一種基于車載三維激光掃描技術(shù)的電桿傾斜巡查方法

摘 要：電桿傾斜角度是線路設(shè)計(jì)與運(yùn)維均需考慮的重要參數(shù)之一，便捷高效地實(shí)現(xiàn)電桿傾斜角度精確測量，對電桿傾斜巡查具有重要的應(yīng)用價(jià)值。鑒于現(xiàn)有測量方法的不足和車載三維激光掃描系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了基于車載三維激光掃描技術(shù)電桿傾斜角度測量的新方法。首先通過獲取的實(shí)景和點(diǎn)云融合數(shù)據(jù)，繪制俯視方向電桿頂和電桿底的圓形外輪廓線；然后通過兩種方法計(jì)算傾斜角度：1）測量桿頂圓心和桿底圓心之間的距離和電桿的長度； 2）測量兩個圓心的坐標(biāo)，并與全站儀測量結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果表明基于車載三維激光掃描技術(shù)能有效地實(shí)現(xiàn)電桿傾斜度快速巡查。

關(guān)鍵詞：車載移動測量系統(tǒng)；三維激光掃描系統(tǒng)；傾斜巡查；極坐標(biāo)測量；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

中圖分類號：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

在架空電力線路布線的過程中，電桿是必不可少的部件，它有著覆蓋范圍廣、安全可靠性程度要求高等特點(diǎn)，但電桿易受環(huán)境、氣候等自然因素和外力撞桿、建筑施工等人為因素的影響，導(dǎo)致電桿變形或傾斜。電桿的傾斜易造成倒桿等安全隱患，特別是在人口密集區(qū)域、重要的交叉跨越處的線路電桿一旦發(fā)生倒桿，造成的后果十分嚴(yán)重[1]。如何高精度、高效率地實(shí)現(xiàn)電桿傾斜度測量是電力部門非常關(guān)心的問題。

目前，電桿傾斜度測量方法主要有鉛錘測量法、經(jīng)緯（全站）儀測量法以及平面鏡測量法，其中，鉛垂線測量法需要工作人員登桿作業(yè)，存在作業(yè)量大并且風(fēng)險(xiǎn)高、效率低等不足；經(jīng)緯（全站）儀測量方法是當(dāng)前電桿傾斜常用的測量方法，該方法操作復(fù)雜，且對觀測點(diǎn)有一定的要求；平面鏡測量法雖在一定程度上克服了對測量地形的限制但現(xiàn)場操作過于繁瑣、測量精度較低[2]?？梢?，采取一種高效率、高精度的電桿傾斜角度測量新方法是很有必要的。

近年來，隨著空間信息獲取技術(shù)的不斷發(fā)展，激光掃描技術(shù)在城市三維數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用越來越廣泛，車載三維激光掃描技術(shù)，一種集成激光掃描儀、CCD數(shù)碼相機(jī)、IMU、GPS等硬件設(shè)備多傳感器測量單元，以車輛為搭載平臺，車輛在高速行駛狀態(tài)下，實(shí)時獲取道路及道路兩側(cè)的建筑物、樹木及電桿等街景地物的空間數(shù)據(jù)，具有短周期、高精度、高分辨率及實(shí)時三維空間數(shù)據(jù)采集等特點(diǎn)。因此，廣泛應(yīng)用于城市勘測、智慧交通、礦山測量、應(yīng)急救災(zāi)及文化遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域。本文提出了一種基于車載三維激光掃描技術(shù)的電桿傾斜角度測量的新方法，首先通過獲取的實(shí)景和點(diǎn)云融合數(shù)據(jù)，繪制俯視方向電桿頂和電桿底的圓形外輪廓線；然后測量桿頂圓心和桿底圓心之間的距離和電桿的長度計(jì)算傾斜角度，或者分別測量兩個圓心的坐標(biāo)從而計(jì)算電桿傾斜角度。

1 車載三維激光掃描系統(tǒng)簡介

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描為新型空間信息獲取技術(shù)，它提供了一種方便、快捷、高效的三維數(shù)據(jù)獲取手段[3]，根據(jù)發(fā)射的激光反射信號及其脈沖信號，利用兩者的時間差，計(jì)算出采樣點(diǎn)的空間距離S，再根據(jù)精密時鐘測量每個激光脈沖橫向掃描角度值α和縱向掃描角度值θ，如圖1所示，得到每個采樣點(diǎn)的坐標(biāo)[4]，計(jì)算公式如下：

