基于多光譜和LiDAR數(shù)據(jù)融合技術(shù)的樹(shù)種分布識(shí)別及樹(shù)障分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)研究

成廣生，羅培焱，劉志武，梁興平

(國(guó)網(wǎng)龍巖供電公司，福建 龍巖 364003)

福建省山地、丘陵占全省總面積的80%以上。高桿植物主要有竹子、杉松、榕樹(shù)和桉樹(shù)，這些高桿植物長(zhǎng)勢(shì)較快，在輸電線路運(yùn)維過(guò)程中，常出現(xiàn)年年砍、年年長(zhǎng)現(xiàn)象。而樹(shù)障處理的難點(diǎn)之一是估算樹(shù)木到電線的距離，傳統(tǒng)的作業(yè)方式由人工經(jīng)常對(duì)輸電線路進(jìn)行巡視，工作量較大，且人工目測(cè)并心算弧垂到樹(shù)頂距離，需要人員從多種角度觀察，而人的觀察角度和錯(cuò)覺(jué)引起的誤差難以避免。現(xiàn)階段精確測(cè)量電線弧垂與樹(shù)木之間的距離，主要靠測(cè)高桿、經(jīng)緯儀等測(cè)量?jī)x器，攜帶這些儀器不僅導(dǎo)致線路巡護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)增大，而且效率低下。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)在輸電線路運(yùn)維工作中的應(yīng)用不斷得到拓展[1-4]，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載三維liDAR設(shè)備對(duì)輸電線路通道進(jìn)行三維掃描[5-6]，采集通道“線樹(shù)”距離的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用多光譜和LiDAR數(shù)據(jù)融合技術(shù)[7-9]，對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)特定樹(shù)障樹(shù)種的自動(dòng)識(shí)別與分類(lèi)。針對(duì)竹子、杉松、榕樹(shù)和桉樹(shù)等優(yōu)勢(shì)樹(shù)種進(jìn)行樹(shù)木生長(zhǎng)周期仿真建模，結(jié)合輸電線路安全運(yùn)行規(guī)范，預(yù)測(cè)樹(shù)木何時(shí)成為隱患。輸電運(yùn)維人員可以依據(jù)仿真預(yù)測(cè)結(jié)果，在消缺周期內(nèi)進(jìn)行隱患消除，同時(shí)驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，不斷提升輸電線路運(yùn)維水平和工作效率。

1 技術(shù)原理及研究?jī)?nèi)容

1.1 技術(shù)原理

多光譜是光學(xué)被動(dòng)遙感數(shù)據(jù)，可獲得冠層水平信息，因其具有較高的光譜分辨率，使地物目標(biāo)的屬性信息探測(cè)能力有所增強(qiáng)，并能夠在較小的空間尺度上觀察地表的細(xì)節(jié)變化。LiDAR數(shù)據(jù)是主動(dòng)遙感數(shù)據(jù)，可直接獲得單株樹(shù)木的位置、樹(shù)高和冠幅這3個(gè)垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)以及強(qiáng)度信息。兩者基于像元級(jí)融合，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在分類(lèi)精度上有極大提高，因此，表征樹(shù)木水平結(jié)構(gòu)信息的多光譜數(shù)據(jù)與表征樹(shù)木垂直結(jié)構(gòu)信息的LiDAR數(shù)據(jù)所組成的機(jī)載主被動(dòng)遙感數(shù)據(jù)相融合，可實(shí)現(xiàn)樹(shù)種識(shí)別與分類(lèi)[10-12]。

1.2 研究?jī)?nèi)容

a.利用多光譜影像結(jié)合LiDAR數(shù)據(jù)識(shí)別竹子、杉松、榕樹(shù)和桉樹(shù)等速生、高桿植物，構(gòu)建生長(zhǎng)模型，分析預(yù)測(cè)輸電線路通道的“線樹(shù)”隱患，提高輸電線路樹(shù)障隱患的判斷和預(yù)知能力。

b.利用機(jī)載三維LiDAR獲取輸電線路通道的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)分離電線、桿塔、樹(shù)木、建筑物等類(lèi)別，計(jì)算樹(shù)木與電線的距離，快速獲取樹(shù)障隱患點(diǎn)位置信息，為樹(shù)障治理提供準(zhǔn)確判讀依據(jù)。

c.研究確定輸電線路通道的樹(shù)木生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，可輸出輸電線路通道樹(shù)木生長(zhǎng)預(yù)測(cè)報(bào)告。構(gòu)建輸電線路通道樹(shù)木生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型數(shù)據(jù)庫(kù),開(kāi)發(fā)多樹(shù)種和“線樹(shù)”距離的樹(shù)障風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)。

