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LIDAR技术在林区输电线路工程中的应用

作者:飞燕遥感 发布日期:2018-06-26 00:00 浏览量:334

  1 绪论

  1.1 研究背景

  1.1.1 Lidar技术简介

  机载激光雷达技术(Airborne Light Detection and Ranging),简称Lidar技术,是一种主动式遥感对地观测的新兴技术,集激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元(IMU)/DGPS差分定位技术三种技术于一体,能够直接得到高精度的三维坐标信息。机载Lidar主要用于获取地形、地貌数据,是地形图测绘的全新手段,具有强大的生命力和良好的发展前景,被认为是对传统的摄影测量方法的巨大挑战。


  1.1.2 Lidar技术的特点和优势

  首先,由于Lidar技术采用主动发射测量信号的工作方式,能够全天候实施对地观测,使它在灾害监测、环境检测、资源勘察、军事等方面的应用具有独特的优势。其次,激光扫描仪发射的激光脉冲具有很强的穿透能力,能部分地穿透树林遮挡,直接获取真实地面的高精度三维地形信息,它是目前唯一能测量森林覆盖地区地面高程的可行技术。最后,它能进行输电线路测量外业作业困难地区(如采石场、大型垃圾堆、悬崖峭壁等)的测图工作,不受地域地形限制。所以基于以上论述,我们可以肯定Lidar技术对于森林地区的输电线路测量有明显的自身优势。


  1.1.3 传统输电线路勘测定位方法在林区的局限

  随着电网建设的发展,线路规划走廊的位置确定愈加困难,常常需要穿越植被覆盖十分密集的森林地区,这对输电线路的测量工作带来了很大的困难。传统的工程测量方法中山区路?工作强度大,费用高,返工率高,一直是输电线路测量工作的难点。目前输电线路的测量主要是用航空摄影测量、无人机航拍摄影测量等技术来辅助传统的全野外人工测量。各测量手段内外业形式不同并相互补充,仍以航空摄影测量为主。但是,航空摄影测量在森林地区作业时面临着诸多困难,如外业控制困难、加密选点困难、影像匹配困难、立体测图困难等。由于影像遮蔽,立体测图编辑时往往用人工估计的方法,造成这些地方的精度很低,以至于无法满足要求。因此,本文主要研究的森林地区高精度数字高程模型的获取对于林区输电线路测量有着重要的实践意义和价值。


  1.2 技术要点

  1.2.1 系统工作原理

  机载激光雷达测量系统一般以飞机或直升机作为飞行平台,通过激光测距获取地表高程信息。其工作原理为:当机载Lidar航摄飞行时,激光扫描仪发射、接收激光束,对地面进行线状扫描,与此同时,动态GPS系统确定传感器的空间位置(经纬度),IMU测量飞机的实时姿态数据,即滚动、仰俯和航偏角。由于系统的几个部分同步工作并集成于一体,GPS和IMU的数据融合极为方便,所以经计算机对获取的数据经过匹配计算等内部处理后,即可获取地面的三维数据。


  1.2.2 滤波和分类的思路及目前主流的分类方法

  Lidar获得的数据是在三维空间中呈随机离散且不规则分布的点集,即点云。数据处理的基本思路是将点云数据进行分解,将地面点及非地面点如房屋、植被等分开,得到数字地面模型DTM。研究如何从DSM中分离出DTM点子集以及区分不同地物子集,就是所谓的数据滤波和分类。

  目前用于机载Lidar数据滤波的方法主要概括来讲大致有形态学滤波法;移动窗口法;线性预测法;基于地形坡度滤波;移动曲面拟合滤波法等。由于单纯的激光点云数据有一定的盲目性,加之自然界复杂的地形决定了所有的滤波和分类算法都是一个复杂的算法且都需要反复迭代进行,在实际应用过程中要针对不同的地形和应用目的选择合适的算法。


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  2 工作流程

  2.1 原始点云数据采集

  2.1.1 航带设计

  输电线路的航飞设计,应遵循安全、经济、周密、高效的原则。以初设审查后的路径方案为导向,以1/5万、1/1万比例尺地形图为底图,连续布设若干个有一定重叠度的航带,导出飞行路径文件提交航飞单位。航飞单位须按照航飞路径向相关地区部门申请空域航飞权,由于Lidar系统通常带有CCD相机,航飞单位在航飞权期间需选择合适的天气进行航飞以保证影像质量。


  2.1.2 航飞数据质量检查验收

  对于航飞单位提交的成果数据需进行检查验收,确保航带之间没有出现空缺遗漏,所有航带范围内点云数据没有漏洞,且对影像清晰度、色调、有无云影遮挡等影像质量进行检查。另外,对航飞单位一并提交的项目完成情况、飞行质量报告等附件进行核查,确保航飞资料的完整性。


  2.2 林区Lidar点云数据的滤波和分类处理

  有时候滤波和分类是同时进行的,尤其是在地物类型比较单一的地区,如本文研究的森林地区,激光点云的种类只考虑三种:地面点、非地面点和噪声点。因此如何剔除噪声,并在滤波的同时进行分类,是Lidar数据林区滤波的重点。


