藍(lán)增榮 胡慶武 隆華平

（1.廣州建通測(cè)繪技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 710064；2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

智能電網(wǎng)是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的建設(shè)，建立詳細(xì)、三維的數(shù)字電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)是一項(xiàng)關(guān)鍵的基礎(chǔ)性工作。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為新一代遙感技術(shù)，以激光脈沖作為測(cè)量媒介，高度集成GPS、INS以及激光掃描測(cè)距儀等先進(jìn)設(shè)備[1]-[3]，可快速獲取高精度的目標(biāo)三維坐標(biāo)，憑借激光脈沖穿透性好的優(yōu)勢(shì)，可快速探測(cè)植被下的地表信息，用來(lái)建立三維數(shù)字電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。進(jìn)一步獲取電力線及其走廊環(huán)境內(nèi)的地表物高精度三維坐標(biāo)，利用該坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)電力線進(jìn)行快速準(zhǔn)確地矢量化，并計(jì)算電力線與地表物的間距，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力線安全運(yùn)行的檢測(cè)。與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)相比，機(jī)載激光掃描技術(shù)不僅測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)處理快、而且可節(jié)省大量的人力、物力、時(shí)間及經(jīng)費(fèi)，大大提高作業(yè)效率。尤其是在植被茂密的山區(qū)，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。本文對(duì)基于機(jī)載LiDAR的電力巡線應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了基于輸電線路 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)提取電力線的思路與方法。以南方電網(wǎng)LiDAR勘測(cè)項(xiàng)目為例，對(duì)基于LiDAR的電力線提取精度進(jìn)行了試驗(yàn)分析，表明基于LiDAR可快速高精度建立三維數(shù)字電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，滿(mǎn)足智能電網(wǎng)應(yīng)用要求。

1 數(shù)字電網(wǎng)巡線應(yīng)用需求

電力巡線是電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理部門(mén)需要進(jìn)行的一項(xiàng)重要工作。為了確保電力線路的運(yùn)營(yíng)安全，通常需要定期對(duì)線路進(jìn)行巡檢，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除安全隱患。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，高電壓、大功率、長(zhǎng)距離輸電線路越來(lái)越多，線路走廊穿越的地理環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，如經(jīng)過(guò)大面積的水庫(kù)、湖泊和崇山峻嶺，對(duì)其運(yùn)行維護(hù)日趨困難[4]-[10]。對(duì)于數(shù)字電網(wǎng)巡線應(yīng)用，主要需要解決以下問(wèn)題：

（1）電力線及電力設(shè)施三維形體：需要?jiǎng)討B(tài)獲取電力線及電力設(shè)施的三維形態(tài)，為電網(wǎng)安全計(jì)算和分析提供數(shù)據(jù)支持，為了獲得電網(wǎng)的實(shí)時(shí)形態(tài)，建立數(shù)字化的三維電網(wǎng)模型是各種電網(wǎng)巡線方法必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

（2）快速獲取高精度的數(shù)字地面模型，利用數(shù)字地面模型結(jié)合高分辨率正射影像構(gòu)建三維數(shù)字電網(wǎng)走廊，為電網(wǎng)安全計(jì)算提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

（3）快速獲取高精度的地表物三維坐標(biāo)以及植被，結(jié)合電力線及電力設(shè)施的三維模型，準(zhǔn)確計(jì)算電力線與其附近樹(shù)木、地表構(gòu)造物的間距，從而確定電網(wǎng)危險(xiǎn)線段。

可見(jiàn)，針對(duì)數(shù)字電網(wǎng)巡線應(yīng)用的數(shù)據(jù)需求，傳統(tǒng)的人工巡線、基于多光譜還是熱紅外攝影巡線技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)巡線高精度定位需求，且無(wú)法一次獲取電網(wǎng)安全計(jì)算的全方位數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR技術(shù)可以通過(guò)激光測(cè)量多次回波在一次測(cè)量時(shí)同時(shí)獲取電力線、電力設(shè)施、植被、地表構(gòu)造物的三維坐標(biāo)，在數(shù)字地面模型和高分辨影像支持下，實(shí)現(xiàn)高效、高精度巡線應(yīng)用。

2 基于LiDAR點(diǎn)云的電力線安全要素提取和分析

為了進(jìn)行電網(wǎng)安全計(jì)算和分析，必須要解決電力線安全計(jì)算所需要的電力線和植被等安全要素的提取和分析。其中，電力線可通過(guò)提取擬合得到，植被則采用濾波分析計(jì)算。

2.1 基于LiDAR點(diǎn)云的電力線提取

由于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)測(cè)量的媒介是激光脈沖，其具有一定的發(fā)散性，故測(cè)量過(guò)程中其測(cè)量的地物標(biāo)志往往與實(shí)際位置存有偏差，造成所獲取的電力線點(diǎn)云并不是在一條線上，而是呈彎曲點(diǎn)線狀（如圖1），給電力線提取帶來(lái)困難。