2 實(shí)施方案

2.1 歸一化處理及樹(shù)種的分類(lèi)識(shí)別

多光譜影像與LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)可采用控制點(diǎn)位法進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換與配準(zhǔn)，多光譜影像的特殊地物點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)上的空間點(diǎn)可形成空間同名點(diǎn)對(duì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段可獲得同名點(diǎn)對(duì)的真實(shí)絕對(duì)坐標(biāo)，以此作為坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換多項(xiàng)式方程的輸入項(xiàng)，從而得到多項(xiàng)式方程各項(xiàng)系數(shù)。將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)坐標(biāo)作為自變量，對(duì)其進(jìn)行逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換，最終可得到絕對(duì)坐標(biāo)系下配準(zhǔn)精確的多光譜影像和與LiDAR點(diǎn)云融合的數(shù)據(jù)。

對(duì)通過(guò)點(diǎn)云濾波生成的DEM和DTM進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，得到歸一化數(shù)字表面模型;在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配準(zhǔn)之后地物識(shí)別與分類(lèi)的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)歸一化處理，LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)在xyz字段的基礎(chǔ)上增加了光譜信息，拓展了數(shù)據(jù)信息的豐富程度，具體流程如圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)融合

在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，采集輸電線路通道內(nèi)主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的特征信息，如結(jié)構(gòu)特征、光譜特征等，具體為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的樹(shù)高、冠幅、種群分布特征、NDVI值。將獲取的樹(shù)種特征信息采用非監(jiān)督分類(lèi)以及監(jiān)督分類(lèi)等方法，實(shí)現(xiàn)樹(shù)種的分類(lèi)和識(shí)別。

2.2 樹(shù)木生長(zhǎng)周期預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

2.2.1 主要影響因素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

收集樹(shù)木生長(zhǎng)主要影響因素，包括氣象信息、樹(shù)障歷史信息、地形信息、樹(shù)木生長(zhǎng)特性、樹(shù)木與電線相對(duì)位置、桿塔臺(tái)帳數(shù)據(jù)、桿塔技術(shù)手冊(cè)參數(shù)、規(guī)程規(guī)范數(shù)據(jù)等。

氣象信息數(shù)據(jù)由國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)獲取，包括溫度、濕度、風(fēng)速、地面氣壓、降水、短波輻射等數(shù)據(jù)。

樹(shù)障歷史信息由電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取。

地形信息由LiDAR點(diǎn)云獲取，具體流程為點(diǎn)云去噪、分離地面點(diǎn)、生成數(shù)字高程模型。

高桿植物生長(zhǎng)特性由互聯(lián)網(wǎng)搜索獲取，主要收集竹子、杉松、榕樹(shù)和桉樹(shù)等生長(zhǎng)較快植物的生長(zhǎng)特性。

樹(shù)木與電線的相對(duì)位置由LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，將LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為電線、桿塔、樹(shù)木等不同類(lèi)別后，可計(jì)算出地物與電線之間的垂直距離、水平距離和空間距離。

桿塔臺(tái)帳數(shù)據(jù)、桿塔技術(shù)手冊(cè)參數(shù)、規(guī)程規(guī)范數(shù)據(jù)由電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取。

2.2.2 樹(shù)木生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

系統(tǒng)采用3-PG(Physiological Principles Predicting Growth)模型。 3-PG模型以月為尺度，通過(guò)一系列方程動(dòng)態(tài)模擬碳量平衡、水量平衡、鹽分平衡和太陽(yáng)輻射變化，以此模擬樹(shù)木動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程。模擬樹(shù)木生長(zhǎng)時(shí)，既考慮樹(shù)木特性，又要結(jié)合地理?xiàng)l件、氣候條件。

樹(shù)木生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型輸入包括以下幾個(gè)方面。

a.每月的氣象因子包括太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、降雨量、平均最高溫和最低溫、霜凍天數(shù)、水汽壓差等。

b.地理?xiàng)l件包括經(jīng)緯度、土壤類(lèi)型、土壤深度、肥力、肥力衰退指數(shù)等。

c.經(jīng)營(yíng)措施包括種植時(shí)間、種植密度、砍伐強(qiáng)度等。

d.樹(shù)木生理參數(shù)包括消光系數(shù)、冠層量子效率、枯落物最大分解率、初始樹(shù)木質(zhì)量、樹(shù)根死亡率、木材密度等。

模型輸出包括按月輸出樹(shù)高、葉面積指數(shù)、土壤含水量、冠層導(dǎo)度、蒸騰量、水分利用效率、凈光合速率等指標(biāo)。

根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，采集樹(shù)木在指定時(shí)間段之后的高度，結(jié)合LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)何時(shí)何處可能出現(xiàn)樹(shù)木隱患。

