一種適合于輸電線路設(shè)計的激光點云分類與質(zhì)檢的方法

鄭彥春，黃 兵，楊永文，張 棟，潘 娟

(1.電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.北京洛斯達科技發(fā)展有限公司，北京 100120)

0 引言

近年來，激光雷達技術(shù)作為實現(xiàn)電力數(shù)字化的一種重要手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力工程中，并產(chǎn)生了海量的、豐富的數(shù)字化成果。

數(shù)字化成果的質(zhì)量直接影響工程應(yīng)用成效，為了盡可能提升數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度，侯國瑞[1-3]等從點云密度、航帶覆蓋范圍、覆蓋完整性、點云精度和定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system，POS)精度等方面對航飛獲取的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查。李慧姝等[4-6]學者研究激光雷達基本應(yīng)用成果中的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)和數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)質(zhì)量檢查，其研究的主要方向在于分析成果影響的因素，提出質(zhì)檢內(nèi)容、要求和評定指標，通過人工、半自動和自動檢查成果質(zhì)量等。王強輝[7]等對點云分類工作流程進行集約化管理，以提高成果質(zhì)量。翟成森[8]研究激光點云應(yīng)用于實景三維項目中成果模型的質(zhì)量檢查。

眾多學者主要圍繞相關(guān)規(guī)范在激光雷達數(shù)據(jù)獲取[9-11]、處理[12-13]和應(yīng)用成果[14-15]中提到的質(zhì)量因素進行研究。而縱觀整個激光點云數(shù)據(jù)處理的工序中，有60%～80%的工作在于點云分類上。主要原因在于目前的點云自動分類能力不全面，分類結(jié)果不完善，即使加入人工精細修編，仍然容易出現(xiàn)錯誤的問題。這個環(huán)節(jié)往往被眾多學者忽略，學者們也僅限于研究質(zhì)檢常用的基本點云類別。對于輸電線路工程來說，其檢查的內(nèi)容和方法僅能提供有限的參考和借鑒，并不能滿足電力設(shè)計優(yōu)化選線的應(yīng)用。為了保證這個階段點云分類的合理性與準確性，本文結(jié)合某輸電線路工程電力優(yōu)化選線項目，探討了點云分類設(shè)計的內(nèi)容與質(zhì)檢的方法，為輸電線路激光點云分類處理提供借鑒。

1 點云分類設(shè)計

1.1 電力設(shè)計要求

輸電線路路徑選擇是輸電線路設(shè)計的重要內(nèi)容之一，也是體現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在路徑選擇時，既要考慮技術(shù)、安全、經(jīng)濟、施工及運行的要求，又要符合社會各相關(guān)行業(yè)協(xié)議的要求，還應(yīng)滿足自然生態(tài)的要求。這期間將考慮到規(guī)劃、國土、林業(yè)、地礦、文物、環(huán)保、地震、水利水電、通信、文化、軍事、航空、鐵路、公路、供電等多個部門，及其相關(guān)的自然和人工地物對路徑的影響。

隨著“西電東送”戰(zhàn)略的實施，電網(wǎng)網(wǎng)架的升級，高電壓、遠距離傳輸?shù)妮旊娋€路建設(shè)不斷增多。此時的輸電線路通道內(nèi)環(huán)境更加復(fù)雜多變，影響因素也更加多樣化。王剛[16]將這些影響因素歸納為禁止通過區(qū)域(嚴格避讓區(qū))和可以通過區(qū)域(成本計算區(qū))，再細分為線路本體影響因子、自然環(huán)境影響因子和社會環(huán)境影響因子。本文結(jié)合輸電線路路徑選擇的原則、特點、方法、內(nèi)容深度、路徑協(xié)議、通道設(shè)計的原則和內(nèi)容，歸納整理出影響因子中的具體地物及設(shè)計要求。

1)地面。導(dǎo)線對地面有最小距離，以及與山坡、峭壁和巖石之間有最小凈空距離的要求。立塔時要求地形良好，避免陡峭山坡等不良塔位。微氣象微地形影響線路安全運行。

