地面激光三維掃描技術(shù)在特高壓線路工程中的應(yīng)用研究

任立華 ，康 勇 ，劉永寬 ，劉安濤 ，

（1.中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司滄州供電分公司，河北 滄州 061000）

0 引言

地面三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新技術(shù)，又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是一種建立在測(cè)量學(xué)科、儀器光電子學(xué)科、圖形圖像處理等多種學(xué)科基礎(chǔ)上的綜合性技術(shù)[1-3]。目前，我國(guó)特高壓線路正處于建設(shè)高峰期，對(duì)于輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高，而三維激光掃描技術(shù)能很好地應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。三維激光掃描技術(shù)可獲取線路走廊的影像及點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包括高精度數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）以及建（構(gòu)） 筑物和植被等形態(tài)高度信息，滿足路徑優(yōu)化、平斷面測(cè)繪、數(shù)字三維平臺(tái)建立、三維可視化管理、施工驗(yàn)收及運(yùn)維檢修等輸電線路相關(guān)工作要求，與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，在質(zhì)量、管理、效率等方面都得到很大的提高。

1 地面三維激光掃描技術(shù)原理與特點(diǎn)

地面三維激光掃描技術(shù)核心是高性能的激光測(cè)距儀，利用激光測(cè)距的原理，一次性獲取成千上萬(wàn)個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的距離值，并利用其他輔助測(cè)量設(shè)備確定發(fā)射點(diǎn)的位置和姿態(tài)，進(jìn)而獲取目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，構(gòu)建高精度、高分辨率的地表模型及真實(shí)三維建模。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)了面體測(cè)量的技術(shù)革命。

地面三維激光掃描技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：第一，掃描速度快，可達(dá)每秒幾十萬(wàn)測(cè)點(diǎn)；第二，掃描精度高，可達(dá)到毫米級(jí)；第三，使用紅外激光，無(wú)需燈光照明，可在黑暗條件下獲取影像及坐標(biāo)信息；第四，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量到面、體式測(cè)量的測(cè)繪革命；第五，快速獲取空間三維數(shù)字化信息，方便三維建模，實(shí)現(xiàn)物體的三維測(cè)量、模擬和分析。

2 地面三維激光掃描技術(shù)作業(yè)方案的實(shí)施

地面三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距原理獲得真三維幾何結(jié)構(gòu)形狀的表面三維信息。外業(yè)掃描測(cè)量時(shí)，選擇合適的掃描架站位置尤為重要。掃描架站選擇的原則為架站點(diǎn)應(yīng)空曠，地物盡量單一，易于獲取地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描角度范圍可根據(jù)物體高度和距離而設(shè)定，控制反射棱鏡勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；盡量用最少架站數(shù)、最少的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量實(shí)現(xiàn)物體的點(diǎn)云掃描，減少多余噪聲數(shù)據(jù)。具體作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描儀作業(yè)流程圖

2.1 確定掃描計(jì)劃

外業(yè)掃描前，先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況制訂詳細(xì)的掃描計(jì)劃，確定恰當(dāng)?shù)牟蓸用芏?，確定掃描角度；根據(jù)掃描儀的測(cè)程特點(diǎn)，選擇合理的物體掃描距離和架站位置等；盡量用最少的掃描站數(shù)保證被掃描場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整。

2.2 點(diǎn)云外業(yè)掃描

按照掃描計(jì)劃，在預(yù)設(shè)的架站位置架設(shè)儀器。首先新建一個(gè)掃描項(xiàng)目文件，把預(yù)設(shè)的參數(shù)輸入掃描儀中，根據(jù)效果進(jìn)行調(diào)整；然后依次獲取三維場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)；掃描結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)分析采集到的數(shù)據(jù)是否符合要求，進(jìn)行初步的質(zhì)量分析和控制。若發(fā)現(xiàn)有漏洞，應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)測(cè)掃描工作，保證三維場(chǎng)景的完整性和一致性。

2.3 點(diǎn)云內(nèi)業(yè)處理

2.3.1 點(diǎn)云拼接

所謂點(diǎn)云拼接，就是將不同坐標(biāo)系下的多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下[4]。常用的點(diǎn)云拼接方法有標(biāo)靶拼接、特征點(diǎn)拼接及控制點(diǎn)拼接3 種?；蚋鶕?jù)標(biāo)靶、或根據(jù)特征點(diǎn)、或根據(jù)控制點(diǎn)，利用多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的重疊公共點(diǎn)云，進(jìn)行點(diǎn)云整體糾正，完成多站點(diǎn)云的匹配拼接。

