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(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出，“十三五”期間我國將進(jìn)一步提高“西電東送”輸電通道、電網(wǎng)優(yōu)化、配電網(wǎng)升級(jí)改造和智能電網(wǎng)等建設(shè)規(guī)模，電網(wǎng)建設(shè)成為規(guī)劃熱點(diǎn)。對(duì)于今后如此規(guī)模的電網(wǎng)建設(shè)的需求與挑戰(zhàn)，如何科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、高效地完成電網(wǎng)站點(diǎn)規(guī)劃、電力線路優(yōu)化、電網(wǎng)安全管理及維護(hù)等工作，已成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

電網(wǎng)建設(shè)覆蓋區(qū)域廣闊，地理環(huán)境復(fù)雜，并對(duì)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性有著極高的要求，因此需要利用不受地理?xiàng)l件限制、能夠高效準(zhǔn)確獲取大范圍地表三維空間坐標(biāo)信息的測(cè)量方法，來實(shí)現(xiàn)其規(guī)劃建設(shè)與運(yùn)行管理工作。其中電力巡線是電網(wǎng)進(jìn)行日常維護(hù)管理的首要工作，同時(shí)輸電線路是否合理優(yōu)化布設(shè)也將對(duì)其安全運(yùn)行造成影響，因此電力巡線與電力選線工作的質(zhì)量效率將直接影響電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行管理效果[1]。

傳統(tǒng)的電力巡(選)線多采用人工測(cè)繪手段，其高強(qiáng)度、長周期等特點(diǎn)嚴(yán)重增加了工作成本，降低了工作效率；航測(cè)與遙感方法雖克服了人工測(cè)量方法的劣勢(shì)，但由于觀測(cè)精度不高，限制了其在電力工程方面的應(yīng)用。激光雷達(dá)技術(shù)(Light Detection and Ranging，LiDAR)利用從目標(biāo)場(chǎng)區(qū)直接、快速獲取的大量精確三維空間坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率航空數(shù)碼影像，通過數(shù)據(jù)處理和三維重建，將電網(wǎng)實(shí)際物理狀態(tài)以及周邊地形地物以三維形式表達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸電線路的智能選線、隱患排查、運(yùn)行管理等工作，為更加智能與高效的電網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。

鑒于機(jī)載LiDAR技術(shù)在電力巡(選)線方面所表現(xiàn)出的突出優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者及機(jī)構(gòu)相繼展開了研究。其中，如何更為充分合理地利用LiDAR數(shù)據(jù)，從中深度挖掘所包含的信息，是當(dāng)前機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域所面臨的一個(gè)主要問題，同時(shí)也是當(dāng)今學(xué)界的研究熱點(diǎn)。本文在介紹機(jī)載LiDAR基本知識(shí)及其在電力巡(選)線方面的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)圍繞其數(shù)據(jù)處理中點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)聚類及三維建模三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行論述分析，并對(duì)其在電力工程方面的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 LiDAR

1.1 LiDAR系統(tǒng)

LiDAR系統(tǒng)包含有可主動(dòng)發(fā)射激光脈沖信號(hào)的激光發(fā)射器，在發(fā)射信號(hào)的同時(shí)，利用全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取載體的實(shí)際空間位置[3]，借助慣性測(cè)量裝置(IMU)測(cè)定掃描裝置姿態(tài)參數(shù)，通過激光掃描儀(LS)測(cè)量載體與地面目標(biāo)點(diǎn)間的距離[4]，從而獲取地面目標(biāo)點(diǎn)三維信息、激光回波強(qiáng)度信息及數(shù)碼影像等多種空間信息[5]，并可快速生成數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)，為三維地理空間信息的研究提供豐富的數(shù)據(jù)來源[6]。

LiDAR系統(tǒng)按其搭載平臺(tái)的不同，可分為便攜、車載、機(jī)載以及星載LiDAR[7]。機(jī)載LiDAR可以直升機(jī)或無人機(jī)為搭載平臺(tái)，其數(shù)據(jù)采集手段更為靈活，相較于便攜和車載LiDAR其掃描場(chǎng)景范圍更大，獲取的三維空間信息更為豐富，并且比星載LiDAR具有更高的空間平面分辨率，因此在電力、交通、管線等多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 機(jī)載LiDAR技術(shù)