2)植被。導(dǎo)線對林區(qū)、宜林地、果園、經(jīng)濟作物、城市綠化灌木及街道行道樹有最小垂直距離和最小凈空距離的要求。在通道清理中，需要統(tǒng)計林木砍伐量。同時考慮生態(tài)環(huán)境的影響。

3)電力線、塔及附屬設(shè)施。導(dǎo)線與低壓電力線和弱電線路(通信線、電話線路、廣播線路)平行、交叉跨越時有距離和交叉角度的要求。與弱電線路平行時有長度要求。與它們平行時，會對附近線路產(chǎn)生容性耦合和感性耦合。當跨越重要電力線時應(yīng)采用獨立耐張段。為避免電磁干擾，導(dǎo)線對通訊塔(微波塔)有安全距離的要求，對無線臺站有防護距離要求及氣象設(shè)施和氣象探測有環(huán)境保護的要求。

4)管道。導(dǎo)線對石油、天然氣管道(地上和埋地管道)和索道等有最小水平距離要求，當與它們平行接近或交叉時，要根據(jù)協(xié)議的要求。線路事故倒塔影響管道，容性耦合影響在管道上會產(chǎn)生靜電。

5)房屋及附屬設(shè)施。導(dǎo)線與建筑物之間有凈空距離、垂直距離和水平距離的要求。在通道清理中，需要統(tǒng)計房屋拆遷量，并考慮主房、輔房和庭院的拆遷原則。

6)道路。導(dǎo)線與公路交叉或接近時，有交叉角度、最小垂直距離和最小水平距離的要求。當跨越高速公路，應(yīng)采用獨立耐張段。線路近可能靠近道路，方便施工和運行。

7)鐵路。導(dǎo)線與鐵路交叉或接近時，有交叉角度、最小垂直距離和最小水平距離的要求。當跨越高速鐵路應(yīng)采用獨立耐張段。

8)工廠。導(dǎo)線對采石場、煙花爆竹廠和地面爆破場所等有安全距離的要求。地面爆破場所個別飛散物對人員的安全允許距離有要求，爆破飛石、爆破空氣沖擊波對輸電線路外部允許距離有要求。

9)危險品庫。導(dǎo)線對火藥庫、炸藥庫、油氣庫、爆破器材、加油加氣站、油氣井和氧氣站等危險品有爆破距離、防火間距和安全距離的要求。

10)機場。導(dǎo)線對機場有凈空和障礙物限制面等的要求。

11)風機?？紤]線路事故倒塔對風機的影響或者風機事故倒機對線路的影響，導(dǎo)線對風機有距離要求。

12)寺廟。從人文因素考慮，應(yīng)尊重民俗，避免跨越寺廟等敏感設(shè)施。

13)墳?zāi)?。從人文和?jīng)濟因素考慮，避免在墳地上立塔。

14)水系。導(dǎo)線對通航河流和非通航河流有最小垂直和水平距離的要求。線路應(yīng)選在河道相對狹窄、兩岸地形較高、地質(zhì)條件較好的地段。

1.2 點云分類的類別與要求

機載激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)是一種非接觸、主動的遙感測量技術(shù)，不受天氣、光照等條件的制約，能夠快速、高效、安全地獲取地表目標的空間信息。例如，在輸電線路工程中，它能夠獲取輸電通道內(nèi)地形、建筑物、電力線、電力塔、植被、鐵路和公路等地物的空間信息，并以點云的形式呈現(xiàn)。其中，原始點云的類別屬性相同，無法根據(jù)每個點來區(qū)分地物類別。這就需要將原始點云進行進一步的處理，賦予每個點相應(yīng)地物的類別屬性，方便后續(xù)成果的制作及應(yīng)用。

