电力线和非覆冰数据去除、而且本发明在保证不影响点云数据特征的前提下，大大的提高了数据处理的速度。

59、3.本发明根据正态分布变换(ndt)单元的几何形状，可以提取具有线性特征的点，提高了输电线提取的准确度。

60、4.本发明提取线性输电线采用dbscan聚类算法对粗提取的输电线进行聚类，将不同段的线性输电线按密度要求符合和可达，消除了交叉、重叠、缺失、弯曲、变形、模糊图像数据的错误分割；可以有效的提取单根输电线。

61、5.本发明采用抛物线数学模型重构输电线，计算出弧垂，通过弧垂和输电线状态方程计算出等值覆冰厚度，克服了传统力学传感器定点局部监测法精度低的不足的问题，有效准确提取了单根输电线和覆冰厚度、长度，有效准确识别与单根输电线和覆冰连接的组件，为电力线和覆冰线的安全可靠运行状态、维护、设计、防撞、火灾险情预测、规划、检测与监测识别、防止不同类冰害事故的发生和输电线路结冰状况监测与预警快速、为除冰除灾害提供及时快速的依据、及有效实现输电线路与输电线覆冰、其它灾害预测、安全运行、维护、设计管理的准确性和通用性。