CN102645203A - 基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法 - Google Patents
基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于机载激光雷达数据的架空送电线路交叉跨越测量方法，本发明的方法包括以下步骤：设计航飞线路、飞行高度、系统参数，进行数据采集；通过激光雷达数据处理，得到激光点云数据分类图、数字高程模型DEM、等高线、数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM，进行架空送电线路优化设计；确定架空送电线路交叉跨越位置，从地物库中选择对应项并做标记；综合应用激光点云数据、DEM、DSM及DOM进行交叉跨越高度测量；将待测交叉角的线状交叉跨越和设计的线路用矢量线标识，进行交叉角的测量。本发明采用激光点云数据和高分辨率正射影像图，获取线路交叉跨越的电力线的高度、位置与线路的交叉角参数，提高了线路交叉跨域测量的精度及效率。
Description
技术领域
本发明属于架空送电线路交叉跨域测量领域，具体涉及一种基于激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法。
背景技术
在架空送电线路工程与电力线、弱电线（指电话线、有线电视、光缆等通信线）以及地上地下构筑物交叉跨越时，都必须进行交叉跨越测量。目前，常用的线路交叉跨越测量一般采用经纬仪、全站仪、GPS-RTK定位技术、激光测距仪等技术，采用这些技术综合应用悬高测量法、GPS配合全站仪法、空中交会法等方法进行交叉跨越点的高程及交叉角的测量。在此基础上，选线人员设计架空送电线的高度、弧垂以及档距。尽管这些方法在架空送电线路设计中有着很高的观测精度，能够满足工程需要，但是存在以下缺点：（1）效率低。采用传统方法进行线路交叉跨越测量，需要测量人员实地观测，根据不同地形条件及交叉跨越的实际情况选用不同测量方法，然后在适当地点架设仪器设备进行观测，观测数据获取效率低。（2）环境适应性差。地形复杂区域，线路经过的地方段沟纵横，如果跨越位于段沟中央，再加上线路勘测通道较窄，即使多设站也不能测到跨越点的平距及两端杆塔位置；交叉跨越测量需要两点间通视，否则要采用其他间接方法测量。（3）实时性差。线路设计完成后，在需要架空线路交叉跨越测量时需要外业实测，如果线路有变更，则需要重新测量交叉跨越，实时测量性差。（4）视野有限。人工测量只能看到视野范围内地物，无法从更大视角掌握交叉跨越测量。
发明内容
本发明针对上述架空送线路交叉跨越测量中存在的低效率、环境适应性差、实时性差和视野有限的问题，提出了一种高效率、环境适应性强、实时性好和良好视野的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，以实现包括架空输电线路、通讯线、公路铁路、河流、房屋等的交叉跨越测量。
本发明的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，该测量方法包括以下步骤：1）根据架空送电线路可研路径及精度要求，设计航飞线路、飞行高度、系统参数，进行航飞外业数据采集；2）通过激光雷达数据处理，得到激光点云数据分类图、数字高程模型DEM、等高线、数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM，进行架空送电线路优化设计；3）根据正射影像图DOM，确定架空送电线路交叉跨越位置，从地物库中选择对应项并做标记；4）综合应用激光点云数据、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM及数字正射影像图DOM进行交叉跨越高度测量；5）在二维平面图中，将待测交叉角的线状交叉跨越和设计的线路用矢量线标识，进行交叉角的测量。
所述的航飞外业数据采集为：根据可研审查后的路径方案或初步设计路径方案，利用地形图或其他具有地理定位的小比例尺影像进行航飞设计和航飞外业数据采集，具体过程为：1）进行数字高程模型DEM、数字表面模型DSM及数字正射影像图DOM精度设计；2）根据数字高程模型DEM、数字表面模型DSM及数字正射影像图DOM的精度，确定激光脚点间隔为0.5m，影像分辨率为0.1m，据此设计航高、飞行速度、拍照时间间隔、扫描频率等参数；3）沿线均匀布设至少3个地面GPS基准站，进行地面基准站联测，获取基准站的WGS84坐标及目标坐标系坐标，从而计算坐标转换参数将测绘结果转到目标坐标系下。