目前，架空輸電線路電力設(shè)計工程中對地物有自身的側(cè)重點及要求，而已有的基本點云分類內(nèi)容和要求并不能滿足此類領(lǐng)域的要求。因此，如何設(shè)計出一套適合的點云分類內(nèi)容及要求是電力設(shè)計領(lǐng)域開展激光雷達技術(shù)深入應(yīng)用的關(guān)鍵。本文根據(jù)輸電線路電力設(shè)計的要求，結(jié)合機載激光雷達技術(shù)的特點，提出一種適合輸電線路電力設(shè)計優(yōu)化選線要求的點云分類內(nèi)容和要求。將點云分成31 種類型，見表1所列。

表1 點云分類列表

2 點云分類質(zhì)量檢查的內(nèi)容及方法

在輸電線路工程中，尤其是超高壓和特高壓輸電線路，每條線路常?？缍鄠€省份，距離多達上千公里，利用機載激光技術(shù)獲取的點云數(shù)據(jù)量也多達TB 級別。面對體量如此之大，點云類別如此之多的數(shù)據(jù)，如何檢查各種地物點云分類的正確性對后續(xù)點云的應(yīng)用是至關(guān)重要的。本文提出一種可視化的點云分類質(zhì)檢方法，通過不同的點云顯示模式，多視角、正射和立體方式檢查點云分類的質(zhì)量，確保每種地物點云分類的正確性。

2.1 檢查內(nèi)容

2.1.1 空間參考系

1)大地基準。檢查點云分類后的坐標系統(tǒng)是否符合要求。

2)高程基準。檢查點云分類后的坐標系統(tǒng)是否符合要求。

3)地圖投影。檢查點云分類后的地圖投影各參數(shù)是否符合要求。

2.1.2 屬性精度

1)分類正確性。檢查點云分類后各類別地物的正確程度。

2)屬性正確性。檢查點云分類后各類別地物屬性的正確性。

2.1.3 完整性

1)多余數(shù)據(jù)。檢查點云分類后各類別層是否含有非本層的數(shù)據(jù)。

2)遺漏數(shù)據(jù)。檢查點云分類后各類別層是否遺漏數(shù)據(jù)。

3)增刪數(shù)據(jù)。檢查點云分類后是否增加無用或者重復(fù)的點，或者刪除重要的地物點。

4)丟失屬性。檢查點云分類后各點包含的屬性值及類別有無丟失。

2.1.4 合理性

1)數(shù)據(jù)精簡。檢查點云分類后各類別點精簡程度是否合理，有無丟失精度或者丟失地物細節(jié)特征。

2)地物形態(tài)。檢查點云分類后各類別地物點形態(tài)是否合理，有無異?；蛘咄蛔凕c。

2.2 檢查流程

按以下三個步驟檢查分類后的點云。首先，根據(jù)每種地物的特點，選擇合適的顯示模式。然后，通過多視角、正射和立體的方式檢查每種分類地物的空間參考系、屬性精度、完整性和合理性。最后，輸出檢查報告。質(zhì)檢技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 質(zhì)檢技術(shù)流程圖

2.3 檢查方法

開始檢查分類后的點云之前，先確定點云包含的屬性。這是因為利用不同的激光設(shè)備及解算參數(shù)得到的點云，其屬性種類略有不同。但這些點云都會包含常用的基本屬性，利用這些屬性可以輔助檢查點云分類。其中，利用點坐標屬性，就可以開啟高程、深度、陰影和高程分層設(shè)色的顯示模式，利用類別屬性、強度屬性、航線屬性和彩色屬性，可以開啟相應(yīng)的顯示模式，并且可以組合不同的顯示模式。各種顯示及組合模式如圖2 所示。

圖2 多種顯示模式

當檢查每一種地物時，應(yīng)根據(jù)該地物自身的特點，選擇合適的顯示模式。為了提高檢查的效率，可以將該地物顯示在多窗口中，每個窗口顯示不同的模式，并且保持窗口間的實時聯(lián)動。接著，就可以按多視角、正射和立體的方式，先檢查點云的整體情況，再檢查細部情況。

2.3.1 多視角檢查

多視角檢查主要包括俯視圖、剖面圖和旋轉(zhuǎn)視圖的方式，如圖3 所示。檢查時，以俯視圖為主，對于無法判別的地物，再運用剖面圖和旋轉(zhuǎn)視圖來換個角度查看。

