CN102662179A - 基于机载激光雷达的三维优化选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机载激光雷达的三维优化选线方法，根据线路可研路径进行航飞设计，根据设计参数，激光雷达进行航飞外业数据采集；通过数据预处理，将激光测距数据与POS系统定位数据联合解算得到激光点云数据；通过数据后处理，得到点云分类图、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、等高线和数字正射影像图DOM；并导入到三维优化选线系统中，进行线路路径选择，查看线路走廊周边地貌，进行线路优化设计；结合三维影像及平断面，在选线软件中进行预排杆和排杆作业，输出影像路径图；然后进行线路平断面制图，进行定线测量。该方法在三维优化选线系统中借助断面图及正射影像实现预排杆和排杆作业，生成电力行业部门所需的平断面图，提高了选线作业效率。

Description

基于机载激光雷达的三维优化选线方法

技术领域

本发明属于架空送电线路选线技术领域，具体涉及一种基于机载激光雷达的三维线路优化设计方法。

背景技术

目前，国内的架空高压输电线路优化选线工程通常采用卫星影像和航空摄影测量相结合的技术手段来实现，即根据卫星影像或其他小比例尺地形图进行大方案比选，确定推荐路径方案，通过航空摄影测量方法获取沿线路径2km~3km宽度范围的航空影像像对，通过布设像控点，利用数字摄影测量工作站进行空中三角加密测量，恢复像对立体模型，从而构建线路走廊的三维场景，在此基础上选线设计人员需借助专用辅助设备（比如立体眼镜、立体显示屏等）才能进行三维场景图的浏览，并进行线路的三维优化选线作业。根据优化选线结果，航测内业作业人员借助数字摄影测量系统逐点进行平断面的采集编辑工作，设计人员依据平断面图进行预排杆和排杆工作。尽管基于卫星影像和航空摄影测量的优化选线技术已有近十年的历史，但该技术存在以下不可避免的缺点：a.航飞外业气象条件适应性差。由于摄影测量属于被动成像方式，对气象条件要求比较高，比如大的太阳高度角、没有云雾等。b.无法穿透植被。航空摄影测量无法穿透植被，在植被覆盖密集的区域无法进行像控点测量，无法获取植被以下的地形信息，从而在平断面和树高信息采集上显得无能为力。c.效率低。航空摄影测量的内业数据处理必须借助于大量的外业加密控制点测量，对于不规则区域的数据处理还要加大像控点的密度，大大降低了数据处理的速度。d.硬件平台要求高。基于航空摄影测量方法的三维优化选线必须在摄影测量工作站上进行，包括要求垂直扫描频率大于100Hz的CRT显示器及用于立体观测的辅助设备（立体眼镜、手轮、脚盘及立体显示屏，或其它替代设备）；e.三维可视化不直观。基于航空摄影测量方法的三维场景需要借助于专门的设备才能看到，作业人员需佩戴立体镜方可在三维场景下的进行优化选线，长时间操作容易造成眼睛疲劳，并且在立体观测时人体左右移动容易产生影像错位现象。

发明内容

本发明针对上述基于航空摄影测量的架空输电线路优化选线方法存在的不足，提出一种可在植被覆盖区高精度测图、三维可视化直观、选线排杆一体化等性能的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，实现平断面及塔基断面的自动化出图，提高选线作业效率。

基于激光雷达的三维选线优化方法，该优化方法按以下步骤进行：1）根据线路可研路径进行航飞设计，根据设计参数，激光雷达进行航飞外业数据采集；2）通过数据预处理，将激光测距数据与POS系统定位数据联合解算得到激光点云数据；通过数据后处理，得到不同地物点云分类图、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、等高线以及数字正射影像图DOM；3）将点云数据、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM以及等高线导入到三维优化选线系统，借助于数据产品的特点进行路径选择，通过三维浏览查看线路走廊周边地貌，进行线路优化；4）结合三维影像及平断面，在选线软件中进行预排杆和排杆，排杆确定后输出影像路径图；5）输出影像图，并进行平断面的快速制图，用于外业放样定线测量。

