CN113989670A - 一种电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法，采用亚米级高分辨率光学立体像对影像和RPC文件，结合地面采集的高精度控制点，通过处理提取高精度地表DSM和点云数据；在此基础上采用滤波分类技术对点云数据进行分类，并综合卫星影像中地物特征对分类结果中的地面点进行修正，通过内插生成DEM；最后建立基于DSM和DEM空间相差模型的林木树冠高度提取方法，并通过现场采集点位验证该方法的精度。本发明解决了原有空间相差计算模型中由于DEM导致的高度提取精度失控问题。
Description
技术领域
本发明属于遥感图像电网安全应用领域，具体涉及一种针对高压输电线路林木障碍物高度快速提取方法。
背景技术
高压输电线路直接利用空气作为绝缘体，通常输电线路的高度设计遵循了国家标准，但因林木生长或极端天气等会导致林木接触或靠近电力线，容易出现树木导电或线路跳闸，危及电力线路安全运行，从而引发停电事故，严重时引起火灾，造成重大的经济损失。根据我国架空输电线路运行规程要求，220KV及以上的线路要求最大弧垂时，导线和林木之间的安全距离要不小于4.5米。为了预防输电线路安全事故的发生，国家电网输电管理和运检部门每年都要投入大量的人力、物力和财力对输电线路进行巡检，尤其对高压输电线路区域进行周期性的林木障碍物高度测量(简称树障测量)，确保线路可靠运行。现有的树障测量可分为在线监测、人工测量和航空遥感监测三类。在线监测通常在线路上安装监测设备实时监测输电线和林木之间的距离，包括光学摄像头、微波传感器或者机器人等，但是受制于测量距离、安装位置和视线区域等并不能有效解决树障监测问题。人工监测是目前电网巡检的主要手段，通常是在现场通过人工采用激光测高仪等设备对林木高度进行测量，具有较高的测量精度，但是这种方式存在劳动强度大、工作环境艰苦、劳动效率低和监测周期长等问题。随着无人机技术发展，航空遥感监测也逐渐成熟，主要是采用机载的激光雷达或者倾斜摄影技术进行树高判别和提取，但是同样面临成本高、耗时长、以及空域管制、天气影响、复杂地形环境下作业困难等问题，对长距离大范围的高压电网线路安全监测存在不足。
卫星遥感具有探测范围大、成本可控、操作简单、获取信息量大以及不受地物地貌恶劣环境影响等优势，尤其是光学遥感卫星立体成像模式可以获得较高精度的地面数字表面模型(DSM)信息，已经在正射制作、三维城市建模等方面得到广泛应用。我国发射的资源三号立体测绘卫星对我国测绘发展具有里程碑意义，它的前视、后视、正视全色地面空间分辨率分别为3.5米、3.5米、2.1米，多光谱相机的地面空间分辨伴为6米，可作为大比例尺地形图的生产数据，但是对于林木障碍物等精度要求高的立体测图还存在不足。现有获取林木高度计算模型采用DSM与数字高程模型(DEM)的差值来大面积的获取林木高度，但是其中DEM获取还是靠前期收集地形图插值生成，因此林木高度的测量精度无法得到保障，不能满足高压输电线线路安全监测的要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种针对电网输电线路林木障碍物高度快速提取的方法，是一套基于亚米级高分率立体像对的长距离大面积快速获取林木障碍物高度的创新、可行技术方法。
本发明电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法，具体步骤为：
步骤一、根据待监测输电线路区域位置，获取具有立体测图能力的光学卫星传感器的立体像对数据进行预处理，获得全色影像立体像对数据和融合后的真彩色影像数据。
步骤二、在真彩色影像数据上选择地面控制点，并标记各个控制点的点位后自动记录各个控制点的坐标以及高程。
步骤三、在真彩色影像数据上选择输电线下植被的校验点，并采集校验点位置，用测高仪测量校验点林木障碍物的高度。
步骤四、使用Inpho软件导入立体像对数据和控制点数据，控制点与全色影像立体像对的坐标系统保持一致；采用基于RPC模型的光束法区域网平差技术，通过地面控制点自动提取连接点，生成点云数据和正射影像。
步骤五、根据真彩色影像数据中实际地物特征对监测区域的点云数据进行滤波分类，构建分类模型，获取地表的数字表面模型DSM以及数字高程模型DEM数据。
步骤六、计算高压输电线路林木障碍物高度，采用基于空间相差模型的林木树冠高度提取方法，逐像素计算监测区漏洞范围内的DSM和DEM差值，得到监测区树冠高度。
步骤七、采用地面校验点对林木树冠高度提取结果的精度进行验证，根据校验点的现场测量高度和前述步骤提取的同位置点的高度值进行分析，验证方法的准确性和可用性。
本发明的优点在于：
