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        基于三維重構(gòu)數(shù)據(jù)的輸電線路通道智能清理

        2021-11-09 08:27:02陳正宇
        山西電力 2021年5期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)偏激光雷達(dá)輪廓

        陳 杰,陳正宇

        (中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 南京211102)

        0 引言

        隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,我國(guó)輸電走廊、輸電線路輸送容量越來(lái)越大,輸送距離越來(lái)越長(zhǎng),使輸電走廊通道日益緊張。輸電走廊通道對(duì)路徑合理性、可行性、工程投資和建設(shè)進(jìn)度有較大影響,妥善處理通道清理對(duì)工程建設(shè)至關(guān)重要。基于重構(gòu)數(shù)據(jù)的通道清理創(chuàng)新統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)通道內(nèi)房屋、林木進(jìn)行識(shí)別和單體化建模,根據(jù)通道清理原則繪制控制范圍面,自動(dòng)選取需處理的房屋或林木信息,大幅度地提高了工作效率。

        1 基于點(diǎn)云的房屋拆遷量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)與林木智能調(diào)查

        通過(guò)點(diǎn)云濾波獲得對(duì)應(yīng)的建筑物分類點(diǎn)云,采用隨機(jī)抽樣一致性RANSAC(random sample consensus)算法自動(dòng)提取房屋頂面,基于Delaunay三角網(wǎng)提取房屋的頂面輪廓,采用強(qiáng)制正交最小二乘法進(jìn)行房屋頂面輪廓的規(guī)則化,獲得單層房屋的面積;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定高度閾值自動(dòng)判定房屋的樓層,從而獲得房屋的面積;自動(dòng)計(jì)算輸電線路與房屋角點(diǎn)的最近偏距,完成房屋拆遷的判定,從而實(shí)現(xiàn)滿足初步設(shè)計(jì)要求的房屋拆遷量自動(dòng)統(tǒng)計(jì);利用激光雷達(dá)多回波的特性,采用面向單木提取的激光點(diǎn)云分割算法智能獲取輸電線路設(shè)計(jì)關(guān)心的高聳林木的密度、行距、株距、胸徑等信息,自動(dòng)完成林木信息的統(tǒng)計(jì)調(diào)查;通過(guò)輸電線路房屋拆遷量、林木信息等工作的自動(dòng)統(tǒng)計(jì),為輸電線路路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

        1.1 房屋面積統(tǒng)計(jì)

        根據(jù)地物特征設(shè)置不同的特征參數(shù),預(yù)先對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行分類,并通過(guò)人工編輯得到分類成果。在對(duì)水系、電力線、道路分類時(shí),仍需要人工借助影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀實(shí)現(xiàn)分類。

        在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理中,已經(jīng)將房屋點(diǎn)云提取出來(lái),而要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)面積計(jì)算統(tǒng)計(jì),就需要提取房屋頂面輪廓和獲取房屋的高度這兩項(xiàng)重要信息。本文提出的基于RANSAC的建筑物頂面提取方法是一種穩(wěn)健的模型參數(shù)估計(jì)算法,它根據(jù)一組含有異常數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集,計(jì)算出數(shù)據(jù)的模型參數(shù),得到有效樣本數(shù)據(jù)。RANSAC算法的基本思想如下[1]。

        a)考慮1個(gè)最小抽樣集的勢(shì)為n的模型(n為初始化模型參數(shù)所需的最小樣本數(shù))和1個(gè)樣本集P,P的樣本數(shù)num(P)>n,從P中隨機(jī)抽取包含n個(gè)樣本的P的子集S初始化模型M。

        b)余集CpS=PS中與模型M的誤差小于某一設(shè)定閾值t的樣本集以及S本身構(gòu)成S*。S*認(rèn)為是模型M的內(nèi)點(diǎn)集,它們構(gòu)成S的一致集。

        c)若num(S*)≥N(其中N表示正確模型所含一致集的最小個(gè)數(shù)),認(rèn)為得到正確的模型參數(shù),并利用集S*(內(nèi)點(diǎn))采用最小二乘等方法重新計(jì)算新的模型M*,重新隨機(jī)抽取新的S,重復(fù)以上過(guò)程。

        d)在完成一定的抽樣次數(shù)后,若未找到一致集則算法失敗,否則選取抽樣后得到的最大一致集判斷內(nèi)外點(diǎn),算法結(jié)束。

        RANSAC算法具有效率高、運(yùn)算快并且計(jì)算精度高的特點(diǎn)[2]。因此,本課題利用RANSAC算法提取房屋頂面的三維模型。實(shí)驗(yàn)表明,RANSAC擁有強(qiáng)大的抗噪聲能力,能夠?qū)崿F(xiàn)良好的房屋頂面提取效果。

