一种适合于输电线路设计的激光点云分类与质检的方法

2024-01-09郑彦春杨永文

电力勘测设计 2023年12期

郑彦春，黄兵，杨永文，张栋，潘娟

(1.电力规划设计总院，北京 100120；2.北京洛斯达科技发展有限公司，北京 100120)

0 引言

近年来，激光雷达技术作为实现电力数字化的一种重要手段，已经广泛应用于电力工程中，并产生了海量的、丰富的数字化成果。

数字化成果的质量直接影响工程应用成效，为了尽可能提升数据质量和精度，侯国瑞[1-3]等从点云密度、航带覆盖范围、覆盖完整性、点云精度和定位定姿系统(position and orientation system，POS)精度等方面对航飞获取的数据进行质量检查。李慧姝等[4-6]学者研究激光雷达基本应用成果中的数字高程模型(digital elevation model，DEM)和数字表面模型(digital surface model，DSM)质量检查，其研究的主要方向在于分析成果影响的因素，提出质检内容、要求和评定指标，通过人工、半自动和自动检查成果质量等。王强辉[7]等对点云分类工作流程进行集约化管理，以提高成果质量。翟成森[8]研究激光点云应用于实景三维项目中成果模型的质量检查。

众多学者主要围绕相关规范在激光雷达数据获取[9-11]、处理[12-13]和应用成果[14-15]中提到的质量因素进行研究。而纵观整个激光点云数据处理的工序中，有60%～80%的工作在于点云分类上。主要原因在于目前的点云自动分类能力不全面，分类结果不完善，即使加入人工精细修编，仍然容易出现错误的问题。这个环节往往被众多学者忽略，学者们也仅限于研究质检常用的基本点云类别。对于输电线路工程来说，其检查的内容和方法仅能提供有限的参考和借鉴，并不能满足电力设计优化选线的应用。为了保证这个阶段点云分类的合理性与准确性，本文结合某输电线路工程电力优化选线项目，探讨了点云分类设计的内容与质检的方法，为输电线路激光点云分类处理提供借鉴。

1 点云分类设计

1.1 电力设计要求

输电线路路径选择是输电线路设计的重要内容之一，也是体现数字化技术的关键环节。在路径选择时，既要考虑技术、安全、经济、施工及运行的要求，又要符合社会各相关行业协议的要求，还应满足自然生态的要求。这期间将考虑到规划、国土、林业、地矿、文物、环保、地震、水利水电、通信、文化、军事、航空、铁路、公路、供电等多个部门，及其相关的自然和人工地物对路径的影响。

随着“西电东送”战略的实施，电网网架的升级，高电压、远距离传输的输电线路建设不断增多。此时的输电线路通道内环境更加复杂多变，影响因素也更加多样化。王刚[16]将这些影响因素归纳为禁止通过区域(严格避让区)和可以通过区域(成本计算区)，再细分为线路本体影响因子、自然环境影响因子和社会环境影响因子。本文结合输电线路路径选择的原则、特点、方法、内容深度、路径协议、通道设计的原则和内容，归纳整理出影响因子中的具体地物及设计要求。

1)地面。导线对地面有最小距离，以及与山坡、峭壁和岩石之间有最小净空距离的要求。立塔时要求地形良好，避免陡峭山坡等不良塔位。微气象微地形影响线路安全运行。

2)植被。导线对林区、宜林地、果园、经济作物、城市绿化灌木及街道行道树有最小垂直距离和最小净空距离的要求。在通道清理中，需要统计林木砍伐量。同时考虑生态环境的影响。

3)电力线、塔及附属设施。导线与低压电力线和弱电线路(通信线、电话线路、广播线路)平行、交叉跨越时有距离和交叉角度的要求。与弱电线路平行时有长度要求。与它们平行时，会对附近线路产生容性耦合和感性耦合。当跨越重要电力线时应采用独立耐张段。为避免电磁干扰，导线对通讯塔(微波塔)有安全距离的要求，对无线台站有防护距离要求及气象设施和气象探测有环境保护的要求。

