段敏燕

中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830

機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云電力線(xiàn)三維重建方法研究

段敏燕

中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830

機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為地理空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段。目前，機(jī)載LiDAR技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其中，電力巡線(xiàn)是其主要的工程應(yīng)用領(lǐng)域之一。盡管基于機(jī)載LiDAR的電力巡線(xiàn)日臻成熟，但是其中的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理和信息提取方法亟待完善。本文圍繞機(jī)載LiDAR點(diǎn)云電力線(xiàn)三維重建涉及的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、單檔電力導(dǎo)線(xiàn)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)、電力導(dǎo)線(xiàn)三維重建模型表達(dá)、電力線(xiàn)三維重建的整體技術(shù)流程等4個(gè)方面開(kāi)展了研究工作。主要內(nèi)容如下：

(1) 改進(jìn)了三角網(wǎng)漸進(jìn)加密濾波方法。經(jīng)典的三角網(wǎng)加密濾波方法是一種性能良好的濾波方法，但其缺點(diǎn)是不能較好地保留地形結(jié)構(gòu)線(xiàn)附近的地面點(diǎn)，這會(huì)降低架空輸電線(xiàn)走廊區(qū)域機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波精度。本文基于地表連續(xù)且光滑這個(gè)假設(shè)，對(duì)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行基于光滑表面生長(zhǎng)的點(diǎn)云分割，以點(diǎn)云分割獲取的對(duì)象作為濾波的基元參與三角網(wǎng)加密濾波過(guò)程。試驗(yàn)表明，改進(jìn)的濾波方法既繼承了經(jīng)典方法的優(yōu)點(diǎn)，又能很好地保留地形結(jié)構(gòu)線(xiàn)附近的地面點(diǎn)，提高了濾波的精度和質(zhì)量。

(2) 發(fā)展了一種采用特征空間k-means聚類(lèi)的單檔電力線(xiàn)LiDAR點(diǎn)云分割方法。首先，利用電力線(xiàn)LiDAR點(diǎn)云的水平坐標(biāo)信息進(jìn)行直線(xiàn)擬合，并對(duì)LiDAR沿直線(xiàn)方向進(jìn)行分段；然后，將每一段LiDAR點(diǎn)云投影到相應(yīng)的電力線(xiàn)的切平面(該平面垂直于擬合直線(xiàn))；最后，使用k-means聚類(lèi)方法進(jìn)行投影點(diǎn)的聚類(lèi)，且相鄰的段和段之間通過(guò)投影中心點(diǎn)進(jìn)行類(lèi)別的傳遞和規(guī)則化。試驗(yàn)表明，該聚類(lèi)方法在電力線(xiàn)數(shù)目已知、且保持不變的情況下可完全正確地進(jìn)行單檔電力線(xiàn)LiDAR點(diǎn)云分割，且對(duì)電力線(xiàn)根數(shù)、電力線(xiàn)類(lèi)型、電力線(xiàn)空間配置結(jié)構(gòu)、檔距長(zhǎng)度、點(diǎn)云不規(guī)則斷裂等因素不敏感。

(3) 提出了兩種基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的電力線(xiàn)三維重建模型，包括直線(xiàn)段與懸鏈線(xiàn)段相結(jié)合的模型(簡(jiǎn)稱(chēng)“模型1”)、直線(xiàn)段與拋物線(xiàn)段相結(jié)合的模型(簡(jiǎn)稱(chēng)“模型2”)。兩個(gè)模型的創(chuàng)新之處體現(xiàn)在兩者均使用了電力線(xiàn)LiDAR點(diǎn)水平坐標(biāo)進(jìn)一步投影到xy-平面上相應(yīng)的擬合直線(xiàn)產(chǎn)生的比例因子作為懸鏈線(xiàn)、拋物線(xiàn)方程的參數(shù)。試驗(yàn)表明，“模型2”具有最高的重建效率和最高的重建精度，且鉛垂面及鉛垂面上投影模型的選擇、誤差因素的考慮等3個(gè)因素對(duì)重建模型性能有著顯著的影響。

(4) 發(fā)展了一種基于分層隨機(jī)抽樣和電力線(xiàn)三維重建數(shù)學(xué)模型約束的單檔電力線(xiàn)LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)方法。利用直線(xiàn)段和懸鏈線(xiàn)段相結(jié)合的電力線(xiàn)三維數(shù)學(xué)模型描述了現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景中的電力線(xiàn)形態(tài)、并以此約束點(diǎn)云分層隨機(jī)抽樣的結(jié)果。試驗(yàn)表明，本文的聚類(lèi)方法具有對(duì)電力線(xiàn)根數(shù)、電力線(xiàn)類(lèi)型、電力線(xiàn)空間構(gòu)型、長(zhǎng)度、兩端電塔高差、點(diǎn)云不規(guī)則斷裂、粗差等因素不敏感的優(yōu)勢(shì)。

基于上述方法，建立了一套完整的基于架空輸電線(xiàn)走廊機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的電力線(xiàn)三維重建技術(shù)流程。首先，對(duì)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行面向?qū)ο蟮娜蔷W(wǎng)漸進(jìn)加密濾波和分類(lèi)；然后，基于電塔LiDAR點(diǎn)和初始線(xiàn)路軌跡數(shù)據(jù)提取精確的電塔位置、電塔數(shù)量、線(xiàn)路軌跡、總檔數(shù)等信息；接著，將線(xiàn)路分檔，確定每一檔的二維空間范圍和相應(yīng)的電力線(xiàn)LiDAR點(diǎn)云，并分別對(duì)其進(jìn)行基于分層隨機(jī)抽樣和電力線(xiàn)三維重建數(shù)學(xué)模型約束的單檔電力線(xiàn)LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)，將每一個(gè)電力導(dǎo)線(xiàn)LiDAR點(diǎn)劃分到相應(yīng)的根；最后，利用直線(xiàn)和拋物線(xiàn)相結(jié)合的模型進(jìn)行單檔單根電力線(xiàn)的三維重建。兩景試驗(yàn)表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、高精度、正確的重建長(zhǎng)距離架空輸電線(xiàn)走廊電力線(xiàn)三維模型，重建過(guò)程中具有對(duì)電力線(xiàn)數(shù)目、空間配置結(jié)構(gòu)、類(lèi)型、粗差點(diǎn)、檔距長(zhǎng)度、點(diǎn)云不規(guī)則斷裂等因素不敏感的優(yōu)勢(shì)。

Author：DUAN Minyan(1982—)，female，received her doctoral degree from Wuhan University on December 2015，majors in remote sensing information processing and extraction.

E-mail：duanmy@casm.ac.cn

3D Power Line Reconstruction from Airborne LiDAR Point Cloud

DUAN Minyan

Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China

段敏燕.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云電力線(xiàn)三維重建方法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(12)：1495.

10.11947/j.AGCS.2016.20160341. DUAN Minyan.3D Power Line Reconstruction from Airborne LiDAR Point Cloud[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(12):1495. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160341.

P208

D

1001-1595(2016)12-1495-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(41371405)；城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(2015102)

2016-07-05

段敏燕(1982—)，女，助理研究員，2015年12月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲理學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：張繼賢研究員)，研究方向?yàn)檫b感信息處理與提取。