圖1 基于LiDAR點(diǎn)云的電力線單雙線測(cè)量示意圖

為了從非規(guī)則、非線性的點(diǎn)云束中獲得電力線幾何參數(shù)，需要對(duì)電力線進(jìn)行提取和擬合?；贚iDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取電力線包括以下步驟：

（1）電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)

提取電力線的第一個(gè)步驟首先是將電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)從所有點(diǎn)云中分類(lèi)出來(lái)。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)除了三位坐標(biāo)值外（有的附帶點(diǎn)云強(qiáng)度信息），沒(méi)有其他屬性值。首先需要將電力線點(diǎn)云、鐵塔點(diǎn)云及地表物點(diǎn)云與地面點(diǎn)云分開(kāi)，通常可采用基于高程投影分割方法對(duì)電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。

（2）電力線初步提?。ㄌ崛〈笾伦呦蚝椭匾?jié)點(diǎn)）

電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取后，根據(jù)其點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)電力線路的走向進(jìn)行粗提取。跟蹤相鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將同一條線路上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)識(shí)別出來(lái)。根據(jù)其電力線點(diǎn)云走向的斜率變化確定電力線初步節(jié)點(diǎn)，將其節(jié)點(diǎn)連接成多段線，即為初步電力線，初步電力線的作用就是確立電力線的基本走向和形狀。

（3）電力線精提取（精確提取各節(jié)點(diǎn)）

根據(jù)提取的初步電力線按照實(shí)際電力線點(diǎn)云對(duì)其節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確提取。確保電力線與點(diǎn)云的實(shí)際位置貼近程度更高、更準(zhǔn)確。精確提取電力線節(jié)點(diǎn)的原理就是根據(jù)電力線點(diǎn)云束狀垂直截面上點(diǎn)云坐標(biāo)確立截面的中心點(diǎn)。如圖2所示。圖1中上左圖為原始點(diǎn)云，從原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取電力線點(diǎn)云后（上中圖），則根據(jù)電力線點(diǎn)云進(jìn)行電力線初步提?。ㄉ嫌覉D）。根據(jù)提取的節(jié)點(diǎn)位置再進(jìn)一步精確提取其節(jié)點(diǎn)（右下圖），從而完成對(duì)整個(gè)電力線精確提取。

圖2 提取電力線示意圖

（4）電力線平滑

電力線提取后，其顯示的仍然是一條多段線，因此最后的工作就是要對(duì)提取的多段線利用多元函數(shù)進(jìn)行平滑處理，從而得到一條圓滑曲線，即最終電力線矢量化產(chǎn)品，如圖 3所示。

圖3 平滑處理后的電力線狀圖

（5）電力線擴(kuò)展

利用電力線點(diǎn)云束提取并擬合出的中間電力線，根據(jù)實(shí)際電力線相互之間的間隔對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展擬合，從而最終獲取四根或八根電力線束。

2.2 基于剖面切割濾波方法植被分析

對(duì)于植被等地表物計(jì)算，需要通過(guò)點(diǎn)云濾波得到。目前，有多種點(diǎn)云過(guò)濾方法，比較典型的有：數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法、移動(dòng)窗口、迭代線性最小二乘內(nèi)插及基于坡度變化的濾波算法等。各算法具有自己獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)，針對(duì)不同地形各算法具有不同優(yōu)缺點(diǎn)[11][12]。目前還沒(méi)有一種算法可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)地進(jìn)行濾波剔除地表物，大多還是基于人工干預(yù)過(guò)濾。剖面切割濾波方法是一種較常用的濾波方法。其濾波原理示意圖如下圖4。