  2.2.1 滤波和分类预处理

  在Lidar原始点云数据中,由于外界环境因素的影响,获取的扫描点云数据内可能包含不稳定的点和错误的点。这些点包括:不属于地表的极高点,一般源自于空中物体如鸟、低空飞行器等;极低点,他们的出现源自于系统的粗差,一般在水域比较明显。所以,在使用这些数据之前,应将这些极高点和极低点予以剔除。


  2.2.2 一次分类和二次分类

  对经过预处理的点云数据进行一次分类,主要目标是分出地面点与非地面点。鉴于移动窗口滤波法具有适用于各种特征地形、运行稳健、分类精度高等特点,本次分类我们选择了移动窗口滤波法。移动窗口法基本思路是先定义一个很大的窗口(Grid),找出该窗口中的最低点作为地形点,移动窗口到下一个区域再找出最低点,直到遍历所有数据。通过找出的最低点,拟合一个曲面或TIN作为初步的地形模型,并利用该DTM于所有测量点之间的残差进行判断,将不需要的点剔除,然后调小窗口的尺寸和判断的阀值,再遍历所有数据生成新的DTM进行数据过滤,往复几次后得到的非常逼近的DTM。

  一次分类完成后,继续对非地面点进行二次分类,目标是提取出激光脚点打到树顶上反射接收到的植被表面点。采用同样的思路,通过寻找移动窗口中的最高点作为植被表面点,移动窗口直到遍历所有数据,往复几次后得到逼近真实树顶的植被表面模型。


  2.2.3 人工干预

  自然界复杂的地形决定了不可能有一个适应所有地形的算法,尤其是对于带有植被的粗糙山地时都会产生一定的错误分类,尤其是在地形高差变化较大、或地形不连续的区域(如深陡坎、陡壁、采矿开挖地带等),采用自动滤波很难达到理想结果,甚至于无法进行,因此人工干预是必要的。人工手动分类通常应融合影像数据,结合三维立体图、晕渲图等,采用人工交互编辑手段来进行,对输电线路沿中心线左右各100m范围内的线路走廊和危险点、关注点区域进行DTM检查和手动分类,获得高精度的DTM数据。实践证明,这种方法是行之有效的。


  2.3 利用高精度DTM数据辅助林区输电线路测量

  在输电线路勘测定位过程中,利用分类后的高精度DTM成输电线路平断面图、塔基断面、风偏等,作为野外勘测定位的基准数据,在此基础上进行修测,大大减少了外业勘测工作量,缩短了工期,提高了工作效率。另外,利用植被表面模型通过计算可以准确评估线路导线与周边物体(在林区主要为交跨树木)的最小距离,作为勘测定位中危险点、关注点修测的依据,避免后期线路运行中发生树闪等引发停电的安全事故。


  2.4 外业作业困难地区地形数据的勘测补充

  在林区勘测定位过程中,有时会遇到测量人员作业困难甚至无法作业的地区,如采石场、大型垃圾堆、悬崖峭壁等。Lidar数据不受地域地形限制的特点和优势,针对这些区域可以有效补充,保证了勘测成果的质量。



  3 工程实例

  安平至宝山220kVⅡ回线路改造工程,线路全长64.87km,线路路径大部分位于山区,其中:高山30%,山地60%,丘陵10%,沿线地形起伏较大,区域海拔高程约在140~820m范围,主要为山地、高山地地形,相对高差较大。沿线植被发育良好,以松、杉林为主;线路沿线规划区、保护区、矿区等分布众多,沿线须调查并测量矿区附近的炸药库;测区勘测定位困难类别定为:Ⅳ类。在该工程勘测定位阶段创新使用了Lidar技术,为了检查DTM的精度,在外业定位现场做了大量GPS控制点,将这些控制点的工测高与滤波和分类后的DTM高进行比较,从表中可以看出绝大部分差值在-0.8~0.8m之间,只有少数点的绝对差值超过2m。因此,DTM总体精度是值得肯定的。


  4 结语

  作为一种全新的技术手段,本文探讨了Lidar技术的优势、工作原理和组成,对点云数据的处理流程做了分析和实验,提出了Lidar技术在森林地区输电线路工程勘测定位过程中应用的可能性。实测验证表明:测量人员提供了可靠的平断面、风偏等数据资料,减少了测量外业工作量,大大提高了工作效率。与传统的航空摄影测量技术相比,机载Lidar 测量技术在输电线路业务中的诸多方面都具有明显的优势。当然机载Lidar技术作为一种新兴的技术,在电力行业应用领域还具有很大的发展潜力,同时也存在一些不足,比如在点云分类上还需要不断探索和完善,进而提高自动分类的准确性;Lidar获取的数据源较为单一,与高分辨率影像、电子地图、GIS数据、高光谱影像等多源数据的融合匹配等问题还需要进一步的深入研究。


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