4)管道。导线对石油、天然气管道(地上和埋地管道)和索道等有最小水平距离要求，当与它们平行接近或交叉时，要根据协议的要求。线路事故倒塔影响管道，容性耦合影响在管道上会产生静电。

5)房屋及附属设施。导线与建筑物之间有净空距离、垂直距离和水平距离的要求。在通道清理中，需要统计房屋拆迁量，并考虑主房、辅房和庭院的拆迁原则。

6)道路。导线与公路交叉或接近时，有交叉角度、最小垂直距离和最小水平距离的要求。当跨越高速公路，应采用独立耐张段。线路近可能靠近道路，方便施工和运行。

7)铁路。导线与铁路交叉或接近时，有交叉角度、最小垂直距离和最小水平距离的要求。当跨越高速铁路应采用独立耐张段。

8)工厂。导线对采石场、烟花爆竹厂和地面爆破场所等有安全距离的要求。地面爆破场所个别飞散物对人员的安全允许距离有要求，爆破飞石、爆破空气冲击波对输电线路外部允许距离有要求。

9)危险品库。导线对火药库、炸药库、油气库、爆破器材、加油加气站、油气井和氧气站等危险品有爆破距离、防火间距和安全距离的要求。

10)机场。导线对机场有净空和障碍物限制面等的要求。

11)风机。考虑线路事故倒塔对风机的影响或者风机事故倒机对线路的影响，导线对风机有距离要求。

12)寺庙。从人文因素考虑，应尊重民俗，避免跨越寺庙等敏感设施。

13)坟墓。从人文和经济因素考虑，避免在坟地上立塔。

14)水系。导线对通航河流和非通航河流有最小垂直和水平距离的要求。线路应选在河道相对狭窄、两岸地形较高、地质条件较好的地段。

1.2 点云分类的类别与要求

机载激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)是一种非接触、主动的遥感测量技术，不受天气、光照等条件的制约，能够快速、高效、安全地获取地表目标的空间信息。例如，在输电线路工程中，它能够获取输电通道内地形、建筑物、电力线、电力塔、植被、铁路和公路等地物的空间信息，并以点云的形式呈现。其中，原始点云的类别属性相同，无法根据每个点来区分地物类别。这就需要将原始点云进行进一步的处理，赋予每个点相应地物的类别属性，方便后续成果的制作及应用。

目前，架空输电线路电力设计工程中对地物有自身的侧重点及要求，而已有的基本点云分类内容和要求并不能满足此类领域的要求。因此，如何设计出一套适合的点云分类内容及要求是电力设计领域开展激光雷达技术深入应用的关键。本文根据输电线路电力设计的要求，结合机载激光雷达技术的特点，提出一种适合输电线路电力设计优化选线要求的点云分类内容和要求。将点云分成31 种类型，见表1所列。

表1 点云分类列表

2 点云分类质量检查的内容及方法

在输电线路工程中，尤其是超高压和特高压输电线路，每条线路常常跨多个省份，距离多达上千公里，利用机载激光技术获取的点云数据量也多达TB 级别。面对体量如此之大，点云类别如此之多的数据，如何检查各种地物点云分类的正确性对后续点云的应用是至关重要的。本文提出一种可视化的点云分类质检方法，通过不同的点云显示模式，多视角、正射和立体方式检查点云分类的质量，确保每种地物点云分类的正确性。