(1)本发明电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法，基于高分辨率光学遥感卫星立体像对数据，通过基于多源信息的点云数据的分类滤波处理，解决了原有空间相差计算模型中由于DEM导致的高度提取精度失控问题，经过实际精度验证有效提高了光学遥感卫星立体测图的应用能力。
(2)本发明电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法，形成了一套基于卫星遥感的高压输电线路树障安全监测方法，将光学遥感卫星立体成像与电网通路林木高度监测进行创新融合，快速、准确地提取林木障碍物高度，对电力巡检提供了一种便捷高效的方法，有效弥补了人工巡检和无人机巡检的不足，可作为电力巡检的常规手段使用。
附图说明
图1为本发明一种电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法的技术路线图；
图2为双流金马河大桥岸树障三维模型(左)与真彩色正射影像(右)对照图；
图3为双流广山地区DSM(左)与DEM(右)生产结果图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法，包括以下步骤：
步骤一、根据待监测输电线路区域位置，获取具有立体测图能力的光学卫星传感器的立体像对数据进行预处理，并完成正射校正和全色多光谱融合处理；具有立体测图能力的光学卫星传感器采用高分辨率光学遥感卫星Pleiades，其空间分辨率为0.5米，理论上空间分辨率越高，立体测图的精度越高。具体如下：
步骤101、光学遥感卫星数据的成像时间根据当地气候和植被生长情况进行选择，通常采用5-7月份的卫星数据。光学遥感卫星立体像对数据产品包括前视和后视的两幅全色波段数据、前视和后视的多光谱波段数据和RPC文件。
步骤102、获取Pleiades立体像对数据进行预处理，包括大气校正、正射校正和全色多光谱融合处理，获得处理后的全色影像立体像对数据和融合后的真彩色影像数据。
步骤二、在真彩色影像数据上选择地面控制点，要求控制点按图幅范围均匀分布，且相邻控制点间距离相当，通常选择道路的交叉点、测量基准点、房屋的角点等不宜被破坏且容易识别的地面点。在工作区内现场采用惯导RTK设备采集地面控制点，标记各个控制点的点位后自动记录各个控制点的坐标以及高程，原则上单幅真彩色影像数据范围内地面控制点数量不少于12个。
步骤三、在真彩色影像数据上选择输电线下植被的校验点，要求校验点包含不同植被种类和不同的高度，现场采用惯导RTK设备采集校验点位置，用测高仪测量校验点林木障碍物的高度。
步骤四、使用Inpho软件导入Pleiades立体像对数据和控制点数据，控制点与全色影像立体像对的坐标系统保持一致。采用基于RPC模型的光束法区域网平差技术，通过少量的地面控制点自动提取连接点，生成点云数据和正射影像。
步骤401、在Inpho软件中选择合适的Pleiades卫星传感器，导入全色影像立体像对数据以及立体像对附带的RPC文件。
步骤402、导入RTK设备采集的地面控制点参数文件，包括控制点的坐标以及高程，均将匀分布的一部分设置为平面控制点，一部分设置为高程控制点。
步骤403、使用量测控制点工具检查所有导入的控制点质量，通过导入控制点的位置和全色影像立体像对数据中对应正确的位置进行量测，通常设置所有控制点的投影残差在5-10cm。
步骤404、使用Inpho软件自动提取连接点和区域网平差，对连接点情况进行检查，通过立体像对比较连接点的位置，对错误的连接点进行修正。部分区域连接点不足，需要适当补充人工连接点。人工处理后再对影像进行一次区域网平差处理。
步骤405、根据Pleiades立体像对的特点，设置合理的处理模型和参数，具体为：根据待监测输电线路区域地形条件选择地形类型，选择合适的平滑因子平滑以及过滤高程模型，通常平滑因子设置为中等；设置视差阈值定义重叠影像中同质点的搜索区域，通常设置视差阈值为4；根据影像分辨率设置网格的大小为0.5米，最后生成监测区域的点云数据。
步骤五、根据真彩色影像数据中实际地物特征对监测区域的点云数据进行滤波分类，构建分类模型，获取地表的数字表面模型DSM以及数字高程模型DEM数据。
步骤501、建立监测区域的点云数据分类模型，按照地物特征和地物高度分为地面点、高植被、中等植被、低植被、建筑物、低于地面点6类。
步骤502、基于地物光谱特征对真彩色影像进行分类，获得植被区、建筑区和地面区三类分类结果图斑。
步骤503、将步骤501中点云的分类结果，结合真彩色影像的分类结果进行比较，对点云数据进行编辑，将分类错误的点归于与之地物特征与高度特征匹配的点的类别中。点云数据编辑完成后将点云数据通过反距离权重平均插值法生成DSM。
