CN106441233B - 基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，包括：A、将激光雷达数据测量技术和倾斜摄影技术相结合，利用激光雷达测量技术快速构建输电线路通道高精度三维底图数据；B、利用倾斜摄影测量技术获取通道走廊的三维实景数据；C、通过三维实景信息和激光雷达通道底图融合分析，实现通道走廊内树木及障碍物的有效识别和提取，进而生成树障评估报告。采用本发明方法，能够有效地将定性树障分析转化为定量分析，并能够计算出通道内待砍伐树木的位置、统计其砍伐面积，从而保障线路走廊的安全运行。

Description

基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法

技术领域

本发明涉及架空输电线路的走廊通道巡检技术，尤其涉及一种基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法。

背景技术

架空输电线路的走廊通道巡检，目前主要以人工巡检、有人直升机巡检和无人机巡检为主，主要集中在对线路本身的缺陷和通道外力进行巡检。然而无论是人工巡检、有人直升机巡检还是无人机巡检多是利用可见光、红外相机或摄像机获取图像和视频数据，只能对缺陷和故障进行定性的识别(偏向对杆塔、导线的缺陷进行定性判别)，无法做到定量识别。

还有一种架空输电线路缺陷依赖于定量测量，即架空输电线路树障分析。所谓架空输电线路树障主要是指输电线路走廊保护区内树木生长过快，超过《架空输电线路安全运行规程》规定的安全距离，容易造成导线、树木间放电或闪络发生，需要及时对超过安全范围的树木进行砍伐。树木对导线距离的估算主要是依靠巡检人员目测法心算弧垂到树顶距离，需要从多种角度观察，但由于受到距离和角度影响，这种方法存在很大的人为观察角度和错觉影响，不能准确评估其距离。

另外，也有一些电网公司引进大型激光雷达系统对输电线路通道走廊缺陷进行定量测量识别，但由于激光雷达系统造价昂贵，巡检成本高，巡检一次时间周期长，往往多年才能巡检一遍，因此时效性较差。

目前市场上也出现了小型化的激光雷达系统，其价格虽然由千万级别降到几百万，但其成本相比人工巡检还是很高，此外利用哪种模式在电力巡线中尚缺乏可靠的应用依据。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，能够对电力通道走廊内树木及障碍物进行有效识别和提取，进而快速生成树障评估报告，保障线路走廊的安全运行。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，包括：

A、将激光雷达数据测量技术和倾斜摄影技术相结合，利用激光雷达测量技术快速构建输电线路通道高精度三维底图数据；

B、利用倾斜摄影测量技术获取通道走廊的三维实景数据；以及，

C、通过三维实景信息和激光雷达通道底图融合分析，实现通道走廊内树木及障碍物的有效识别和提取，进而生成树障评估报告。

其中，步骤A所述利用激光雷达测量技术快速构建输电线路通道高精度三维底图数据，具体为：

利用有人直升机搭载激光雷达扫描系统获取该区域高精度激光雷达点云数据，利用点云处理系统对采集的激光点云数据进行滤波、点云分类、提取、三维模型制作等处理后，最终生成输电线路通道高精度三维模型地图数据。

步骤A之前进一步包括：获取实验区的施工设计图和本区域的气候、气象资料，以便进行导线应力和风偏、弧垂计算。

步骤B所述利用倾斜摄影测量技术获取通道走廊的三维实景数据，具体为：

利用有入直升机或无人机搭载倾斜摄影系统，获取试验区域倾斜摄影数据，并利用IMOS-3D模型生成软件，自动生成该区域三维实景数据。

步骤C所述进行通道走廊内树木及障碍物的有效识别的过程，包括：

利用通道高大树木障碍物分布识别算法，将激光雷达数据提取的底图矢量数据与高精度通道点云数据进行融合分析，判断识别通道内不满足安全规定的障碍物。

所述判断识别通道内不满足安全规定的障碍物的过程，具体为：

c1、通过激光雷达点云数据的处理可得出杆塔及导线的矢量信息；

c2、按照一定的距离取导线上任意一截面，根据导线的悬链线方程，计算获得该截面上由于风偏形成的导线圆弧，圆的半径即该点的弧垂；满足检测条件的通道点云数据向该截面做投影，形成地面点的投影截面；