所述的架空送电线路优化设计是将激光雷达系统获取的数据通过数据处理得到激光点云分类图、数字高程模型DEM、等高线、数字表面模型DSM及数字正射影像图DOM，其数据处理过程为：1）将GPS基准站数据、机载POS数据进行联合解算得到航迹数据，结合激光扫描数据，获取原始激光点云数据；2）利用激光雷达数据处理软件进行点云数据的处理，剔除粗差点，分离出地面点、建筑物点、植被点、电力线及电塔点、铁路点等，得到不同种类的激光点云数据；应用地面点生产数字高程模型DEM和等高线和局部最高点生成数字表面模型DSM；3）利用数字高程模型DEM，对航飞影像进行数字微分纠正，在此基础上进行正射影像的镶嵌及匀光匀色，得到高分辨率的正射影像图DOM。
所述的交叉跨越高度测量是在DOM中导入确定的优化路径，沿路径跟踪以确定线路交叉跨越位置，作业过程为：1）在交叉跨越测量平台中，导入高分辨率正射影像图DOM，同时导入在前期应用基于激光雷达的三维优化选线系统得到的架空送电线路优化路径图；2）参考高分辨率正射影像图DOM，沿线路路径逐个确定交叉跨越，并从地物库中选择对应项进行区分标识。
所述的交叉跨越高度测量是结合激光点云数据、数字高程模型DEM及数字表面模型DSM等数据进行测量的，作业过程为：1）当送电线路交叉跨越已有电力线时，测量线路中线交叉点最高或最低线的线高；当中线或边线跨越杆塔顶部时，测量杆塔顶部高程；当已有电力线左右杆塔不等高又影响跨越或穿过时，还要测量有影响侧边线交叉点最高或最低线的线高及风偏点的线高。在测电力线某点高程时，选择点云对应位置高程，系统自动根据数字地面模型高度得出电力线相对地面的高度，直接表示在平断面图中；2）对跨越的房屋等建筑物，系统根据数字表面模型DSM及数字地面模型DEM通过相减得到房屋高度；根据实地情况设定每层高度，可以确定房屋层数；3）主要公路和铁路交叉跨越时，从精细DEM中获取路面高程。
所述的交叉角测量是在二维平面图中，将待测交叉角的线状交叉跨越和设计的线路用矢量线标识，进行交叉角的测量的，具体过程为：将架空送电力线垂直投影，用矢量线在交叉跨越测量平台标识，结合确定的优化线路，即可实现交叉角的测量。
所述的数字高程模型DEM、数字表面模型DSM及数字正射影像图DOM精度设计需达到1:1000比例尺精度以上。
所述的GPS基准站相邻间距不大于50km。
所述的点云数据处理为基于MicroStation平台开发的TerraSolid软件的TerraScan模块进行激光点云数据的分类处理，所述的点云数据处理为基于MicroStation平台开发的TerraSolid软件的TerraScan模块进行激光点云数据的分类处理，应用TerraModeler模块进行进行地面模型及等高线的提取，应用TerraPhoto及其它相关软件进行正射影像的制作。
激光雷达数据成果包括房屋、道路、植被、电力线和其他人工地物的高程，一个人室内即可完成全线路的交叉跨越测量；同时，在更改线路时可以直接在数据成果中找到交叉跨越位置并进行测量，避免了传统的改线需外业重新测量交叉跨越高度的问题，因此实现了交叉跨越测量的高效率作业；应用激光雷达进行交叉跨越测量，对于沟壑纵横、陡崖等地形复杂区域，根据数字地形模型实现对真实场景的模拟，不需到现场即可完成交叉跨越高度的测量，适用于多种地形条件，因此该交叉跨越测量方法环境适应性强；在交叉跨越测量时，从数据成果中查到交叉跨越位置的同时即可得到交叉跨越线路、地面物体的高度信息，因此实现了交叉跨越测量的实时性；根据数字高程模型DEM和数字正射影像图DOM几何叠加得到的三维场景图，可以从不同视角对交叉跨越区进行观测，没有视野的局限性，因此该交叉跨越测量方法具有良好的视野范围。
附图说明
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面以绵阳电力设计院赖家吴家--罗江架空送电线路工程为例，按照图1所示工作流程，详细说明如下：
步骤一：机载激光雷达航线设计与外业数据采集
1. 根据初步设计路径方案，利用1:1万地形图进行航飞线路设计；
2. 坐标系统设计。采用绵阳2000城市坐标系，高斯投影，3度带，中央子午线经度为105°。高程基准采用1956黄海高程；
3. DEM与DOM精度设计。DEM和DOM成果须达到1:1000比例尺精度要求；
4. 仪器参数设计。根据DEM和DOM的精度要求，地面激光点间隔、相机曝光时间间隔、相机镜头焦距、点云航带重叠度、影像航行及旁向重叠度、飞行速度、飞行高度等参数；
5. 根据可研路径、地形起伏情况以及天气条件，设计科学合理的航线，使得在满足精度要求的前提下节省时间降低飞行成本。具体要求包括：
1）每条航线直线飞行时间不超过30分钟；
2）若沿线路径需要几条航线覆盖，必须保证航线间没有漏洞；
3）航飞范围应沿线路起点、终点处纵向向外延伸1km。
6. 沿线路范围（不一定非在所采集数据的线路走廊范围内）均匀布设4个地面GPS基站，确保摄区内任意位置最近基站直接的距离不超过30km；
7. 通过已知CORS站进行GPS基站点联测，获取WGS84坐标及绵阳2000坐标系坐标；
8. 飞行平台采用动力三角翼。
9. 飞机起飞之前通知各地面GPS基站开机，现在检校场进行激光雷达数据采集，然后在测区进行数据采集，采集完成后30分钟各地面GPS基站关机。
步骤二：激光雷达数据处理
激光雷达数据处理包括预处理和后处理，预处理指应用地面GPS基站数据、机载POS数据、激光测距数据进行联合解算，获取精确的航迹信息和激光点云数据；后处理指对激光点云数据、航空影像数据进行数据处理，得到激光点云分类结果（包括地面点、植被点、房屋点、电力线点）、数字地面模型DEM、数字表面模型DSM、等高线、数字正射影像图DOM等数据。
1. 数据预处理。利用地面GPS基站数据、机载POS数据进行动态差分GPS解算及卡尔曼滤波融合，得到飞行平台在各个时刻的空间三维坐标及姿态，与激光测距数据进行联合处理得到原始激光点云数据；
2. 利用机载激光雷达数据处理软件譬如TerraSolid软件（该软件是基于MicroStation平台开发的，包括TerraScan、TerraModeler、TerraPhoto、TerraMatch等模块）进行激光点云数据的分类处理，得到地面点、植被点、房屋点、电力线点等分类点云；通过地面点创建高精度的数字地面模型DEM以及等高线，通过局部最高点得到数字表面模型DSM；通过对航空影像进行空三计算、数字微分纠正、匀光匀色等处理，得到最终的数字正射影像图DOM。DEM、DSM、DOM的数据成果应满足1:1000比例尺精度要求。
3. DEM和DOM的分块。DEM的数据量相对比较小，弯曲度不是很大的话20km~30km可作为一个分块单元，对于弯曲度较大的区域则根据实际情况适当减少分块范围；DOM数据量大，采用正南正北分块，大小可为4m×4km，3km×3km等，DEM和DOM一般都采用img数据格式。
步骤三：确定交叉跨越位置
1. 在交叉跨越测量平台中，导入高分辨率正射影像图DOM，同时导入在前期应用基于激光雷达的三维优化选线系统得到的架空送电线路优化路径图；
2. 参考影像图，沿线路路径逐个确定交叉跨越，并从地物库中选择对应项进行详细的区分标识，如不同电压等级电力线、通讯线、主要公路、铁路、河流、林区、房屋等。
步骤四：交叉跨越高度测量
结合激光点云数据（主要为电力线点）、正射影像、DEM和DSM进行线路交叉跨越测量。
1. 当送电线路交叉跨越已有电力线时，应测量中线交叉点最高或最低线的线高；当中线或边线跨越杆塔顶部时，应施测杆塔顶部高程；当已有电力线左右杆塔不等高又影响跨越或穿过时，还应测量有影响侧边线交叉点最高或最低线的线高及风偏点的线高。在测电力线某点高程时，选择点云对应位置高程，系统会自动根据数字地面模型高度得出电力线相对地面的高度，直接表示在平断面图中。在电力线点高度量测时，能够进行点云数据的三维浏览，确定提取最高线或最低线后，可直接从平面交叉位置判断所需测的交叉跨越高度；
2. 对跨越的房屋等建筑物，系统根据数字表面模型DSM及数字地面模型DEM通过相减得到房屋高度；根据实地情况设定每层高度，可以确定房屋层数；
3. 主要公路和铁路交叉跨越时，从精细DEM中获取路面高程。
步骤五：交叉角测量
将架空送电力线垂直投影，用矢量线在交叉跨越测量平台标识，结合确定的优化线路，通过平面交线夹角的测量即可实现交叉角的测量。
该激光雷达交叉跨越测量方法中，激光雷达数据成果包括房屋、道路、植被、电力线和其他人工地物的高程，一个人室内即可完成全线路的交叉跨越测量；同时，在更改线路时可以直接在数据成果中找到交叉跨越位置并进行测量，避免了传统的改线需外业重新测量交叉跨越高度的问题，因此实现了交叉跨越测量的高效率作业；应用激光雷达进行交叉跨越测量，对于沟壑纵横、陡崖等地形复杂区域，根据数字地形模型实现对真实场景的模拟，不需到现场即可完成交叉跨越高度的测量，适用于多种地形条件，因此该交叉跨越测量方法环境适应性强；在交叉跨越测量时，从数据成果中查到交叉跨越位置的同时即可得到交叉跨越线路、地面物体的高度信息，因此实现了交叉跨越测量的实时性；根据DEM和DOM几何叠加得到的三维场景图，可以从不同视角对交叉跨越区进行观测，没有视野的局限性，因此该交叉跨越测量方法具有良好的视野范围。
Claims (9)
1.基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
1）根据架空送电线路可研路径及精度要求，设计航飞线路、飞行高度、系统参数，进行航飞外业数据采集；
2）通过激光雷达数据处理，得到激光点云数据分类图、数字高程模型DEM、等高线、数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM，进行架空送电线路优化设计；
3）根据正射影像图DOM，确定架空送电线路交叉跨越位置，从地物库中选择对应项并做标记；
4）综合应用激光点云数据、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM及数字正射影像图DOM进行交叉跨越高度测量；