2.3.2 點(diǎn)云濾波

由于各種原因，三維掃描儀獲取的數(shù)據(jù)可能存在噪聲點(diǎn)，這主要是由掃描系統(tǒng)本身的誤差、外界引起的偶然誤差或掃描對(duì)象表面因素產(chǎn)生的誤差等造成的。目前，點(diǎn)云濾波常用的方法為高斯濾波、中值濾波、平均濾波、魯棒濾波、雙邊濾波等算法或是在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)算法。

2.3.3 點(diǎn)云分類

三維激光掃描儀能獲取地面、樹(shù)木、房屋、架空管線等多種類別點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云分類主要基于點(diǎn)云高程突變或反射率值等進(jìn)行，根據(jù)高程變化、坡度變化、分布形狀等特征來(lái)判斷分類。對(duì)于形狀規(guī)則、空間特征明顯的地物，可通過(guò)參數(shù)設(shè)置，利用軟件自動(dòng)提取分類，如建筑物、電力塔等；也可利用基于反射強(qiáng)度、回波次數(shù)、地物形狀等的算法或算法組合，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互方式輔助分類或自動(dòng)分類。

2.3.4 模型建立

在點(diǎn)云建模過(guò)程中，點(diǎn)云分割是模型構(gòu)建方面的熱點(diǎn)，目前主要有基于邊界的分割、基于表面的分割、基于掃描線的分割3 種方法[5]。通常使用平面、自由曲面、球面、圓柱面等幾何面進(jìn)行劃分，根據(jù)需要把點(diǎn)云分割成不同的集合，以進(jìn)行線性擬合、曲線擬合等模型構(gòu)建。可采用Cyclone 軟件，采用區(qū)域增長(zhǎng)算法分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)，或根據(jù)模型庫(kù)的組件進(jìn)行自動(dòng)分割，完成曲面擬合，建立目標(biāo)物的表面模型。

對(duì)曲率變化大的復(fù)雜點(diǎn)云實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，即使專業(yè)軟件處理也很困難，導(dǎo)致曲面數(shù)學(xué)模型和處理算法難以整體建立，無(wú)法準(zhǔn)確、真實(shí)地表達(dá)精細(xì)的整體點(diǎn)云實(shí)體。針對(duì)復(fù)雜三維建模，可采用“先分割再拼接”的思路，最后進(jìn)行整體匹配恢復(fù)原始實(shí)體的形狀[6-7]。

2.4 三維模型立體量測(cè)

在點(diǎn)云三維模型中，通過(guò)構(gòu)建輔助線、輔助面等手段，準(zhǔn)確獲取待求信息，包括導(dǎo)線對(duì)地、房屋、道路、電力線等跨越物的安全距離，鐵塔與線路元件間的安全距離等，實(shí)現(xiàn)線路路徑最優(yōu)化，為線路施工檢查驗(yàn)收和運(yùn)維提供準(zhǔn)確的信息，為后續(xù)解決方案提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3 地面三維激光掃描技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

在準(zhǔn)東—華東±1 100 kV 特高壓直流輸電工程中，河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院利用地面三維激光掃描儀ScanStation P40，以100 萬(wàn)個(gè)/s 激光點(diǎn)的采集速度，對(duì)工程重要區(qū)段進(jìn)行三維激光掃描測(cè)量，實(shí)現(xiàn)線路場(chǎng)景真三維可視化。工程主要對(duì)京廣高鐵、滬陜高速、京廣鐵路、500 kV 浉河—嵖岈線路、重要擋間樹(shù)木等進(jìn)行了掃描測(cè)量，構(gòu)建了地物真實(shí)三維模型。后期項(xiàng)目投運(yùn)前，對(duì)鐵塔進(jìn)行安全距離檢查，包括耐張串下傾角度，跳線均壓環(huán)距耐張串三角聯(lián)板最小空間距離，軟跳線平弧垂，跳線對(duì)塔身最小空間距離等的測(cè)量。