c3、依次计算地面点投影截面上任一点到圆弧的最短距离，如满足安全距离则该点为安全点，否则为不安全点，进行标出。

步骤C所述生成树障评估报告的过程为：将导线弧垂计算结果，通过统计分析方法生成专门的树障统计分析报告。

本发明所提供的基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，具有以下优点：

1)本发明通过将激光雷达数据测量技术和倾斜摄影技术相结合形成基于倾斜摄影三维重建的电力通道走廊巡检技术，利用激光雷达测量技术快速构建输电线路通道高精度三维底图数据，并利用倾斜摄影测量技术获取通道走廊的三维实景信息，然后通过三维实景信息和激光雷达通道底图融合分析，实现通道走廊内树木及障碍物的有效识别和提取，进而快速生成树障评估报告，定量计算通道内待砍伐树木的位置、统计其砍伐面积，从而保障线路走廊的安全运行。

2)应用本发明方法，能够有效地将定性树障分析转化为定量分析，通过此方法的长期推广应用，可有效提取输电线路巡检树障发生规律，做到故障提前预警。

附图说明

图1为本发明给予倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法所采用的两种测量技术示意图。

图2为本发明基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法的流程示意图。

图3为本发明方法中生成输电线路通道高精度三维模型地图数据的过程示意图。

图4为本发明方法中生成该区域实景三维数据的过程示意图。

图5为激光雷达点云数据生成的杆塔及导线矢量信息示意图。

图6为满足检测条件的通道点云数据向该截面做投影形成地面点的投影截面示意图。

图7为精确计算待砍伐树木的数量及面积必须考虑以下几个因素示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法作进一步详细的说明。

近年来倾斜摄影技术逐渐成为国际遥感与测绘领域迅速发展起来的一项高新技术。航空倾斜影像不仅能够真实地反映地物情况，通过采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域，并使遥感影像的行业应用更加深入。同时还可快速生产重构目标区域三维模型，其已经逐步取代传统手工建模，成为新的目标三维重构的重要方式。

我们引入航空测量方法，结合架空输电线路走廊环境的特点，将机载激光测量技术和倾斜摄影测量技术相结合，通过激光点云和倾斜点云的有效融合，实现对输电线路走廊中的树线矛盾进行准确测量和评估，采用激光点云和倾斜点云相结合的方式进行输电线路巡检，比传统激光测量技术成本大大降低，达到电网企业能够承受程度，电力企业采用激光点云和倾斜点云相结合的巡检方式，可以实现季检、月检，甚至可以实现周检。另外，我们还研制了激光点云和倾斜点云融合测量分析平台，可以自动计算树木距离，评估出超过输电线路走廊树线安全距离阈值的树木范围，做到树障准确测量评估。

经我们调研将激光点云和倾斜点云两种点云测量技术相结合实现架空输电线路走廊树障分析未见专著、未见相关论文。

所述激光点云主要是利用三维激光雷达扫描仪扫描输电线路走廊通道获取，利用激光点云可以提取架空输电线路导线，导线比较细，需要高精度扫描设备才能准确采集，另外导线多为钢制材料，其机械强度大、耐热性高，相对静态，空间位置(包括弧垂)不易产生变化，利用激光雷达扫描一次提取导线，在线路不发生改线情况下，可作为长期有效的参照物。