5）在二维平面图中，将待测交叉角的线状交叉跨越和设计的线路用矢量线标识，进行交叉角的测量。
2.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于，所述步骤1）中的航飞外业数据采集为根据可研审查后的路径方案或初步设计路径方案，利用地形图或其他具有地理定位的小比例尺影像进行航飞设计和航飞外业数据采集，过程如下：
1）进行数字高程模型DEM、数字表面模型DSM与数字正射影像图DOM精度设计；
2）根据数字高程模型DEM、数字表面模型DSM与数字正射影像图DOM的精度，确定激光脚点间隔为0.5m，影像分辨率为0.1m，据此设计航高、飞行速度、拍照时间间隔、扫描频率参数；
3）沿线均匀布设至少3个地面GPS基准站，进行地面基准站联测，获取基准站的WGS84坐标及目标坐标系坐标，从而计算坐标转换参数将测绘结果转到目标坐标系下。
3.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于：所述步骤2）中的架空送电线路优化设计是将激光雷达系统获取的数据通过数据处理得到激光点云分类图、数字高程模型DEM、等高线、数字表面模型DSM及数字正射影像图DOM，其数据处理过程如下：
1）将GPS基准站数据、机载POS数据进行联合解算得到航迹数据，结合激光扫描数据，获取原始激光点云数据；
2）利用激光雷达数据处理软件进行点云数据的处理，剔除粗差点，分离出地面点、建筑物点、植被点、电力线及电塔点、铁路点等，得到不同种类的激光点云数据；应用地面点生产数字高程模型DEM和等高线，应用局部最高点生成数字表面模型DSM；
3）利用数字高程模型DEM，对航飞影像进行数字微分纠正，在此基础上进行正射影像的镶嵌及匀光匀色。
4.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于：所述步骤4）中的交叉跨越高度测量是在高分辨率数字正射影像图DOM中导入确定的架空送电线路优化路径，沿路径跟踪确定线路交叉跨越位置，过程如下：
1）在交叉跨越测量平台中，导入高分辨率正射影像图DOM，同时导入在前期应用基于激光雷达的三维优化选线系统得到的架空送电线路优化路径图；
2）参考高分辨率正射影像图DOM，沿线路路径逐个确定交叉跨越，并从地物库中选择对应项进行区分标识。
5.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于：所述步骤4）中的交叉跨越高度测量是结合激光点云数据、数字高程模型DEM及数字表面模型DSM数据进行测量，过程如下：
1）当送电线路交叉跨越已有电力线时，测量线路中线交叉点最高或最低线的线高；当中线或边线跨越杆塔顶部时，测量杆塔顶部高程；当已有电力线左右杆塔不等高又影响跨越或穿过时，还要测量有影响侧边线交叉点最高或最低线的线高及风偏点的线高；
在测电力线某点高程时，选择点云对应位置高程，系统自动根据电力线点和数字地面模型得出电力线相对地面的高度，并表示在平断面图中；
2）对跨越的房屋等建筑物，系统根据数字表面模型DSM及数字地面模型DEM通过相减得到房屋高度；根据实地情况设定每层高度，可以确定房屋层数；
3）主要公路和铁路交叉跨越时，从精细DEM中获取路面高程。
6.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于：所述步骤5）中的交叉角测量是在二维平面图中，将待测交叉角的线状交叉跨越和设计的线路用矢量线标识，进行交叉角的测量的，过程如下：
将架空送电力线垂直投影，用矢量线在交叉跨越测量平台标识，结合确定的优化线路，即可实现交叉角的测量。
7.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于：所述的数字高程模型DEM、数字表面模型DSM与数字正射影像图DOM精度设计需达到1:1000比例尺精度。
8.根据权利要求2所述的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于：所述的GPS基准站相邻间距不大于50km。
9.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达数据的电力线路交叉跨越测量方法，其特征在于：所述步骤2）中的点云数据的处理为基于MicroStation平台开发的TerraSolid软件的TerraScan模块进行激光点云数据的分类处理，所述的点云数据处理为基于MicroStation平台开发的TerraSolid软件的TerraScan模块进行激光点云数据的分类处理，应用TerraModeler模块进行进行地面模型及等高线的提取，应用TerraPhoto及其它相关软件进行正射影像的制作。
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