三維激光掃描的測距方式主要有脈沖式測距和相位式測距兩種，本文的車載三維激光掃描系統(tǒng)采用脈沖式測距方式，脈沖式測距通過掃描控制模塊控制掃描頭中的兩個同步反射鏡的旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射器所發(fā)出的激光脈沖依次對目標(biāo)物進(jìn)行掃描，距離測量模塊可計(jì)算出每個激光脈沖從發(fā)射器端口到目標(biāo)物體再返回至發(fā)射器端口的時間間隔t，光速為c，則距離為S，計(jì)算公式如下，從而計(jì)算出目標(biāo)物體上點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)[1]。

相位式測距是通過激光器對北側(cè)目標(biāo)發(fā)射一個正弦調(diào)制的光信號，接收目標(biāo)反射回的光信號，通過測量發(fā)射光信號和接收光信號之間的相位差Δφ，獲得往返信號的時間間隔，從而計(jì)算出到目標(biāo)物體上點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)[5]。

1.2 系統(tǒng)的組成

本文利用中海達(dá)iScan一體化移動三維測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三維激光掃描設(shè)備（SCANNER）、衛(wèi)星定位模塊（GNSS）、慣性導(dǎo)航裝置（IMU）、里程計(jì)、360°全景相機(jī)、總成控制模塊和高性能計(jì)算機(jī)。將多個測量傳感器封裝到一個平臺上，具有堅(jiān)固穩(wěn)定、免標(biāo)定、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。同時，系統(tǒng)配備數(shù)據(jù)加工處理軟件，在載體移動過程中，不僅能快速獲取高精度定位測姿數(shù)據(jù)、高密度三維點(diǎn)云和高清連續(xù)全景影像數(shù)據(jù)，而且還可以使用配套數(shù)據(jù)處理軟件快速獲取信息[6]。

2 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程如圖2所示，包括外業(yè)采集規(guī)劃與準(zhǔn)備，iScan外業(yè)采集，原始數(shù)據(jù)處理，點(diǎn)云數(shù)字測圖，測圖成果輸出。

2.1 外業(yè)采集規(guī)劃與準(zhǔn)備

首先，需要根據(jù)數(shù)據(jù)采集區(qū)域的實(shí)際情況，對要采集的路線及采集過程中人員各自的工作內(nèi)容等進(jìn)行規(guī)劃，以保證數(shù)據(jù)采集精度和作業(yè)效率等要求；其次，iScan設(shè)備的安裝，硬件主要由基站、iScan、高清全景相機(jī)以及車輪編碼器四部分組成。

2.2 iScan外業(yè)采集

由同步控制系統(tǒng)觸發(fā)脈沖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集，一體化三維移動測量系統(tǒng)操控軟件提供對GPS、IMU、激光器、里程計(jì)、全景相機(jī)的啟動、運(yùn)行或停止等狀態(tài)的操控和參數(shù)設(shè)置，并可實(shí)時顯示各傳感器的狀態(tài)和獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，車輛是以一個相對恒定的速度行駛，三維激光掃描儀和全景相機(jī)以一定的采樣頻率對目標(biāo)物體進(jìn)行掃描和拍照。

3 原始數(shù)據(jù)處理

3.1 POS解算及融合解算

首先，針對POS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，主要將動態(tài)GPS數(shù)據(jù)、攝影姿態(tài)數(shù)據(jù)與地面基站靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合計(jì)算處理，從而提高動態(tài)GPS數(shù)據(jù)精度，并通過GPS與IMU的相互解算，將定位測姿精度控制在測量誤差允許范圍內(nèi)。其次，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合解算，使用配套軟件HDDztaCombine，將iScan車載三維激光掃描系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，自動生成格式為hls或las或xyz格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。

3.2 全景拼接及數(shù)據(jù)預(yù)處理

全景拼接，使用系統(tǒng)配套軟件HDPanoFactory，將由全景相機(jī)拍攝的原始影像拼接成一張360°全景影像。數(shù)據(jù)預(yù)處理，使用系統(tǒng)配套軟件HD_3LS_SCENE包括以下特點(diǎn)：1）支持全景影像和激光點(diǎn)云的配準(zhǔn)；2）提供多種方式的掃描過濾；3）提供智能的點(diǎn)云分類算法；4）采用多種點(diǎn)云渲染方式；5）支持多種點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)出等[4]。