而输电线路走廊保护区内树木的生长速度比较快，特别是南方桉树生长迅速，1天可以长高3～5厘米，一个月可长高1米以上，极易对上方的导线产生影响，这种影响包括机械影响和放电影响，急需廉价的、小型化的、经济的巡检手段对其进行巡检，特别是周检，我们利用倾斜点云来实现对树木生长情况的采集，可准确获取树木的高度信息和空间位置信息，同时倾斜点云采集设备廉价、重量轻、精度高，适合多种类型无人机和有人直升机平台搭载，满足定期日常巡检维护作业要求。

采用激光点云和倾斜点云相结合的输电线路巡检测量方法有效的弥补了激光雷达价格昂贵、巡检成本高、只能做到年检的缺陷，充分发挥倾斜点云数据获取快、成本低、精度高、成果全的优势。我们的创新在于将两种点云测量技术相结合，充分发挥两种测量手段的优势，利用激光点云获取输电线路导线，利用倾斜点云获取树木生长情况，即兼顾静态目标又兼顾动态目标，既能精确反映输电线路走廊空间关系又能准确测量树线距离，且我们开发了专门的输电线路巡检树障分析平台可将两种点云同时加载、准确测量树线距离，并结合架空输电线路运行规程要求，实现了树障自动分析定位。

图1为本发明给予倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法所采用的两种测量技术示意图。所述两种测量技术，即激光点云测量方法和倾斜点云测量方法。

1)所述激光点云测量方法简介。

机载激光雷达(Airborne Light Detection and Ranging)系统是一种将激光用于定向回波测距，通过位置径向速度及物体反射特性等信息来识别目标的系统。它集中体现了激光测距技术、高精度动态载体姿态测量技术、高精度动态GPS差分定位技术和计算机技术的迅速发展，是近十年来遥感领域革命性的成就之一，也是目前最先进的三维航空遥感技术。

激光扫描测量是通过激光扫描器和距离传感器来获取被测目标的表面形态。激光扫描器一般由激光发射器、接收器、时间计数器、微电脑等组成。激光脉冲发射器周期地驱动激光：极管发射激光脉冲，然后由接收透镜接收目标表而后向反射信号，产生接收信号，利用稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数，经由微电脑对测量资料进行内部微处理，显示或存储、输出距离和角度资料，并与距离传感器获取的数据相匹配，最后经过相应系统软件进行一系列处理，获取目标表而三维坐标数据，从而进行各种量算或建立立体模型。

光探测与测量(Light DetectionAnd Ranging，Lidar)技术的特点：

——航空激光扫描测量系统是一种直接主动式测量方法，它可以用来记录建筑物、地物、地貌的变迁情况。

——它是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。

——可以不需要事先埋设控制点进行控制测量，只需在测区附近地面的已知点上，安置一个或几个GPS基准站即可。

——与其他传统测量手段相比，航空激光扫描测量系统具有数据采集速度快、测量数据精度高、外业作业成本低、数据处理自动化程度高等优点。

——可以对危险地区安全地实行远距离高精度测量。

——数据采集高度数字化、自动化，数据处理过程高度自动化，最后可以直接获得传统“4D”产品。

——可以区分地面及非地面物体。

——受天气条件的影响远小于航空摄影测量。

——生产效率大大提高。

2)倾斜点云测量方法简介。

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。该技术获取的数据范围大、精度高，数据生产自动化从而大大降低了三维模型的生产周期和成本，生产的成果数据具有模型真实、现势性强、全要素等特点，可以更好的为国土、房产、城管、应急、公众互联网等多个领域提供空间信息服务，也为地理信息产业的发展开启了新的篇章。

倾斜摄影技术特点：

特点一：反映地物周边真实情况。相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大的弥补了基于正射影像应用的不足。

特点二：倾斜影像可实现单张影像量测。通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。

特点三：建筑物侧面纹理可采集。针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。

特点四：数据量小易于网络发布。相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。

图2为本发明基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法的流程示意图。如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤1：将激光雷达数据测量技术和倾斜摄影技术相结合，利用激光雷达测量技术快速构建输电线路通道高精度三维底图数据。