2.1 检查内容

2.1.1 空间参考系

1)大地基准。检查点云分类后的坐标系统是否符合要求。

2)高程基准。检查点云分类后的坐标系统是否符合要求。

3)地图投影。检查点云分类后的地图投影各参数是否符合要求。

2.1.2 属性精度

1)分类正确性。检查点云分类后各类别地物的正确程度。

2)属性正确性。检查点云分类后各类别地物属性的正确性。

2.1.3 完整性

1)多余数据。检查点云分类后各类别层是否含有非本层的数据。

2)遗漏数据。检查点云分类后各类别层是否遗漏数据。

3)增删数据。检查点云分类后是否增加无用或者重复的点，或者删除重要的地物点。

4)丢失属性。检查点云分类后各点包含的属性值及类别有无丢失。

2.1.4 合理性

1)数据精简。检查点云分类后各类别点精简程度是否合理，有无丢失精度或者丢失地物细节特征。

2)地物形态。检查点云分类后各类别地物点形态是否合理，有无异常或者突变点。

2.2 检查流程

按以下三个步骤检查分类后的点云。首先，根据每种地物的特点，选择合适的显示模式。然后，通过多视角、正射和立体的方式检查每种分类地物的空间参考系、属性精度、完整性和合理性。最后，输出检查报告。质检技术流程如图1 所示。

图1 质检技术流程图

2.3 检查方法

开始检查分类后的点云之前，先确定点云包含的属性。这是因为利用不同的激光设备及解算参数得到的点云，其属性种类略有不同。但这些点云都会包含常用的基本属性，利用这些属性可以辅助检查点云分类。其中，利用点坐标属性，就可以开启高程、深度、阴影和高程分层设色的显示模式，利用类别属性、强度属性、航线属性和彩色属性，可以开启相应的显示模式，并且可以组合不同的显示模式。各种显示及组合模式如图2 所示。

图2 多种显示模式

当检查每一种地物时，应根据该地物自身的特点，选择合适的显示模式。为了提高检查的效率，可以将该地物显示在多窗口中，每个窗口显示不同的模式，并且保持窗口间的实时联动。接着，就可以按多视角、正射和立体的方式，先检查点云的整体情况，再检查细部情况。

2.3.1 多视角检查

多视角检查主要包括俯视图、剖面图和旋转视图的方式，如图3 所示。检查时，以俯视图为主，对于无法判别的地物，再运用剖面图和旋转视图来换个角度查看。

图3 多视角检查

1)俯视图检查。俯视图是一种从上往下查看地物的视图，通过这个视角俯瞰点云，各种分类后的地物尽收眼底。其主要优势在于，一方面，它能方便地查看点云分类的整体情况，比如，点云是否完整、有无空洞、有无缺漏未分类的地物和空间坐标系是否正确等情况；另一方面，它能方便查看有明显特征地物的分类情况，比如，根据电力线的连续性特征，能方便地查看分类后的电力线有无缺失。并结合电力线分布，能判断电力塔有无漏分，通常，在电力线中，每隔一定的距离会有一个电力塔，当相邻两个电力塔间的档距过大，就有可能是中间漏分了其他电力塔。根据建筑物的棱角特征，它能方便判断其他形态不规则的地物有无错分成建筑物，或者建筑物错分成其他地物。再一方面，将点云量占比大的地面、默认点、植被点、噪点和空气点隐藏显示，再整体检查其他地物点，它能很容易判断是否有孤立的点分成地物点。

2)剖面图检查。剖面图是用一个带有一定宽度的平面垂直剖切地物，再将剖开的地物投影到另一个平面上的视图。通过剖面图，能清楚地查看地物的内部结构，比如，在检查地面点分类时，通过剖切地面点重构的表面模型来判断地面是否连续、光滑，以及是否有错分漏分的情况。对于在俯视图中无法判别的地物，也常常通过剖切该地物来查看内部情况。

3)旋转视图检查。旋转视图是围绕自定义的一个基点来旋转角度形成的视图，它能方便从任意视角查看地物。一般，通过旋转视图来判断俯视图和剖面图无法判别的地物。

2.3.2 正射检查

在多视角检查点云分类中，有些地物无法根据点云属性和形态进行判别。此时，通过叠加正射影像图，从视觉上能直观地判断地物的类别，并且，能方便检查点云分类中有无多余或缺漏的地物，如图4 所示。使用正射检查的方式，同样支撑多窗口实时同步的显示模式。即增加一个窗口，用于叠加正射影像图，同步辅助多视角检查分类后的地物。

