基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的電力線自動(dòng)提取技術(shù)研究

胡茂林

摘 要:隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的大規(guī)模開展,對(duì)電網(wǎng)快速、高精度勘測(cè)、巡查和可視化管理提出了巨大的應(yīng)用需求。本文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,對(duì)基于LiDAR的電力線提取精度進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)定,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),滿足智能電網(wǎng)應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞:LiDAR數(shù)字電網(wǎng)點(diǎn)云濾波電力線提取

中圖分類號(hào):TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(c)-0012-02

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,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),本文介紹了基于LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)提取電力線的算法。

1 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,電力線可通過提取擬合得到,植被則采用濾波分析計(jì)算。

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),給電力線提取帶來困難。

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

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)云中分類出來。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,通?？刹捎没诟叱掏队胺指罘椒▽?duì)電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

(2)電力線初步提取(提取大致走向和重要節(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。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)。

(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。

(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 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TopSysFacon-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。

試驗(yàn)段電力線束截面直徑在40cm左右。通過側(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。

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以內(nèi),其偏差值在兩端較小,中間較大,呈單峰分布,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的線束來說,其半徑為20cm,因此,可認(rèn)為8cm的偏差對(duì)于半徑20cm的線束來說,其擬合效果足以滿足實(shí)際工程中的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

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。

(1)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)。

(2)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,單獨(dú)對(duì)興趣點(diǎn)云數(shù)據(jù)(一般指植被、樹木等)與電力線間的距離進(jìn)行量測(cè),根據(jù)樹木生長(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,避免其樹木生長(zhǎng)過高導(dǎo)致與輸電線路的碰觸危險(xiǎn)。

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