圖3 多視角檢查

1)俯視圖檢查。俯視圖是一種從上往下查看地物的視圖，通過這個視角俯瞰點云，各種分類后的地物盡收眼底。其主要優(yōu)勢在于，一方面，它能方便地查看點云分類的整體情況，比如，點云是否完整、有無空洞、有無缺漏未分類的地物和空間坐標系是否正確等情況；另一方面，它能方便查看有明顯特征地物的分類情況，比如，根據(jù)電力線的連續(xù)性特征，能方便地查看分類后的電力線有無缺失。并結(jié)合電力線分布，能判斷電力塔有無漏分，通常，在電力線中，每隔一定的距離會有一個電力塔，當相鄰兩個電力塔間的檔距過大，就有可能是中間漏分了其他電力塔。根據(jù)建筑物的棱角特征，它能方便判斷其他形態(tài)不規(guī)則的地物有無錯分成建筑物，或者建筑物錯分成其他地物。再一方面，將點云量占比大的地面、默認點、植被點、噪點和空氣點隱藏顯示，再整體檢查其他地物點，它能很容易判斷是否有孤立的點分成地物點。

2)剖面圖檢查。剖面圖是用一個帶有一定寬度的平面垂直剖切地物，再將剖開的地物投影到另一個平面上的視圖。通過剖面圖，能清楚地查看地物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比如，在檢查地面點分類時，通過剖切地面點重構(gòu)的表面模型來判斷地面是否連續(xù)、光滑，以及是否有錯分漏分的情況。對于在俯視圖中無法判別的地物，也常常通過剖切該地物來查看內(nèi)部情況。

3)旋轉(zhuǎn)視圖檢查。旋轉(zhuǎn)視圖是圍繞自定義的一個基點來旋轉(zhuǎn)角度形成的視圖，它能方便從任意視角查看地物。一般，通過旋轉(zhuǎn)視圖來判斷俯視圖和剖面圖無法判別的地物。

2.3.2 正射檢查

在多視角檢查點云分類中，有些地物無法根據(jù)點云屬性和形態(tài)進行判別。此時，通過疊加正射影像圖，從視覺上能直觀地判斷地物的類別，并且，能方便檢查點云分類中有無多余或缺漏的地物，如圖4 所示。使用正射檢查的方式，同樣支撐多窗口實時同步的顯示模式。即增加一個窗口，用于疊加正射影像圖，同步輔助多視角檢查分類后的地物。

2.3.3 立體檢查

對于多視角和正射檢查都難以判斷的地物，可以疊加立體模型進行檢查，如圖5 所示。這些地物常常隱藏在植被里或者植被下，再或者小而細，很難被發(fā)現(xiàn)或者判斷。而立體模型是通過未采樣的原始影像構(gòu)成的，具有分辨率高的特點。此時，通過佩戴立體眼鏡，就能清楚判斷地物類別，以及其他有無多余或者缺漏的地物。

圖5 立體檢查

3 工程應(yīng)用

以某輸電線路工程為例，首先，利用本文提出的點云分類類別和要求進行點云分類。然后，運用本文提出的方法對分類后的點云進行質(zhì)檢。最后，評定分類檢查的效率和檢查的質(zhì)量及分類應(yīng)用的效果。

3.1 項目概況

該輸電線路工程總長度760 km，本次選擇其中具有代表性的124.6 km 進行應(yīng)用驗證。選取的線路海拔從10 至1 000 m，跨越山地、丘陵和平地等多種地形，同時跨越不同茂密程度的植被，并且跨越的地物數(shù)量多、復(fù)雜度高。

針對這種地形地物的應(yīng)用，更能體現(xiàn)機載激光雷達技術(shù)的優(yōu)勢。在本區(qū)域中，采用直升機搭載激光雷達系統(tǒng)獲取點云數(shù)據(jù)，同時搭載高分辨率的航空相機獲取影像數(shù)據(jù)，并收集實測外業(yè)調(diào)繪信息。全線點云密度大于30 pts/m2，線路中重要交叉跨越的點密度大于100 pts/m2，點云總數(shù)據(jù)量達到655 GB。