機(jī)載LiDAR搭載平臺(tái)多樣、飛行路線選擇靈活，主動(dòng)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)不易受到光照條件和氣象條件的影響，可快速、準(zhǔn)確、大量獲取地表三維空間信息以及強(qiáng)度信息、回波信息等多種數(shù)據(jù)信息，被廣泛應(yīng)用于城市三維可視化建模、森林資源調(diào)查、城市道路網(wǎng)的提取及電網(wǎng)巡(選)線等多個(gè)方面。尤其是在電力工程中，通過DSM和DEM的對(duì)比分析，便可了解電網(wǎng)周邊植被和構(gòu)(建)筑物的分布；利用DOM所包含的三維信息和色彩信息，可直觀了解真實(shí)的地形地貌情況；借助生成的三維場(chǎng)景圖，能直接高效地進(jìn)行場(chǎng)景三維觀看、查看斷面等操作，在室內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的優(yōu)化選線作業(yè)以及巡檢人員的電力巡線作業(yè)[4，8]，極大地降低了電網(wǎng)巡(選)線工作的強(qiáng)度和成本投入，提高了運(yùn)檢效率，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 在電力工程中的應(yīng)用

2.1 電力巡(選)線

隨著近些年高分辨?zhèn)鞲衅骱蜔o人飛行器的快速發(fā)展，利用機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行電力巡(選)線成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，其作業(yè)基本流程如圖1所示。國外對(duì)機(jī)載LiDAR技術(shù)的研究起步較早，技術(shù)也相對(duì)成熟，一些國家已建成較為完善的機(jī)載LiDAR電力選線、巡線系統(tǒng)，例如美國的Integrated Vegetation Management、PLS-CADD、TIMS系統(tǒng)，德國的FM-Profil、IHCM系統(tǒng)，以及葡萄牙的PLMI系統(tǒng)[9]，此外諸如德國GHA公司等已形成利用LiDAR技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)的完整作業(yè)流程，并取得了良好成效。

我國在利用機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行電力巡(選)線方面也展開了積極探索，并取得了一定的成效。廣西電力工業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)院利用機(jī)載LiDAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大新-南寧500 kV電力線路的優(yōu)化選擇，節(jié)約成本500余萬元；重慶超高壓電力局利用LiDAR技術(shù)建立了超高壓(特高壓)輸電線走廊三維可視化管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]；國網(wǎng)湖南省電力公司對(duì)“基于‘無人機(jī)+精準(zhǔn)激光三維數(shù)字模型’的地形復(fù)雜輸變電工程選址(線)技術(shù)”進(jìn)行了積極探索與研究。

利用機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行電力巡(選)線的研究，關(guān)鍵在于如何從海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速精確地識(shí)別出電力線數(shù)據(jù)集，并從中區(qū)分單根電力線點(diǎn)集，這也是機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理的主要目的，其中點(diǎn)云

圖1 機(jī)載LiDAR技術(shù)巡(選)線作業(yè)流程[10]

濾波、點(diǎn)云聚類以及三維重建是數(shù)據(jù)處理的三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 點(diǎn)云濾波

利用機(jī)載LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是掃描場(chǎng)景內(nèi)所有掃描點(diǎn)的集合，既包含地面點(diǎn)又包含非地面點(diǎn)，將非地面點(diǎn)進(jìn)行剔除進(jìn)而獲得數(shù)字地面模型(DTM)的過程即為濾波。目前，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了多種濾波方法，主要包括形態(tài)學(xué)濾波算法、移動(dòng)窗口濾波算法、迭代最小二乘濾波算法、基于地形坡度濾波算法、漸進(jìn)加密三角網(wǎng)濾波算法等幾種方法[11-12]。

對(duì)各種濾波方法進(jìn)行分析對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，原理簡單的濾波算法雖然可操作性強(qiáng)，但濾波精度不高；形態(tài)學(xué)濾波算法利用移動(dòng)窗口和規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，提高了運(yùn)算速率和濾波效果，但在內(nèi)插時(shí)造成重要信息的損失；移動(dòng)窗口濾波算法對(duì)復(fù)雜地形濾波效果較好，但自適應(yīng)性較差；迭代最小二乘濾波算法雖然濾波精度較高并可剔除粗差，但對(duì)于地形較為復(fù)雜地區(qū)的濾波效率和效果都不理想；基于地形坡度濾波算法能夠較好地保留地形傾斜特征，但濾波誤差較大、自適應(yīng)性較差；漸進(jìn)加密三角網(wǎng)濾波算法的濾波效果較好，但容易造成地面點(diǎn)的誤判，進(jìn)而影響濾波精度[11，13]。

經(jīng)典的與電力相關(guān)的LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件Terrasolid采用的就是漸進(jìn)加密三角網(wǎng)濾波方式，但因其濾波方式存在缺陷，相關(guān)學(xué)者提出了多種改進(jìn)方法。例如吳軍等[14]提出通過融合形態(tài)學(xué)灰度重建方法，于雙等[15]采用模糊C均值聚類方法來改善濾波效果，KANG X C等[16]提出通過多核并行計(jì)算來提高濾波效率，ZHU L C等[17]通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)形式、歐同庚等[18]利用建立格網(wǎng)索引等手段來改善分類精細(xì)程度。