所述的航飞设计结合机载激光雷达、数码相机及已有测绘资料进行，其步骤是：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并进行航飞外业数据采集，其过程为：1）DEM、DSM与DOM精度设计，DEM、DSM与DOM成果需达到1:1000比例尺精度要求；2）系统参数及航高设计，根据DEM、DSM及DOM的精度，确定激光脚点间隔为0.5m，影像分辨率为0.1m，据此设计飞行线路、航高、飞行速度、拍照时间间隔、脉冲频率、扫描角等参数；3）沿线均匀布设至少3个地面GPS基准站，并确保两相邻基准站间距不大于50km，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成果转到目标坐标系下。

所述的数据处理的过程为：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分类处理，剔除粗差点，分离出地面点、地物点，通过软件模块应用地面点生产数字高程模型DEM和等高线，利用局部最高点生成数字表面模型DSM；3）参考数字高程模型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，得到数字正射影像图DOM。

所述的线路优化过程为：1）将点云数据、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、等高线及数字正射影像图DOM导入到三维优化选线系统中，以实现对这些数据的管理和应用；2）结合高分辨率二维影像图、等高线、任意方向的断面图，根据线路设计规范进行线路初选；3）通过DEM与DOM的几何叠加得到三维真实场景图，将架空输电线路按设计高程及弧垂得到三维图，进行线路及地形的三维浏览，查看线路与周围地物间的空间关系，进行线路优化。

所述的预排杆和排杆过程为：1）在选线软件中，根据确定线路的路径自动显示断面图，结合断面图及二维正射影像进行线路预排杆；2）通过影像图及三维浏览，查看是否有塔位，及时进行线路排杆调整。

所述的输出影像图及平断面图的过程为：1）根据已确定的选线路径，进行中线及左右边线断面数据自动提取，同时自动判断左右风偏并在平断面图中标记；2）根据数字正射影像图DOM进行线路中心线左右两侧一定距离范围内平面地物的快速采集，对于树高、房高等根据数字表面模型DSM和数字高出模型DEM自动获取，参考电力线点即地面模型获取交叉跨越电力线的高程。 

所述的点云数据处理为采用基于MicroStation平台开发的TerraSolid软件中的TerraScan模块进行激光点云数据的分类处理，应用TerraModeler软件模块进行DEM、DSM以及等高线的制作，应用TerraPhoto及其它相关软件进行DOM的制作。

所述的平断面图其平面比例尺为1:5000，高程比例尺为1:500。

所述的飞行平台为无人机或动力三角翼。

所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，所述的机载激光雷达包括激光雷达系统、飞行平台、数据采集模块、激光雷达数据处理及应用模块，所述的激光雷达系统采用900nm～1550nm的激光。

激光波长短，用于地形测绘的激光脉冲波长一般在900nm～1550nm之间，在植被区域形成多次回波，激光雷达系统能够同时获取植被及其以下地表的激光反射回波从而获取其数据信息，用该技术进行线路优化设计能够参考植被及其以下精确地形信息，能够进行植被高度的测量，使得线路设计人员对待砍伐植被有准确的统计数据信息，因此能够实现植被覆盖区的高精度测量；通过数字地面模型DEM和正射影像DOM的几何叠加，得到肉眼可见的直观真实三维场景图，并可进行放大、缩小、漫游以及360度旋转等浏览，选线人员应用笔记本电脑即可在三维场景图中进行选线及效果浏览，因此实现直观的三维可视化选线；基于机载激光雷达的三维优化选线方法地面采样密度高，可以快速查看断面，实时获取树高、房高、交叉跨越线路高程，同时结合断面以及正射影像图即可完成排杆作业，因此实现了选线排杆一体化作业；基于机载激光雷达的三维优化选线方法可在室内完成线路优化工作，可以不考虑地质条件下外业改线工作，因此外业工作量减小，提高了优化选线工作效率。 

