一种基于分层随机抽样的单档电力线LiDAR点云聚类方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种面向电力线三维重建的架空输电线路单档电力线直升机激光雷 达（LiDAR)点云的聚类方法，具体地说是一种基于分层随机抽样的单档电力线LiDAR点云 聚类方法，属于激光雷达点云数据信息提取技术领域。
【背景技术】
[0002] 架空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。近年来，伴随着我国电力发展步伐不断加快，电网也得到迅速发展，电网系统运行电压 等级不断提高，网络规模也不断扩大，基本形成了完整的长距离输电电网网架。截止到2010 年底，我国电网规模跃居世界第一，其中，220千伏及以上输电线路总长度达到43万公里。 然而，输电线路故障却会给人们的日常生产生活和国家经济带来巨大损失，国内外皆如此。 譬如，2003年8月14日发生的举世震惊的美国和加拿大大停电，美国8个州5千万人、加拿 大2个州受到影响；事故调查报告认为，诱发这次大停电的首要原因是输电线路的树闪故 障。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。电网的巡检和维护工作对于电网的正常运行至关重要。电 力巡线是保障电力资源持续、稳定供给，保护电力设备等安全的重要技术；相关部门可以通 过电力巡线提前发现待提取的隐患、及时消除隐患以防患于未然。
[0003] 传统的人工巡检方式是依靠地面交通工具或徒步行走、利用普通仪器或肉眼来巡 查设施、处理设备缺陷。然而，很多长距离输电线路分布在地形陡峭、自然环境恶劣的崇山 峻岭、广袤森林之间，这导致传统的人工巡线劳动力强度大、工作条件艰苦、效率低、复巡周 期长、巡检数据准确率不高。因此，国内外开始大规模应用直升机巡检技术。直升机电力巡 线中，利用直升机作为运载工具，装载检测人员、设备进行检测，发现存在于输电线路上其 他仪器难以发现的热致故障隐患和外部缺陷。从20世纪50年代起，美国、加拿大以及西欧 很多国家开始采用直升机巡线；随后，俄国、日本、瑞典等国家也开始直升机巡线作业；我 国从20世纪80年代开始进行直升机巡线和带电作业等方面的研宄。
[0004] 从国际电力巡线的发展来看，输电线路采用直升飞机巡线等电力作业工作日益 成为电力系统安全生产的迫切需求。已有的直升机巡线中，多采用红外摄影仪、数码摄像 机、高分辨率望远镜、可见光录像机等设备作为观测工具。但无论是多光谱还是热红外技 术，空间定位的量测精度均不高，很难精确判断线路走廊地物到线路的距离；而且获得的 多源数据大多分开处理、没有形成整体性，处理起来也比较繁琐，降低了巡线的效率和可靠 性。近年来，由于机载激光雷达（LiDAR)测量技术能同时获取输电线路走廊影像及三维 空间坐标信息，且具有测量精度高、全三维、自动化程度高、效率高、定位准确的特点；机载 LiDAR电力巡线可以克服传统的工程测量电力巡线工作量大、危险性高、效率低下及直升机 电力巡线空间定位精度低的缺点。
[0005] 直升机LiDAR电力巡线的一项重要任务是进行电力线的三维重建。电力线三维重 建是危险点检测、导线相间高差量测、导线间距离量测、导线对地距离量测、三维可视化、导 线弧垂分析、导线覆冰分析、导线风偏分析等重要应用的基础，成为研宄的重点。目前，基于 架空输电线路直升机LiDAR点云的电力线三维重建相关研宄涉及3个重要的方面：①单档 电力线LiDAR点云确定；②单档电力线LiDAR点云聚类（即，确定单档电力线总根/条数和 确定单根电力线LiDAR点）；③单档单根电力线模型选择。其中，单档电力线LiDAR点云聚 类是最关键、最复杂的环节，也是研宄的重点。目前，单档电力线LiDAR点云聚类的方法大 致分为四种。第一种，采用了Hough变换，每条直线对应一条电力线。第二种，采用了高程 直方图分析以区分不同高度的电力线点。第三种，采用了类似区域生长的电力线模型生长、 合并方法。第四种，采用了3D连通成分分析，每个连通成分对应一条电力线。但是，已有的 单档电力线LiDAR点云聚类方法存在下述问题：
[0006] -、Hough变换无法检测出垂直排列、混合排列、交错排列的多根电力线；另外，对 于垂直结构的多根电力线，严重的弧垂现象会导致无法通过高程值特征进行不同根电力线 点的分离。而现实世界中的高压线路一档内的电力线可存在三角、水平、垂直、混合排列、交 错排列等多种构型的排列方式，已有的方法无法满足多种构型的电力线LiDAR点云聚类。
[0007] 二、模型生长、合并方法无法满足分裂导线LiDAR点的识别；而3D连通成分分析方 法无法满足分裂导线的任一分裂的重建。和电力线巡检密切相关的电力线类型可以分为导 线和避雷线，前者又可细分为单导线、分裂导线（又称导线束，可进一步细分为二、四、六、 八分裂等）。在LiDAR点云中，单导线、避雷线、分裂导线任一分裂（束）的形态特征极其相 似；而整体上，分裂导线与单导线、避雷线的形态特征不同。而模型生长、合并方法无法适用 于分裂导线。另外，对于分裂导线，由于间隔棒会连接各个分裂，且LiDAR点云中无法详细 的区分间隔棒点、电力线点，这会导致3D连通成分分析方法将各个分裂聚为一类，无法识 别各个分裂导线。
[0008] 三、模型生长、合并方法和3D连通成分分析方法易受到LiDAR点云的不规则断裂、 粗差的负面影响。
[0009] 上述三个问题导致已有的单档电力线LiDAR点云聚类方法的聚类精度低、自动化 程度低、聚类效率低、需要大量人工干预、鲁棒性差和普适性差等问题，无法满足智能电网 对快速、高精度电力巡线的需求。
【发明内容】
[0010] 针对现有架空输电线路单档电力线直升机LiDAR点云聚类技术的不足，本发明提 出一种基于分层随机抽样的单档电力线LiDAR点云聚类方法，具有对电力线的根数、电力 线类型、电力线空间构型、粗差点、点云不规则断裂、档距长短等因素不敏感的优势。
[0011] 本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种基于分层随机抽样的单档电力线LiDAR点云聚类方法，其特征是，所述单档电力线LiDAR点云的数据已经被正确识别，所述 方法包括以下步骤：
[0012] 步骤一，加载单档电力线LiDAR点云数据；
[0013] 步骤二，确定电力线三维重建模型的数学表达式；
[0014] 步骤三，对单档电力线LiDAR点云数据进行预处理，并将点云数据进行分段组织 和管理；
[0015] 步骤四，采用分层随机抽样策略，并在电力线三维重建模型约束下进行单档电力 线LiDAR点云的聚类。
[0016] 优选地，在步骤二中，将单档单根电力线三维重建模型分解为两个相互关联的部 分，第一部分是直线段，该直线段由电力线LiDAR点云在XOY平面的投影点经过最小二乘拟 合生成；第二部分是悬链线段，该悬链线段位于过直线段的垂面、且由电力线LiDAR点云的 信息生成。
[0017] 优选地，所述的直线段与悬链线段不仅共面，而且直线段的两个端点与悬链线段 的两个端点具有垂直投影关系。
[0018] 优选地，在步骤三中，计算该档电力线LiDAR点的总数目，将全部LiDAR点的聚类 状态设置为"未聚类"，利用LiDAR点的信