2.3 樹(shù)障風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)

a.樹(shù)障風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

以樹(shù)木當(dāng)前距離電線的水平和垂直距離為基礎(chǔ)，通過(guò)樹(shù)木生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)樹(shù)高，結(jié)合不同電壓等級(jí)的線路安全運(yùn)行規(guī)范，預(yù)測(cè)樹(shù)木生長(zhǎng)成為隱患的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，輸出樹(shù)障風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)報(bào)告，給出樹(shù)障隱患建議處理時(shí)限。

b.樹(shù)障分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)

根據(jù)樹(shù)障隱患預(yù)測(cè)報(bào)告以及建議的處理時(shí)限，讓輸電線路運(yùn)維人員在該時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查和處理，驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的精度。運(yùn)維人員清理樹(shù)障隱患后，及時(shí)更新系統(tǒng)中的樹(shù)障隱患信息，實(shí)現(xiàn)樹(shù)障隱患閉環(huán)管理，提高樹(shù)障隱患排查效率。

3 實(shí)際成果

選取某供電公司220 kV輸電線路樹(shù)木隱患較為嚴(yán)重的區(qū)段進(jìn)行三維LiDAR掃描，獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為建模和樹(shù)木生長(zhǎng)周期分析預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)。輸電線路通道數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3—圖6。

圖3 三維掃描發(fā)現(xiàn)的輸電線路通道隱患點(diǎn)情況

圖4 三維掃描獲取的某危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖5 隱患點(diǎn)“線樹(shù)”距離手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 隱患點(diǎn)樹(shù)木生成預(yù)測(cè)計(jì)算

通過(guò)機(jī)載三維LiDAR對(duì)輸電線路通道的樹(shù)木、建筑物、交叉跨越物、輸電線路鐵塔、導(dǎo)地線等進(jìn)行掃描，獲取LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確地采集輸電線路通道的電力設(shè)備與通道地物的真三維坐標(biāo)，算出地物與電線之間的垂直距離、水平距離和空間距離。根據(jù)輸電運(yùn)維規(guī)程要求，設(shè)定不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，根據(jù)實(shí)測(cè)的“線樹(shù)”距離，篩選出不同缺陷等級(jí)的數(shù)據(jù)(電線距離樹(shù)木的垂直、水平距離，隱患點(diǎn)距離電力桿塔的水平距離，樹(shù)木類(lèi)型等)，根據(jù)缺陷等級(jí)要求，合理安排消缺時(shí)間。

根據(jù)不同樹(shù)種的生長(zhǎng)特性、光熱情況、降水情況等生成年度模擬生長(zhǎng)速度的數(shù)據(jù)，計(jì)算未來(lái)一段時(shí)間毛竹、樹(shù)木的生長(zhǎng)高度并與之前掃描數(shù)據(jù)對(duì)比，獲取設(shè)定時(shí)間的“線樹(shù)”距離，對(duì)樹(shù)障進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與分級(jí)，根據(jù)缺陷等級(jí)，合理安排消缺時(shí)間。

4 結(jié)論

a.通過(guò)對(duì)輸電線路通道的樹(shù)種信息現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，利用獲取的多光譜影像與LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，可實(shí)現(xiàn)特定樹(shù)障的自動(dòng)識(shí)別與分類(lèi)。

b.通過(guò)對(duì)竹子、杉松、榕樹(shù)和桉樹(shù)等典型樹(shù)種生長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)生長(zhǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果預(yù)知未來(lái)可能的樹(shù)木隱患，有效提高輸電線路運(yùn)維的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)知能力。

c.以當(dāng)前狀況下樹(shù)木與電線的距離為基礎(chǔ)，構(gòu)建樹(shù)木生長(zhǎng)模型，結(jié)合輸電線路運(yùn)行規(guī)程，預(yù)測(cè)樹(shù)木何時(shí)成為隱患。線路運(yùn)維人員可以依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，在消缺周期內(nèi)消除隱患，同時(shí)驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，不斷提升線路運(yùn)維的科技水平和工作效率。