        在提取房屋頂面之后,需進(jìn)一步進(jìn)行建模分析處理,必須從離散的點(diǎn)云中提取建筑物的頂面輪廓。本課題首先基于Delaunay三角網(wǎng)提取房屋的頂面輪廓,再基于強(qiáng)制正交最小二乘法進(jìn)行房屋頂面輪廓的規(guī)則化[3]。圖1為建筑物輪廓規(guī)則化流程圖。實(shí)驗(yàn)獲取的房屋頂面輪廓經(jīng)過(guò)實(shí)地驗(yàn)證,精度優(yōu)于點(diǎn)云的平均間隔距離,達(dá)到了“亞像元”的精度。

        圖1 建筑物輪廓規(guī)則化流程

        獲取了建筑物頂面輪廓,再與RANSAC提取的空間三維平面結(jié)合,即可構(gòu)建房屋頂面的空間三維模型。得到矢量化后的單體房屋模型后,再利用無(wú)人機(jī)生成的數(shù)字高程模型DEM(digital elevation model)和數(shù)字表面模型DSM(digital surface model),經(jīng)過(guò)空間差值運(yùn)算,生成歸一化數(shù)字表面模型NDSM(normalized digital surface model)[4],以判斷房屋的高度,從而估計(jì)房屋的面積。將層數(shù)的屬性值賦予每一個(gè)房屋的面,從而可以自動(dòng)計(jì)算出房屋面積。接下來(lái)進(jìn)一步對(duì)線路通道內(nèi)房屋的總面積進(jìn)行估計(jì),就可為房屋拆遷面積統(tǒng)計(jì)提供可靠支撐。

        對(duì)線路路徑做拆遷范圍之內(nèi)的緩沖區(qū)分析,將緩沖區(qū)(拆遷范圍)與房屋矢量做空間計(jì)算,統(tǒng)計(jì)與緩沖區(qū)相交的房屋面積,全部相交求和即為輸電線路全路徑的房屋拆遷預(yù)估量。

        經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)估算的線路房屋拆遷量與實(shí)地測(cè)量得到的拆遷量相比,兩者相差不大,僅相差7.5%,滿足對(duì)于成本計(jì)算的要求。由此證明,基于激光雷達(dá)的分類精度和統(tǒng)計(jì)方法是十分高效和精確的,具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

        兵馬未動(dòng)糧草先行。云南電網(wǎng)提前建立應(yīng)急物資儲(chǔ)備臺(tái)賬,明確應(yīng)急物資儲(chǔ)備地點(diǎn)并梳理了應(yīng)急物資需求,并連夜從普洱運(yùn)送移動(dòng)變電站支援。金沙江沿江各供電所、變電站、生產(chǎn)駐點(diǎn)已做好值班值守工作,梳理檢查維護(hù)發(fā)電裝備,清理應(yīng)急搶險(xiǎn)物資,準(zhǔn)備低壓供電套裝,應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍進(jìn)入待命狀態(tài)。

        1.2 林木砍伐統(tǒng)計(jì)

        考慮到輸電線路工程的政策處理成本和施工成本,輸電線路穿越林區(qū)時(shí),需要評(píng)估被穿越林區(qū)的面積和體積。采用激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù),通過(guò)發(fā)射并搜集激光點(diǎn)云,可獲取林區(qū)的樹(shù)高和樹(shù)冠等集合特征后合成林地空間結(jié)構(gòu)初步模型,也可判別樹(shù)木種類、林分結(jié)構(gòu)參數(shù),如胸徑、樹(shù)木干枝結(jié)構(gòu)、孔隙度、LAI、葉面積密度、冠層高度輪廓等,最后估算出輸電線路勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工與后期運(yùn)行中的林地?fù)p失。另外,可以用專業(yè)軟件對(duì)林區(qū)內(nèi)樹(shù)木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)單木分割法來(lái)提取單木結(jié)構(gòu)信息,從激光雷達(dá)點(diǎn)云中識(shí)別樹(shù)冠頂點(diǎn)、樹(shù)冠邊界、位置等屬性。

        林分結(jié)構(gòu)信息提取常采用高度分布法,即從點(diǎn)云中直接計(jì)算高度分位數(shù)、回波指數(shù)等點(diǎn)云特征量,或者按照指定的高度間隔生成頻率或強(qiáng)度合成波形,計(jì)算波形分位數(shù)、波形前沿、波形后沿等波形特征量,根據(jù)點(diǎn)云特征量、波形特征量與地面測(cè)量值之間的關(guān)系,估測(cè)森林結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)于高郁閉度區(qū)域,使用SLAM獲取點(diǎn)云提取林下地形精度可達(dá)厘米級(jí)。