附图说明

图1所示为丹巴-小金220kV架空送电线路工程的工作流程图。

具体实施方式

以丹巴-小金220kV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：机载激光雷达航飞设计

1.根据初步设计路径方案，利用1:10000地形图进行航飞线路设计；

2.坐标系统设计。采用1954北京坐标系，高斯投影，3度带，中央子午线经度为102°。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，进行地面激光点间隔、扫描角、相机曝光速度、相机镜头焦距、点云航带重叠度、影像航向及旁向重叠度、飞行速度、飞行高度等参数设计；

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.飞行平台采用小松鼠直升机或动力三角翼。

步骤二：机载激光雷达数据采集

1.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5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；

2.通过已知CORS站进行GPS基站点联测，获取WGS84坐标及北京1954坐标系坐标；

3.选择检校场；

4.飞机起飞之前30分钟通知各地面GPS基站开机，先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。

步骤三：激光雷达系统预处理

1.综合应用地面GPS基站数据、机载POS系统中的GPS数据进行载波相位差分处理，得到飞行载体的三维空间坐标数据，并进行解算精度评定。此解算过程中地面GPS基站坐标值采用联测坐标值，而不是加载数据后软件自动计算的坐标值；

2.将飞行载体的三维空间坐标数据与IMU数据进行卡尔曼滤波融合，得到精确的航迹文件，记录飞行各个时刻平台的空间三维坐标及姿态；

3.结合航迹数据、激光测距数据、姿态角、设备安装初始参数得到原始激光点云数据；

4.通过检校场数据进行仪器参数检校，主要获取空三解算的摄影机曝光时刻的roll、pitch、heading姿态角与IMU量测的统一时刻的roll、pitch、heading姿态角的精确偏心值，再将这些值应用到激光点云数据中，得到高精度的数据结果。进行航空相机的检校，得到精确的内方位元素值。

步骤四：机载激光雷达数据处理

1.利用机载激光雷达数据处理软件点云数据的处理，比如进行激光点云数据的滤波分类处理，剔除粗差点，分离出地面点、房屋点、植被点；

2.应用地面点生产数字高程模型DEM和等高线，利用局部最高点生成数字表面模型DSM，DEM和DSM要能够满足1:1000比例尺精度要求；

3.进行影像的正射纠正，需要高精度数字地面模型DEM、航迹文件、相机文件、相片编号与曝光时间记录文件，用以计算每幅影像的外方位元素；通过在影像重叠区自动选择连接点，进行空中三角测量计算及平差，得到每幅影像精确地外方位元素；最后结合数字地面模型，对每幅影像进行数字微分纠正，得到正射纠正的单幅影像。最后进行影像的镶嵌及匀光匀色处理，DOM数据成果应满足1:1000比例尺精度要求；