2.3.3 立体检查

对于多视角和正射检查都难以判断的地物，可以叠加立体模型进行检查，如图5 所示。这些地物常常隐藏在植被里或者植被下，再或者小而细，很难被发现或者判断。而立体模型是通过未采样的原始影像构成的，具有分辨率高的特点。此时，通过佩戴立体眼镜，就能清楚判断地物类别，以及其他有无多余或者缺漏的地物。

图5 立体检查

3 工程应用

以某输电线路工程为例，首先，利用本文提出的点云分类类别和要求进行点云分类。然后，运用本文提出的方法对分类后的点云进行质检。最后，评定分类检查的效率和检查的质量及分类应用的效果。

3.1 项目概况

该输电线路工程总长度760 km，本次选择其中具有代表性的124.6 km 进行应用验证。选取的线路海拔从10 至1 000 m，跨越山地、丘陵和平地等多种地形，同时跨越不同茂密程度的植被，并且跨越的地物数量多、复杂度高。

针对这种地形地物的应用，更能体现机载激光雷达技术的优势。在本区域中，采用直升机搭载激光雷达系统获取点云数据，同时搭载高分辨率的航空相机获取影像数据，并收集实测外业调绘信息。全线点云密度大于30 pts/m2，线路中重要交叉跨越的点密度大于100 pts/m2，点云总数据量达到655 GB。

3.2 分类检查

分类检查采用型号为DELL Precision T7920，参数为处理器为intel(R)Xeon(R) Gold6226R，主频2.90 GHz，内存128G 的台式工作站，使用的网络为万兆局域网。

分类检查前，需要预先将点云和影像数据进行处理，得到分类后的点云成果、正射影像和立体影像。分类检查时，根据检查的地物种类选择相应的显示模式，并在多视角、正射和立体下检查点云分类的质量。

分类检查结果：在总面积为178.888 km2的地面点，总面积为171.117 km2的植被点，总长度为253 736.154 m 的电力线点，总基数为4 048 基的杆塔点，总面积为1 317 087.730 km2的房屋点，总长度为47 432.721 m 的道路点，总长度为3 386.741 m 的铁路点，总面积为223 847.193 m2的大棚点，总面积为143 241.075 m2的光伏板点和管道点、院墙点、工厂点、危险品库点、水系、标牌等其他点中，检查出有问题的量占总量的比例如图6 所示。

图6 分类检查结果

3.3 评定检查结果

3.3.1 检查效率

影响检查效率的主要因素为，工程长度、总数据大小、地物复杂程度、各种地物总量和有问题的地物总量等。在工程线路总长度124.6 km，数据量655 GB，点密度30 pts/m2以上、植被覆盖率大于95%，地物复杂程度高的情况下，按照本文提出的点云分类要求和质检方法处理，点云分类质检时间为3.5 h。

3.3.2 检查质量

将检查的结果和外业调绘中实测的地物进行比较，得出点云分类质检的正确率为98%。其中，未质检出来的区域主要是一些茂密植被下形态模糊的地物。从结果可以看出，本文提供的方法能及时、准确地查找出点云分类的问题。

3.4 评定分类应用效果

在输电线路电力设计优化选线中，应用本文提出的点云分类种类成果后，线路路径优化选线的效率得到了明显提升。主要表现在，在选线时，能直观地看到线路周围地物的位置和分布，实时量取地物较高精度的距离信息，这让设计人员能有效地避开众多障碍物。当线路跨越铁路、高速公路、电力线和植被等地物时，设计人员能准确获取被跨物的高度信息。在线路后续的跨房跨树统计中，为设计人员提供了准确的地物统计数据。另外在后续的三维建模中，提供了完善的、较精准的各类模型数据。