2.3 點(diǎn)云聚類

通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波處理，只是將地面點(diǎn)與地物點(diǎn)進(jìn)行了分離，為了進(jìn)一步提取地物信息，需要對(duì)地物腳點(diǎn)進(jìn)行分類。目前，已有的相關(guān)聚類方法包括：Hough變換方法、3D連通成分分析方法、電力線模型生長與合并方法。Hough變換方法對(duì)于電力線存在垂直、混合以及交錯(cuò)排列的情況，尤其是當(dāng)多條電力導(dǎo)線垂直排列時(shí)，將無法分離單根電力線LiDAR點(diǎn)，難以滿足多種構(gòu)型的電力線點(diǎn)云聚類需求。模型生長與合并方法與3D連通成分分析方法均易受到粗差和LiDAR點(diǎn)云的不規(guī)則斷裂的影響。

為了克服現(xiàn)有的點(diǎn)云聚類方法的缺點(diǎn)，提高電力線LiDAR點(diǎn)的識(shí)別精度、自動(dòng)化程度和適用性，相關(guān)學(xué)者提出了多種改進(jìn)算法。例如林祥國等[19]提出融合分層隨機(jī)抽樣方法，段敏燕[20]采用特征空間k-means聚類方法，趙傳等[21]利用法向量密度聚類方法來提高LiDAR點(diǎn)云聚類效果，徐穎等[22]進(jìn)行了一體化聚類濾波方法的探究。

2.4 三維重建

電力線三維重建是機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)際上就是通過選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ偷男问?，?duì)電力線的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行擬合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的三維可視化表達(dá)。后續(xù)的研究主要集中在單檔電力線、單根電力線的確定以及選擇三維重建模型等幾個(gè)方面。電力線三維重建的精度將直接影響后續(xù)各項(xiàng)應(yīng)用的效果，因此三維重建的關(guān)鍵在于選取高精度的三維重建模型[23]。現(xiàn)行的多種電力線三維重建模型主要包括直線和懸鏈線結(jié)合的模型[24-26]、直線和拋物線結(jié)合的模型[27]、直線和二元多次多項(xiàng)式結(jié)合的模型[28]、多項(xiàng)式模型[29]等四種。

在這些電力線三維重建模型中，前三種模型通過兩個(gè)關(guān)聯(lián)部分分別表達(dá)電力線機(jī)載LiDAR點(diǎn)云在平面以及某一垂直于平面的鉛垂面上的投影點(diǎn)，被稱為“間接法”；后一種模型直接對(duì)電力線機(jī)載LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行三維表達(dá)，稱為“直接法”。無論是“間接法”或是“直接法”，所選模型必將影響重建精度，懸鏈線模型相較于拋物線方程，不僅模型參數(shù)的求解更為復(fù)雜，三維重建精度反而較低[30]。此外，選用“間接法”進(jìn)行三維重建時(shí)，鉛垂面的選擇也將影響重建精度，機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身的精度、復(fù)雜度和粗差均將影響三維重建精度[31-32]。

3 存在的問題

機(jī)載LiDAR技術(shù)相較于其他測(cè)量手段在電力工程方面的應(yīng)用，尤其是在電力巡(選)線上具有較大的優(yōu)勢(shì)。利用機(jī)載LiDAR技術(shù)可以高效率、高精度地完成電力線路的數(shù)據(jù)采集和三維建模工作，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的三維可視化管理。我國關(guān)于機(jī)載LiDAR技術(shù)在電力工程方面的應(yīng)用尚處于起步階段，尤其是關(guān)于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，雖然眾多學(xué)者已開展了積極的研究與探索，但目前仍存在一些問題，包括如何提高復(fù)雜地形區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波方法穩(wěn)健性，如何實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的濾波分類，對(duì)于不同空間構(gòu)型、不同復(fù)雜程度、存在不規(guī)則斷裂的電力線點(diǎn)云聚類方法的研究，如何優(yōu)化三維重建模型，提高三維重建精度等。

4 結(jié)語

利用機(jī)載LiDAR技術(shù)可以快速獲取地面三維信息，極大地減少了外業(yè)工作需求，海量LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)充分體現(xiàn)了地形地貌分布細(xì)節(jié)，尤其是提高了植被隱蔽區(qū)的觀測(cè)精度，生成的三維場(chǎng)景可進(jìn)行全線多視角觀察，為電網(wǎng)建設(shè)的勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化以及電網(wǎng)的三維可視化規(guī)劃管理創(chuàng)造了條件。雖然現(xiàn)階段機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理方法還不夠完善，設(shè)備成本相對(duì)高昂，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及方法的不斷改進(jìn)，機(jī)載LiDAR技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用將愈加廣泛。