4.DEM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；

5.DOM的分块。DOM数据量大，采用正南正北分块，大小可为4m×4km，3km×3km等，一般采用Img数据格式；

6.根据地面GPS基站数据计算WGS84到北京1954坐标的转换参数，将所有测绘成果转换到北京54坐标系下。

步骤五：将DEM、DSM、等高线、DOM等数据产品导入到三维优化选线平台中，进行线路优化设计。

1.将DEM、DSM、等高线、激光点云数据、DOM等数据产品中导入到三维优化选线平台中，实现对数据的快速调度、管理与应用；

2.参考电力线路设计规范进行线路设计，执行技术规范如下：

《110~500kV架空送电线路设计技术规程》DL/T 5092-1999 

《220kV~500kV紧凑型架空送电线路设计技术规程》DL/ 5217-05 

3.选线平台中，通过对DEM、DSM、等高线、DOM数据的快速压缩、索引实现对其快速调度与管理，具体如下：

1）等高线叠加到正射影像图上，作为平面参考信息；

2）加载的DEM和DSM，使得能够实时获取不同方向的断面图，作为立体信息参考，同时能够获取植被、房屋等高程信息；

3）方便的选线辅助工具，包括多种方法的塔位安放、连线、塔位编辑等；

4.将DEM与DOM进行几何叠加，实现肉眼可见的走廊三维场景的构建。通过三维浏览（包括实际地物地貌的三维浏览以及线路的三维浏览），可以直观地看到设计线路与周围地物地貌的空间三维关系，尤其是线路弧垂与地物距离是否在允许范围内、模拟风偏是否达到要求等；

5.线路确定后，对选定线路走廊范围内的点云数据进行精细编辑分类，确保不影响后续的平断面绘制以及排杆定位。

步骤六：综合参考选定线路的断面（包括中线及左右边线）、正射影像图、三维塔基地形图进行预排杆/排杆

1.根据所选路径，按照10m采样间隔（视实际地形条件而定，地势平坦区域可适当加大间隔距离，对于地形起伏大、复杂的区域，要减小采样间隔距离）从DEM数据中自动提取断面数据，包括线路中线及左右边线；

2.综合参考平面正射影像图及断面图进行预排杆，结合塔基三维地形图可直接从图中判段区域内是否有塔位；

3.在预排杆中发现线路不合理，进行线路微调整，线路上的杆塔随之移动。预排杆通过，进行下一步骤操作。

步骤七：半自动平断面数据采集

1.根据优化选线路径成果，进行进行中线及左右边线断面数据自动提取。（注：对于跨越山区的线路，模拟风场，在三维场景中浏览，确定绘制风偏断面位置）

2. 参考高分辨率数字正射影像图对线路中心线两侧要求范围（如50m、30m、20m等）进行平面地物的快速采集，包括道路、河、塘、沟、房、树的边界绘制，并从编码库中选择对应项进行标识，对于隐蔽地物如通讯线等，需借助航外调绘进行采集；

3. 房高、树高信息获取中，借助于DSM和DEM自动获取高程，设定每层房屋高程可自动判断房屋楼层数；

4. 对于已有线路的交叉跨越，从点云数据中提取线的高程；

5. 根据电力设计部门要求，平断面图中，平面比例尺为1:5000，高程比例尺为1:500。

步骤八：批量自动绘制塔基断面图

通过优化选线及排杆定位，确定了每级塔的位置，再通过以下步骤即可得到每个塔位的塔基断面图，用于终勘放样。

1.确定塔脚位置

根据不同高压等级电线确定塔基范围，如20m×20m的以铁塔中桩为中心的圆形或者正方形区域，再根据选定的塔型、转角角度确定四个塔脚的方向线，从而与塔基范围相交即可得到四个塔脚的坐标信息。

2.批量自动生成所有塔位的ORG格式塔基断面图

本发明中所采用的激光雷达系统的激光波长短，波长一般在900nm～1550nm之间，在植被区域形成多次回波，激光雷达系统能够同时获取植被及其以下地表的激光反射回波从而获取其数据信息，用该技术进行线路优化设计能够参考植被及其以下精确地形信息，能够进行植被高度的测量，使得线路设计人员对待砍伐植被有准确的统计数据信息，因此能够实现植被覆盖区的高精度测量；通过数字地面模型DEM和正射影像DOM的几何叠加，得到肉眼可见的直观真实三维场景图，并可进行放大、缩小、漫游以及360度旋转等浏览，选线人员应用笔记本电脑即可在三维场景图中进行选线及效果浏览，因此实现直观的三维可视化选线；基于机载激光雷达的三维优化选线方法地面采样密度高，可以快速查看断面，实时获取树高、房高、交叉跨越线路高程，同时结合断面以及正射影像图即可完成排杆作业，因此实现了选线排杆一体化作业；基于机载激光雷达的三维优化选线方法可在室内完成线路优化工作，可以不考虑地质条件下外业改线工作，因此外业工作量减小，提高了优化选线工作效率。