步骤2：利用倾斜摄影测量技术获取通道走廊的三维实景数据。

步骤3：通过三维实景信息和激光雷达通道底图融合分析，实现通道走廊内树木及障碍物的有效识别和提取，进而快速生成树障评估报告。

下面以一个实际应用场景为例，详细说明本发明基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法的应用过程。

(1)选择树障高发区域作为试验区域，获取该实验区的施工设计图和本区域的气候、气象资料，这是后面进行导线应力和风偏、弧垂计算的关键。

(2)利用有人直升机搭载激光雷达扫描系统获取该区域高精度激光雷达点云数据，利用点云处理系统(如我方自主研发的IMOS-cloud点云处理软件)，对采集的激光点云数据进行滤波、点云分类、提取、三维模型制作等处理后，生成输电线路通道高精度三维模型地图数据，如图3所示。

(3)利用有人直升机或无人机搭载倾斜摄影系统，快速获取试验区域倾斜摄影数据，利用自主研发的IMOS-3D模型生成软件，自动生成该区域实景三维数据，如图4所示。

(4)通过通道高大树木等障碍物分布识别算法，将激光雷达数据提取的底图矢量数据与高精度通道点云数据进行融合分析，判断识别通道内不满足安全规定的障碍物。

该识别算法的基本流程如下：

a、通过激光雷达点云数据的处理可得出杆塔及导线的矢量信息。如图5所示，为激光雷达点云数据生成的杆塔及导线矢量信息示意图。

b、按照一定的距离取导线上任意一截面，如图6所示，根据导线的悬链线方程，可计算获得该截面上由于风偏形成的导线圆弧，圆的半径即该点的弧垂。满足检测条件的通道点云数据向该截面做投影，形成地面点的投影截面。

c、依次计算地面点投影截面上任一点到圆弧的最短距离，如满足安全距离则该点为安全点，否则为不安全点，进行标出。

(5)将导线弧垂计算结果，通过统计分析方法快速生成专门的树障统计分析报告。

本发明采用的关键技术，还包括树木生长对输电线路影响到模型分析技术。尽管输电线路走廊带的植被会在一定程度上减弱输电线路引起的电磁影响，但是植被随着时间的推移会不断地长高，部分树木会超出输电线路的限高标准，影响输电的正常运行，在雷电、雨雪等恶劣天气的情况下，有可能造成更严重的电力事故，因此如果能够准确的构建树木生长对输电线路的影响模型，就可以有效的模拟输电线路走廊树木生长过程对输电线路的影响，从而有效评估与预测树木需要砍伐的时间、砍伐数量、砍伐面积等。

本发明的上述技术验证了倾斜摄影系统获取三维走廊信息的可行性，树木生长对输电线路影响的模型仅解决砍伐数量和砍伐面积问题，而对树木生长速度的建模需要长期的测量累计数据才能建立起来，不在本技术考虑的范围内。要精确计算出待砍伐树木的数量及面积必须考虑以下几个因素，如图7所示：

A、输电导线风偏系数。

b、通道走廊内高分辨率、高精度的三维测量信息。

c、精确的导线和杆塔位置数据，导线属性信息，比如导线横截面积、应力系数等，及周围环境要素，比如：常年的最大风速、温度、覆冰情况等。

本发明基于倾斜摄影三维重建的电力通道走廊巡检技术的优势如下：

一、数据获取更便捷安全。激光雷达与倾斜摄影相结合，各取所长；长周期静态三维数据与高频次实景三维数据相融合；比可见光或目视巡检更准确；多种飞行平台选择，包括有人机和无人机。其中，无人机里包括多轴、固定翼等类型。各地方可以根据实际情况灵活选用相应的方案，大大提高了实战能力。

二、自动化数据处理。自动化数据处理，快速生成标准电力走廊真实三维实景和正摄影像。自动识别定位杆塔、导线等关键部件位置。及时出具数值分析报告。

三、专业的树障分析技术。融合了实时监测数据、线路资产数据，提供综合风扇、导线应力等多种因素的专业树障分析模型。能够快速生成定量化的树障分析报告。

基于本发明的技术可以为电力巡检提供新的巡检作业模式，即超高压输电公司机巡作业部负责导线的扫描(一次扫描多年使用)，各地方局利用无人机搭载倾斜摄影设备对通道内树木生长情况做高频次的扫描(在树木快速生长周期内可以做到每周一巡)，彻底制服树木碰线的顽疾。本发明结合了航测领域最先进的激光雷达扫描与倾斜摄影扫描两种点云计算技术，为生产第一线服务，具有较高的应用价值。具体价值如下所列：

(1)既可保障获取高精度的导线及杆塔等架空输电线路数据，又可降低激光雷达系统的使用次数，减少搭载激光雷达等贵重传感器的使用风险；

(2)利用倾斜摄影技术快速构建通道走廊的三维信息相对原来用可见光视频或目视监测的手段更准确更可靠；

(3)利用同一区域两种类型的定量化数据进行融合处理，可最大限度的实现处理和判读的自动化，可直接生成待清障区域的专题报告。

(4)基于此技术为电力企业输电线路走廊定量化树障分析提供了一条解决之道，特别适合南方树障频发区域推广使用，将大大降低巡检成本。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，其特征在于，包括：

A、将激光雷达数据测量技术和倾斜摄影技术相结合，利用激光雷达测量技术快速构建输电线路通道高精度三维底图数据；

B、利用倾斜摄影测量技术获取通道走廊的三维实景数据；以及，

C、通过三维实景信息和激光雷达通道底图融合分析，实现通道走廊内树木及障碍物的有效识别和提取，进而生成树障评估报告,其中，判断识别通道内不满足安全规定的障碍物的过程，具体为：

c1、通过激光雷达点云数据的处理可得出杆塔及导线的矢量信息；

c2、按照一定的距离取导线上任意一截面，根据导线的悬链线方程,计算获得该截面上由于风偏形成的导线圆弧，圆的半径即该点的弧垂；满足检测条件的通道点云数据向该截面做投影，形成地面点的投影截面；

c3、依次计算地面点投影截面上任一点到圆弧的最短距离，选取最短距离满足安全距离的点为安全点，否则为不安全点，进行标出。

2.根据权利要求1所述基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，其特征在于，步骤A所述利用激光雷达测量技术快速构建输电线路通道高精度三维底图数据，具体为：

利用有人直升机搭载激光雷达扫描系统获取待测区域高精度激光雷达点云数据，利用点云处理系统对采集的激光点云数据进行滤波、点云分类、提取、三维模型制作等处理后，最终生成输电线路通道高精度三维模型地图数据。

3.根据权利要求1或2所述基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，其特征在于，步骤A之前进一步包括：获取实验区的施工设计图和本区域的气候、气象资料，以便进行导线应力和风偏、弧垂计算。

4.根据权利要求1所述基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，其特征在于，步骤B所述利用倾斜摄影测量技术获取通道走廊的三维实景数据，具体为：

利用有人直升机或无人机搭载倾斜摄影系统，获取实验区域倾斜摄影数据，并利用IMOS—3D模型生成软件，自动生成所述实验区域三维实景数据。

5.根据权利要求1所述基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，其特征在于，步骤C所述实现通道走廊内树木及障碍物的有效识别的过程，包括：

利用通道高大树木障碍物分布识别算法，将激光雷达数据提取的底图矢量数据与高精度通道点云数据进行融合分析，判断识别通道内不满足安全规定的障碍物。

6.根据权利要求1所述基于倾斜摄影三维重建技术的电力通道走廊巡检方法，其特征在于，步骤C所述生成树障评估报告的过程为：将导线弧垂计算结果，通过统计分析方法生成专门的树障统计分析报告。