4 試驗(yàn)及分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)區(qū)域位于昆明市虹山東路，北至學(xué)府路，南至滇緬大道，全長約1.3 km。車載三維激光掃描系統(tǒng)沿該路段行駛，采集路面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中包括路燈、電桿、植被和建筑物等，通過數(shù)據(jù)解算、融合、拼接及預(yù)處理，得到結(jié)果如圖3、圖4所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用車載三維激光掃描系統(tǒng)經(jīng)過外業(yè)的采集和原始數(shù)據(jù)的處理得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過HD_3LS_SCENE軟件和AutoCAD軟件聯(lián)動繪圖方式，將三維空間圓上的坐標(biāo)信息投影到基準(zhǔn)平面上[7]，根據(jù)三維點(diǎn)云繪制電桿頂和電桿底的圓形外輪廓，其圖形在AutoCAD中同步生成，如圖5、圖6所示，同時，HD_3LS_SCENE軟件可對點(diǎn)云圖進(jìn)行各類測量，例如距離、面積及坐標(biāo)信息，如圖7、圖8所示。

4.2.1 方法1

如圖9所示，由測量的圓心間距d和電桿長度S，則電桿與水平方向夾角為θ，傾斜角度為90°-θ，如表1所示，計(jì)算公式如下：

4.2.2 方法2

如圖9所示，由測量的桿底圓心坐標(biāo)（X1，Y1，Z1）和桿頂圓心坐標(biāo)（X2，Y2，Z2），如表2所示，計(jì)算出電桿長度S和高差ΔZ，則電桿與水平方向夾角為θ，傾斜角度為90°-θ，如表3所示，計(jì)算公式如下：

4.3 對比試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖10所示，為了驗(yàn)證基于車載三維激光掃描技術(shù)電桿傾斜角度測量方法的正確性和可靠性，使用NTS-362R型全站儀對電桿傾斜度實(shí)地測量，通過測量D1、T1、D2、T2四個點(diǎn)的相對位置信息，從而計(jì)算D1-T1、D2-T2和水平方向的夾角分別為θ1和θ2，如表4所示，電桿的夾角為θ-，傾斜角度分別為90°-θ-，如表5所示，計(jì)算公式如下。

通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取并計(jì)算，結(jié)果如表6所示，方法1通過測量電桿長度以及桿頂和桿底圓心間距計(jì)算電桿傾斜角度，與全站儀測量結(jié)果對比，結(jié)果相近；方法2通過測量桿頂和桿底的圓心坐標(biāo)計(jì)算電桿傾斜角度，與全站儀測量結(jié)果對比，結(jié)果相近，這兩種方法基本上能達(dá)到令人滿意的結(jié)果。

5 結(jié)論

針對目前電桿傾斜巡查過程中，傾斜角度測量效率低、作業(yè)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，本文提出基于車載三維激光掃描技術(shù)的電桿傾斜巡查方法，采用中海達(dá)iScan一體化移動三維測量系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的提取和測量，與全站儀測量結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果相近，表明基于車載三維激光掃描技術(shù)能切實(shí)有效地實(shí)現(xiàn)電桿傾斜快速巡查。但是，由于根據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制電桿頂和底的圓形外輪廓，存在人為主觀視覺因素，存在一定的誤差。在以后的研究中結(jié)合視覺顯著性特征通過機(jī)器自動提取桿頂和桿底的圓形外輪廓，達(dá)到更好的試驗(yàn)效果。基于車載三維激光掃描技術(shù)的電桿傾斜巡查方法作為一種高效的、全新的測量方法值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈小軍， 杜勇， 王仁德，等. 基于地面激光雷達(dá)的輸電線路鐵塔傾斜度測量[J]. 電子測量與儀器學(xué)報(bào)， 2017， 31（4）：516-521.

[2]李云霓， 杜勇， 沈小軍，等. 幾種輸電線路桿塔傾斜度測量方法的比較[J]. 湖北電力， 2014（10）：55-57.

[3]王永波， 盛業(yè)華. 基于三維激光掃描技術(shù)的超高壓輸電線路巡線技術(shù)研究[J]. 測繪科學(xué)， 2011， 36（5）：60-61.

[4]徐進(jìn)軍， 張毅， 王海成. 基于地面三維激光掃描技術(shù)的路面測量與數(shù)據(jù)處理[J]. 測繪通報(bào)， 2011（11）：34-36.

[5]黃小川， 鄭慧. 地面三維激光雷達(dá)點(diǎn)云誤差分析及校正方法[J]. 地理空間信息， 2009， 7（5）：95-97.

[6]翁國康， 楊晶， 陳力，等. 中海達(dá)一體化三維移動測量系統(tǒng)iScan[J]. 測繪通報(bào)， 2013（4）：119-120.

[7]林翔， 江速勇， 陳柏良，等. 三維空間圓度誤差高精度評定算法與編程[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012， 29（6）：50-54.

（責(zé)任編輯：曾 晶）