Claims (10)

1.基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

   1）根据线路可研路径进行航飞设计，根据设计参数，激光雷达进行航飞外业数据采集；

   2）通过数据预处理，将激光测距数据与POS系统定位数据联合解算得到激光点云数据；通过数据后处理，得到点云分类图、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、等高线以及数字正射影像图DOM；

   3）将点云数据、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM以及等高线导入到三维优化选线系统中，综合这些数据产品的特点进行线路路径选择，然后通过三维浏览查看线路走廊周边地貌，进行线路优化设计；

   4）结合三维影像及平断面，在选线软件中进行预排杆和排杆作业，排杆确定后输出影像路径图；

   5）输出影像图，进行线路平断面制图，用于外业放样定线测量。

2.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述步骤1）中的航飞设计为结合激光雷达系统、数码相机参数以及已有测绘资料进行，根据可研审查后的路径方案或初步设计路径方案，利用地形图或其它具有地理定位的小比例尺影像进行航飞设计，并进行航飞外业数据采集，包括以下步骤：

   1）数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM精度设计，数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM生成数据需达到1:1000比例尺精度要求；

   2）系统参数及航高设计，根据数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、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，据此设计飞行线路、航高、飞行速度、拍照时间间隔、脉冲频率、扫描角等参数；

   3）沿线均匀布设至少3个地面GPS基准站用于航飞时对飞行平台的进行动态差分定位，并确保两相邻基准站间距不大于50km；通过地面基准站联测，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，将测绘成果转换到目标坐标系下。

3.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述步骤2）中的数据预处理包括以下步骤：

   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、各类地物点，应用地面点生产数字高程模型DEM和等高线，利用局部最高点生成数字表面模型DSM；

   3）参考高精度数字高程模型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图的镶嵌及匀光匀色，得到数字正射影像图DOM。

4.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述步骤3）中的线路优化设计包括以下步骤：

   1）将点云数据、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM、等高线及数字正射影像图DOM导入到三维优化选线系统中，以实现对这些数据的管理和应用；

   2）结合高分辨率二维影像图、等高线、植被和房屋的高度信息、任意方向的断面图以及线路设计规范进行线路初选；

   3）通过数字高程模型DEM与数字正射影像图DOM的几何叠加得到三维真实场景图，将架空输电线路按设计高程及弧垂得到三维图，进行三维浏览，查看线路与周围地物间的空间关系，进行线路优化。

5.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述步骤4）中的预排杆包括以下步骤：

   1）在选线软件中，根据确定线路的路径自动显示断面图，结合断面图及二维正射影像进行线路预排杆；

   2）通过影像图及三维浏览，查看是否有塔位，及时进行线路排杆调整。

6.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述步骤5）中的输出影像图及平断面图包括以下步骤：

　 1）根据已确定的选线路径，进行线路中线及左右边线断面数据自动提取，同时自动判断左右风偏并在平断面图中做出相应标记；

　 2）根据数字正射影像图DOM进行线路中心线左右两侧一定距离范围内平面地物的快速采集，对于树高、房高等根据数字表面模型DSM和数字高程模型DEM自动获取，参考电力线点及地面模型获取交叉跨越电力线的高程。

7.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述的飞行平台为无人机或动力三角翼。

8.根据权利要求3所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述步骤2）中的点云数据处理为采用基于MicroStation平台开发的TerraSolid软件中的TerraScan模块进行激光点云数据的分类处理。

9.根据权利要求6所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述的平断面图其平面比例尺为1:5000，高程比例尺为1:500。

10.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达的三维优化选线方法，其特征在于：所述的机载激光雷达包括激光雷达系统、飞行平台、数据采集模块、激光雷达数据处理及应用模块，所述的激光雷达系统采用900nm--1550nm的激光。

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