3.1 交叉跨越測(cè)量

地面激光掃描技術(shù)在計(jì)算架空線路等交叉跨越高度、距離方面有著天然的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)已建電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，可獲取該線路的平面位置、導(dǎo)線高度、地線高度、桿塔塔型等信息，并在此基礎(chǔ)上，按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)其賦予屬性，提高勘測(cè)設(shè)計(jì)精度，方便開(kāi)展后續(xù)計(jì)算、排塔與展示，實(shí)現(xiàn)勘測(cè)設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

3.2 樹(shù)木最小垂直距離與最小凈空測(cè)量

在線路建設(shè)的樹(shù)木砍伐方面，尤其是砍伐許可、砍伐量等受限制的情況下，通過(guò)構(gòu)建三維點(diǎn)云模型，可直觀地判斷需砍伐植被的位置，經(jīng)空間計(jì)算分析，準(zhǔn)確計(jì)算需砍伐植被的面積，從而避免不必要的植被砍伐，減少線路建設(shè)對(duì)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)“不伐整株樹(shù)木、砍伐零星枝杈”滿足工程要求的目標(biāo)。

施工驗(yàn)收階段，項(xiàng)目對(duì)11 處緊張擋進(jìn)行了最小垂直距離或最小凈空測(cè)量檢查。通過(guò)三維全景掃描，建立林木跨越段點(diǎn)云模型，并進(jìn)行全站儀距離復(fù)測(cè)，最后結(jié)合檢修部門(mén)的工測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析（如表1 所示）。從表1 發(fā)現(xiàn)，全站儀、人工測(cè)量數(shù)值一般要大一些，這是由于這兩種方法不容易確定點(diǎn)到線、點(diǎn)到面的空間關(guān)系，往往測(cè)量的不是空間最短距離。三維激光掃描儀能發(fā)揮點(diǎn)云高精度、高密度的特點(diǎn)，再現(xiàn)樹(shù)木等真實(shí)實(shí)體，建立可靠、準(zhǔn)確的空間關(guān)系，測(cè)量數(shù)值精度更高。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)

3.3 鐵塔安全距離測(cè)量

項(xiàng)目投運(yùn)前，利用三維激光掃描儀與全站儀對(duì)鐵塔分別進(jìn)行耐張串下傾角度、跳線均壓環(huán)距耐張串三角聯(lián)板最小空間距離、軟跳線平弧垂、跳線對(duì)塔身最小空間距離、均壓環(huán)至鐵塔安全距離等檢查工作，測(cè)量部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2 所示。經(jīng)對(duì)比分析，全站儀在能準(zhǔn)確確定點(diǎn)位的情況下，測(cè)量結(jié)果與三維激光掃描儀非常接近，誤差在厘米級(jí)；而在點(diǎn)位判斷困難的情況下，兩者相差較大，這是由于全站儀可進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的量測(cè)而無(wú)法滿足復(fù)雜空間距離量測(cè)的緣故。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合準(zhǔn)東—華東±1 100 kV 特高壓直流輸電工程，利用地面三維激光掃描技術(shù)，對(duì)線路重要跨越進(jìn)行三維激光掃描測(cè)量，構(gòu)建高精度三維場(chǎng)景，相比全站儀、GPS 等傳統(tǒng)測(cè)量手段，三維激光掃描測(cè)量打破了單點(diǎn)測(cè)量、建模困難的傳統(tǒng)弊端，實(shí)現(xiàn)面狀測(cè)量，發(fā)揮其智能程度高、非接觸空間測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，可快速建立物體的三維點(diǎn)云模型，真實(shí)再現(xiàn)線路走廊場(chǎng)景，其距離量測(cè)更方便、快捷、可靠，空間距離量測(cè)精度達(dá)到厘米級(jí)，且能輕易實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法很難完成的測(cè)量任務(wù)，極大地節(jié)省了外業(yè)工作時(shí)間與項(xiàng)目成本。

表2 掃描儀與全站儀安全距離量測(cè)對(duì)比

三維激光掃描技術(shù)可在線路勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工驗(yàn)收與運(yùn)維檢修等階段發(fā)揮很好的作用，既可有助于路徑優(yōu)化、線高測(cè)量、樹(shù)木精確砍伐與房屋拆遷統(tǒng)計(jì)，又能在鐵塔傾斜、安全距離檢查等工況分析發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。