3.2 分類檢查

分類檢查采用型號為DELL Precision T7920，參數(shù)為處理器為intel(R)Xeon(R) Gold6226R，主頻2.90 GHz，內(nèi)存128G 的臺式工作站，使用的網(wǎng)絡(luò)為萬兆局域網(wǎng)。

分類檢查前，需要預(yù)先將點云和影像數(shù)據(jù)進行處理，得到分類后的點云成果、正射影像和立體影像。分類檢查時，根據(jù)檢查的地物種類選擇相應(yīng)的顯示模式，并在多視角、正射和立體下檢查點云分類的質(zhì)量。

分類檢查結(jié)果：在總面積為178.888 km2的地面點，總面積為171.117 km2的植被點，總長度為253 736.154 m 的電力線點，總基數(shù)為4 048 基的桿塔點，總面積為1 317 087.730 km2的房屋點，總長度為47 432.721 m 的道路點，總長度為3 386.741 m 的鐵路點，總面積為223 847.193 m2的大棚點，總面積為143 241.075 m2的光伏板點和管道點、院墻點、工廠點、危險品庫點、水系、標牌等其他點中，檢查出有問題的量占總量的比例如圖6 所示。

圖6 分類檢查結(jié)果

3.3 評定檢查結(jié)果

3.3.1 檢查效率

影響檢查效率的主要因素為，工程長度、總數(shù)據(jù)大小、地物復(fù)雜程度、各種地物總量和有問題的地物總量等。在工程線路總長度124.6 km，數(shù)據(jù)量655 GB，點密度30 pts/m2以上、植被覆蓋率大于95%，地物復(fù)雜程度高的情況下，按照本文提出的點云分類要求和質(zhì)檢方法處理，點云分類質(zhì)檢時間為3.5 h。

3.3.2 檢查質(zhì)量

將檢查的結(jié)果和外業(yè)調(diào)繪中實測的地物進行比較，得出點云分類質(zhì)檢的正確率為98%。其中，未質(zhì)檢出來的區(qū)域主要是一些茂密植被下形態(tài)模糊的地物。從結(jié)果可以看出，本文提供的方法能及時、準確地查找出點云分類的問題。

3.4 評定分類應(yīng)用效果

在輸電線路電力設(shè)計優(yōu)化選線中，應(yīng)用本文提出的點云分類種類成果后，線路路徑優(yōu)化選線的效率得到了明顯提升。主要表現(xiàn)在，在選線時，能直觀地看到線路周圍地物的位置和分布，實時量取地物較高精度的距離信息，這讓設(shè)計人員能有效地避開眾多障礙物。當線路跨越鐵路、高速公路、電力線和植被等地物時，設(shè)計人員能準確獲取被跨物的高度信息。在線路后續(xù)的跨房跨樹統(tǒng)計中，為設(shè)計人員提供了準確的地物統(tǒng)計數(shù)據(jù)。另外在后續(xù)的三維建模中，提供了完善的、較精準的各類模型數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文結(jié)合輸電線路實際生產(chǎn)經(jīng)驗，指出激光雷達在電力設(shè)計方面的點云分類內(nèi)容和要求，并提出了可視化的點云分類成果質(zhì)量檢查方法。通過某輸電線路工程中的應(yīng)用，表明本文中指出的點云分類內(nèi)容具有合理性及質(zhì)量檢查方法切實可行，能為相關(guān)從業(yè)人員開展點云分類及質(zhì)量檢查與評定提供參考。

本文提出的點云分類內(nèi)容和要求適用于輸電線路電力設(shè)計，當激光雷達應(yīng)用于其他領(lǐng)域時，可適當調(diào)整點云分類的類型。在點云分類質(zhì)檢方面，本文的方法具有通用性，但隨著激光雷達技術(shù)的不斷發(fā)展，點云分類算法越來越成熟，自動化水平也越來越高，人機交互檢查點云分類的方式也會朝著全自動化的方向發(fā)展。