步骤504、根据待监测输电线路区域位置，以输电线为中心线左右100米范围区域对点云数据进行裁切，并将非地面点错误分类为地面点单列一类，作为漏洞，去除非地面点分类结果数据，然后通过TIN自然邻域插值法对漏洞插值生成DEM。
步骤六、计算高压输电线路林木障碍物高度，采用基于空间相差模型的林木树冠高度提取方法，逐像素计算监测区漏洞范围内的DSM和DEM差值，计算公式如下：
Th＝HDSM-HDEM
其中，Th表示待监测区树冠高度，HDSM表示待监测区的数字表面模型高度结果，HDEM表示待监测区的数字高程模型高度结果。
步骤七、采用地面校验点对林木树冠高度提取结果的精度进行验证，根据校验点的现场测量高度和前述步骤提取的同位置点的高度值进行分析，验证该方法的准确性和可用性。
实施例
下面选取四川某地多载荷卫星遥感在高压电网通道安全监测中的应用项目为例，对本发明提供的一种电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法进行说明。
根据项目总体要求及技术指标，进行基础资料收集，主要包括亚米级分辨率Pleiades光学遥感数据、惯导RTK设备、电网输电线路区域矢量，输电线路通道巡检的国家标准及技术手段。将Pleiades立体像对数据全色与多光谱融合处理；在真彩色影像上布设控制点位置并采用惯导RTK实地采集同名控制点；在Inpho航测处理平台中导入立体像对、RPC文件、平高控制点，对控制点进行量测并自动生成连接点；根据影像分辨率和工作区地形条件设置适当参数生成DSM和点云数据；对点云数据滤波分类，分为地面点、高植被、中等植被、低植被、建筑物、低于地面点6类，根据待监测输电线路区域位置，以输电线为中心线左右100米范围区域对点云数据进行裁切，去除高植被和中等植被的分类结果数据，然后根据网格大小进行漏洞插值生成DEM，如图1所示。
利用空间相差模型，通过GIS技术栅格分析逐像元减法得到包含林木高度信息的栅格数据。在影像上的工作区电网输电线路林木障碍物区域布设验证点，现场采用惯导RTK采集同位置验证点获得点位高程信息，用测高仪测量点位林木障碍物的高度。将验证点分别通过比对利用高分辨率立体像对数据提取的DSM模型、DEM模型和空间相差模型的精度，得出立体模型测量的精度。
根据上述步骤建立的立体测图模型计算得到工作区电网输电线路林木障碍物的高度，以RTK采集的验证点以及测高仪测得同位置点的高度值进行对比分析，验证立体测图模型的精度，结果见表1、表2以及表3：
表1 示范试验区DSM提取结果精度验证表(单位:m)
表2 示范试验区DEM提取结果精度验证表(单位:m)
表3 示范试验区林木高度提取结果精度验证表(单位:m)
由表1可知，DSM提取结果精度验证情况为：20个外业实测点的误差，最大为-6.93m，误差率为-1.56％；最小误差为0.21m，误差率为0.05％；平均绝对误差为2.58m，平均绝对误差率为0.59％；结果表明高分辨率卫星立体像对数据提取数字表面模型精度较高，结果可靠，满足实际项目生产的精度要求。
由表2可知，DEM提取结果精度验证情况为：20个外业实测点的误差，最大为-3.51m，误差率为-0.81％；最小误差为-0.48m，误差率为-0.11％；平均绝对误差为1.75m，平均绝对误差率为0.41％；结果表明高分辨率卫星立体像对数据提取数字高程结果精度较高，模型可靠，满足实际项目生产的精度要求。
由表3可知，林木高度提取结果精度验证情况为：20个外业实测验证点的误差，最大为-4.47m，最小误差为-0.01m，平均绝对误差为1.79m；结果表明高分辨率卫星遥感立体像对数据提取得到的林木高度精度较高，提取结果可靠，满足国家输电线路运行规程要求，因此可以作为快速提取树障高度的一种重要手段。
上述实例的结果说明利用本发明提出的方法，通过高分辨率立体像对数据结合地面平高控制点，不仅能快速生产高精度电网输电线路的DSM数据，也能按监测区域范围生产高精度的DEM数据，如图2所示，通过实测树木高度验证，精度满足监测要求。通过现场测高仪采集的林木高度值与立体模型生成的高度值比较来看，立体模型以三维立体的形式较精确的还原了树木、建筑物等高度特征，如图3所示。由此可见这种方法可以快速的提取电网输电线路林木障碍物的高度。
Claims (3)
1.一种电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、根据待监测输电线路区域位置，获取具有立体测图能力的光学卫星传感器的立体像对数据进行预处理，获得全色影像立体像对数据和融合后的真彩色影像数据；
步骤二、在真彩色影像数据上选择地面控制点，并标记各个控制点的点位后自动记录各个控制点的坐标以及高程；
步骤三、在真彩色影像数据上选择输电线下植被的校验点，并采集校验点位置，用测高仪测量校验点林木障碍物的高度；