圖4 剖面切割濾波法原理示意圖

圖4中，L1表示切割基準(zhǔn)線，L2表示平行于切割基準(zhǔn)線的切割線，Ascent 表示切割基準(zhǔn)線 L1的剖面角度，Delta表示切割基準(zhǔn)線的長(zhǎng)度。Hmax表示切割的閾值，也就是切割線與切割基準(zhǔn)線間的垂直方向上的距離值，超過(guò)切割線以上部分的地表物就將被切割過(guò)濾掉。Ascent、Delta和Hmax為剖面切割濾波法的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，針對(duì)不同地形情況選擇不同的參數(shù)值。本文通過(guò)幾組不同的參數(shù)值對(duì)植被進(jìn)行濾波試驗(yàn)，確定平坦植被區(qū)域，其剖面角度和切割閾值相對(duì)要低些，尤其對(duì)于低植被區(qū)域，其剖面角度、切割閾值和切割線均應(yīng)較小。當(dāng)切割線與切割閾值一定時(shí)，剖面角度15°的過(guò)濾效果明顯不如 5°。當(dāng)剖面角和切割閾值相同的情況下，切割基線短的不如切割線長(zhǎng)的過(guò)濾效果。當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，其切割線不宜過(guò)長(zhǎng)，采用該方法可以獲得較好的植被分析結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了評(píng)價(jià)基于機(jī)載LiDAR的電力線提取擬合的精度，以TopSys Facon-II獲取的南方電網(wǎng)電力巡線LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)段為廣西來(lái)賓段機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的一段。其中，機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)密度為每平方米平均20個(gè)激光點(diǎn)。采用電力設(shè)計(jì)軟件PLS擬合的電力線與基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)化提取的電力線進(jìn)行比較。由于PLS內(nèi)附電力線的各種力學(xué)方程，屬電力線路設(shè)計(jì)方面的國(guó)際知名軟件，加以人工干預(yù)擬合，因此，其精度近似認(rèn)為為 0，即其擬合的電力線坐標(biāo)為真實(shí)電力線坐標(biāo)。利用電力線點(diǎn)云提取的電力線與PLS擬合的電力線導(dǎo)入Cass軟件里對(duì)其三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，如圖5。

圖5 電力線矢量化比較圖

試驗(yàn)段電力線束截面直徑在40cm左右。通過(guò)側(cè)面和俯視面分別對(duì)兩條電力線進(jìn)行高程和平面位移差進(jìn)行比較，從而得出兩條線的位置差別，差值比較表如表1。

表1 PLS擬合線與自動(dòng)提取電力線位置比較表（m）

由表1，基于LiDAR點(diǎn)云自動(dòng)提取擬合的電力線平面和高程偏差基本上都在10cm以?xún)?nèi)，其偏差值在兩端較小，中間較大，呈單峰分布（如圖6），其主要原因可能由于中間段位電力線由于風(fēng)力的影像而導(dǎo)致偏位較大，從而導(dǎo)致PLS擬合值與真實(shí)值有輕微偏動(dòng)，最終導(dǎo)致自動(dòng)提取的電力線與其手工擬合值偏動(dòng)較大，但最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：其平面位置平均偏差分別為：0.06m、0.04m、0.06m、0.07m，高程平均偏差分別為：0.05m、0.07m、0.06m、0.06m，總偏差分別為：0.08m、0.08m、0.08m、0.09m。因此，我們可以得出結(jié)論：利用機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)提取電力線的平面和高程誤差在6cm左右，其總體誤差在8cm左右。而對(duì)于截面直徑只有40cm的線束來(lái)說(shuō)，其半徑為20cm，因此，可認(rèn)為8cm的偏差對(duì)于半徑20cm的線束來(lái)說(shuō)，其擬合效果足以滿(mǎn)足實(shí)際工程中的應(yīng)用。

圖6 電力線位置偏移分布圖

4 結(jié)論

由于激光脈沖的發(fā)散性，其獲取的電力線等線狀物的點(diǎn)云并不是呈現(xiàn)一條線性狀，而是以電力線為中心的一條帶弧度的線柱狀點(diǎn)云集。本文就是從這種思想出發(fā)，提出了基于獲取的電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)提取電力線的方法。根據(jù)電力線點(diǎn)云求取出垂直于電力線走向的法截面上的點(diǎn)云面中心點(diǎn)位置作為節(jié)點(diǎn)，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)擬合出電力線。該方法相比現(xiàn)有的基于電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行人工擬合電力線要更加方便快捷、準(zhǔn)確，可用作計(jì)算電力線與線下植被距離測(cè)量的對(duì)象，另外還可作為數(shù)字電網(wǎng)中的模型等應(yīng)用，為電力巡檢帶來(lái)一種新思路和新方法。此外，機(jī)載LiDAR技術(shù)除了用在數(shù)字電網(wǎng)巡線外，還可以用于輸電線路選線、排位設(shè)計(jì)、電力安全巡線以及數(shù)字電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理等方面，相比于傳統(tǒng)人工測(cè)量和攝影測(cè)量，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)不僅大大提高了工作效率，而且在測(cè)量產(chǎn)品的應(yīng)用方面也具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，需要進(jìn)一步利用LiDAR系統(tǒng)獲取的可見(jiàn)光影像、近紅外影像對(duì)輸電線路下的地表物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)分類(lèi)，單獨(dú)對(duì)興趣點(diǎn)云數(shù)據(jù)（一般指植被、樹(shù)木等）與電力線間的距離進(jìn)行量測(cè)，根據(jù)樹(shù)木生長(zhǎng)的特性預(yù)估出其生長(zhǎng)的高度極限，從而對(duì)其進(jìn)行有計(jì)劃的砍伐，避免其樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)高導(dǎo)致與輸電線路的碰觸危險(xiǎn)。

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