        依據(jù)《110~750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50545—2010),結(jié)合環(huán)保要求以及沿線線路通道工作經(jīng)驗(yàn),林木砍伐主要控制因素如下。

        a)跨越林區(qū)時(shí),導(dǎo)線與樹(shù)木(考慮自然生長(zhǎng)高度)之間的垂直距離不小于7 m;導(dǎo)線與果樹(shù)、經(jīng)濟(jì)作物、城市綠化灌木以及街道行道樹(shù)木之間的垂直距離不應(yīng)小于7 m。

        b)線路通過(guò)公園、綠化區(qū)或防護(hù)林帶,導(dǎo)線與樹(shù)木之間的凈空距離在最大計(jì)算風(fēng)偏情況下不小于7 m。

        對(duì)于林木砍伐設(shè)計(jì),需考慮導(dǎo)線對(duì)林木垂直距離和風(fēng)偏凈距兩個(gè)因素。在常規(guī)二維平面下,林木的垂直凈距較易計(jì)算,但是風(fēng)偏后的凈距受弧垂變化、風(fēng)偏后地面高程變化等信息影響,設(shè)計(jì)深度也很難滿足。對(duì)于平地線路,由于其地面高程基本不變,通過(guò)計(jì)算導(dǎo)線檔中弧垂,輔以風(fēng)偏角度,生成紡錘狀的控制范圍,可基本滿足設(shè)計(jì)深度要求。但對(duì)于山區(qū)線路,其四周地面高程不斷變化,風(fēng)偏凈距控制的林木砍伐范圍基本無(wú)規(guī)律可言,僅能通過(guò)大量采集風(fēng)偏危險(xiǎn)點(diǎn)生成風(fēng)偏斷面,再人為判斷砍伐范圍,效率低下,準(zhǔn)確度較低。

        依據(jù)林木砍伐原則,計(jì)算垂直距離和風(fēng)偏凈距情況下的砍伐控制面??紤]導(dǎo)線實(shí)際位置和最大風(fēng)偏位置,以此畫(huà)一個(gè)距導(dǎo)線7 m的弧(砍樹(shù)線),對(duì)地面樹(shù)木以地面高程為準(zhǔn),向上平移樹(shù)木自然生長(zhǎng)高度,當(dāng)其高于砍樹(shù)線時(shí),則為需要砍伐的范圍。

        根據(jù)樹(shù)木信息,結(jié)合各地制定的樹(shù)木自然生長(zhǎng)高度數(shù)值,自動(dòng)生成林木自然生長(zhǎng)高度面。根據(jù)三維排位成果,生成導(dǎo)線靜止和風(fēng)偏情況下的砍伐控制面,而后計(jì)算砍伐控制面與自然生長(zhǎng)高度面的重合區(qū)段,對(duì)需砍伐的單木信息進(jìn)行標(biāo)記。根據(jù)樹(shù)木標(biāo)記結(jié)果,平地段可生成紡錘狀的林木砍伐一覽圖,山區(qū)段可生成實(shí)際林木砍伐一覽圖。

        根據(jù)激光點(diǎn)云的單木分割數(shù)據(jù),自動(dòng)統(tǒng)計(jì)位置、高度、冠幅、樹(shù)冠面積和樹(shù)冠體積等信息,通過(guò)對(duì)砍伐區(qū)域的空間計(jì)算,可以智能化地統(tǒng)計(jì)線路中的樹(shù)木砍伐量。

        2 幾種通道清理方法的對(duì)比

        幾種通道清理的測(cè)量技術(shù)方案對(duì)比情況如表1所示。

        表1 各測(cè)量技術(shù)方案比較表

        由表1可知,常規(guī)測(cè)量技術(shù)雖然成本較低,但其房屋、林木需要人工提取,精度也不高。傾斜攝影和激光雷達(dá)技術(shù)數(shù)據(jù)精度高,可自動(dòng)識(shí)別通道中房屋及林木,尤其是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可識(shí)別單棵樹(shù)木,具有更高精確度。對(duì)于通道清理,可研階段可以采用常規(guī)的測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)量估算,而施工圖階段則應(yīng)在常規(guī)測(cè)量方法基礎(chǔ)上配合外業(yè)數(shù)據(jù),或采用傾斜攝影或激光雷達(dá)技術(shù)。因此,三維通道清理系統(tǒng)主要基于三維重構(gòu)數(shù)據(jù)。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        傳統(tǒng)的通道清理工作模式人工參與多、效率低、易出錯(cuò)。本文通過(guò)創(chuàng)新的三維通道清理模式,對(duì)通道內(nèi)房屋、林木進(jìn)行識(shí)別建模,結(jié)合已排位路徑,根據(jù)通道清理原則繪制控制范圍面,并計(jì)算重疊面,達(dá)到自動(dòng)化、智能化統(tǒng)計(jì)的效果。

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