步骤四、使用Inpho软件导入立体像对数据和控制点数据，控制点与全色影像立体像对的坐标系统保持一致；采用基于RPC模型的光束法区域网平差技术，通过地面控制点自动提取连接点，生成点云数据和正射影像；
步骤五、根据真彩色影像数据中实际地物特征对监测区域的点云数据进行滤波分类，构建分类模型，获取地表的数字表面模型DSM以及数字高程模型DEM数据；
步骤六、计算高压输电线路林木障碍物高度，采用基于空间相差模型的林木树冠高度提取方法，逐像素计算监测区漏洞范围内的DSM和DEM差值，得到监测区树冠高度；
步骤七、采用地面校验点对林木树冠高度提取结果的精度进行验证，根据校验点的现场测量高度和前述步骤提取的同位置点的高度值进行分析，验证该方法的准确性和可用性。
2.如权利要求1所述一种电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法，其特征在于：步骤401的具体方法为：
a、在Inpho软件中导入全色影像立体像对数据以及立体像对附带的RPC文件；
b、导入RTK设备采集的地面控制点参数文件，包括控制点的坐标以及高程，均将匀分布的一部分控制点设置为平面控制点，一部分控制点设置为高程控制点。
c、使用量测控制点工具检查所有导入的控制点质量，通过导入控制点的位置和全色影像立体像对数据中对应正确的位置进行量测，设置所有控制点的投影残差在5-10cm；
d、使用Inpho软件自动提取连接点和区域网平差，对连接点情况进行检查，通过立体像对比较连接点的位置，对错误的连接点进行修正；部分区域连接点不足，需要补充人工连接点；人工处理后再对影像进行一次区域网平差处理；
e、根据待监测输电线路区域地形条件选择地形类型，选择合适的平滑因子平滑以及过滤高程模型，通常平滑因子设置为中等；设置视差阈值定义重叠影像中同质点的搜索区域；根据影像分辨率设置网格的大小，最后生成监测区域的点云数据。
3.如权利要求1所述一种电网输电线路林木障碍物高度快速提取方法，其特征在于：步骤5的具体方法为：
A、建立监测区域的点云数据分类模型，按照地物特征和地物高度分为地面点、高植被、中等植被、低植被、建筑物、低于地面点6类；
B、基于地物光谱特征对真彩色影像进行分类，获得植被区、建筑区和地面区三类分类结果图斑；
C、将步骤A中点云的分类结果，结合真彩色影像的分类结果进行比较，对点云数据进行编辑，将分类错误的点归于与之地物特征与高度特征匹配的点的类别中；点云数据编辑完成后将点云数据通过反距离权重平均插值法生成DSM；
D、根据待监测输电线路区域位置，以输电线为中心线左右100米范围区域对点云数据进行裁切，并将非地面点错误分类为地面点，并单列一类作为漏洞，去除非地面点分类结果数据，然后通过TIN自然邻域插值法对漏洞插值生成DEM。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20220128 Assignee: Zhongguancun Technology Leasing Co.,Ltd. Assignor: Beijing Sixiang Aishu Technology Co.,Ltd. Contract record no.: X2023980053646 Denomination of invention: A Fast Method for Extracting the Height of Forest Obstacles in Power Grid Transmission Lines Granted publication date: 20220712 License type: Exclusive License Record date: 20231225 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Fast Method for Extracting the Height of Forest Obstacles in Power Grid Transmission Lines Effective date of registration: 20231226 Granted publication date: 20220712 Pledgee: Zhongguancun Technology Leasing Co.,Ltd. Pledgor: Beijing Sixiang Aishu Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2023980074429 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |