一種適合于輸電線路設計的激光點云分類與質檢的方法

鄭彥春，黃 兵，楊永文，張 棟，潘 娟

(1.電力規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.北京洛斯達科技發(fā)展有限公司，北京 100120)

0 引言

近年來，激光雷達技術作為實現電力數字化的一種重要手段，已經廣泛應用于電力工程中，并產生了海量的、豐富的數字化成果。

數字化成果的質量直接影響工程應用成效，為了盡可能提升數據質量和精度，侯國瑞[1-3]等從點云密度、航帶覆蓋范圍、覆蓋完整性、點云精度和定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system，POS)精度等方面對航飛獲取的數據進行質量檢查。李慧姝等[4-6]學者研究激光雷達基本應用成果中的數字高程模型(digital elevation model，DEM)和數字表面模型(digital surface model，DSM)質量檢查，其研究的主要方向在于分析成果影響的因素，提出質檢內容、要求和評定指標，通過人工、半自動和自動檢查成果質量等。王強輝[7]等對點云分類工作流程進行集約化管理，以提高成果質量。翟成森[8]研究激光點云應用于實景三維項目中成果模型的質量檢查。

眾多學者主要圍繞相關規(guī)范在激光雷達數據獲取[9-11]、處理[12-13]和應用成果[14-15]中提到的質量因素進行研究。而縱觀整個激光點云數據處理的工序中，有60%～80%的工作在于點云分類上。主要原因在于目前的點云自動分類能力不全面，分類結果不完善，即使加入人工精細修編，仍然容易出現錯誤的問題。這個環(huán)節(jié)往往被眾多學者忽略，學者們也僅限于研究質檢常用的基本點云類別。對于輸電線路工程來說，其檢查的內容和方法僅能提供有限的參考和借鑒，并不能滿足電力設計優(yōu)化選線的應用。為了保證這個階段點云分類的合理性與準確性，本文結合某輸電線路工程電力優(yōu)化選線項目，探討了點云分類設計的內容與質檢的方法，為輸電線路激光點云分類處理提供借鑒。

1 點云分類設計

1.1 電力設計要求

輸電線路路徑選擇是輸電線路設計的重要內容之一，也是體現數字化技術的關鍵環(huán)節(jié)。在路徑選擇時，既要考慮技術、安全、經濟、施工及運行的要求，又要符合社會各相關行業(yè)協議的要求，還應滿足自然生態(tài)的要求。這期間將考慮到規(guī)劃、國土、林業(yè)、地礦、文物、環(huán)保、地震、水利水電、通信、文化、軍事、航空、鐵路、公路、供電等多個部門，及其相關的自然和人工地物對路徑的影響。

隨著“西電東送”戰(zhàn)略的實施，電網網架的升級，高電壓、遠距離傳輸的輸電線路建設不斷增多。此時的輸電線路通道內環(huán)境更加復雜多變，影響因素也更加多樣化。王剛[16]將這些影響因素歸納為禁止通過區(qū)域(嚴格避讓區(qū))和可以通過區(qū)域(成本計算區(qū))，再細分為線路本體影響因子、自然環(huán)境影響因子和社會環(huán)境影響因子。本文結合輸電線路路徑選擇的原則、特點、方法、內容深度、路徑協議、通道設計的原則和內容，歸納整理出影響因子中的具體地物及設計要求。

1)地面。導線對地面有最小距離，以及與山坡、峭壁和巖石之間有最小凈空距離的要求。立塔時要求地形良好，避免陡峭山坡等不良塔位。微氣象微地形影響線路安全運行。

2)植被。導線對林區(qū)、宜林地、果園、經濟作物、城市綠化灌木及街道行道樹有最小垂直距離和最小凈空距離的要求。在通道清理中，需要統(tǒng)計林木砍伐量。同時考慮生態(tài)環(huán)境的影響。

3)電力線、塔及附屬設施。導線與低壓電力線和弱電線路(通信線、電話線路、廣播線路)平行、交叉跨越時有距離和交叉角度的要求。與弱電線路平行時有長度要求。與它們平行時，會對附近線路產生容性耦合和感性耦合。當跨越重要電力線時應采用獨立耐張段。為避免電磁干擾，導線對通訊塔(微波塔)有安全距離的要求，對無線臺站有防護距離要求及氣象設施和氣象探測有環(huán)境保護的要求。

4)管道。導線對石油、天然氣管道(地上和埋地管道)和索道等有最小水平距離要求，當與它們平行接近或交叉時，要根據協議的要求。線路事故倒塔影響管道，容性耦合影響在管道上會產生靜電。

5)房屋及附屬設施。導線與建筑物之間有凈空距離、垂直距離和水平距離的要求。在通道清理中，需要統(tǒng)計房屋拆遷量，并考慮主房、輔房和庭院的拆遷原則。

6)道路。導線與公路交叉或接近時，有交叉角度、最小垂直距離和最小水平距離的要求。當跨越高速公路，應采用獨立耐張段。線路近可能靠近道路，方便施工和運行。

7)鐵路。導線與鐵路交叉或接近時，有交叉角度、最小垂直距離和最小水平距離的要求。當跨越高速鐵路應采用獨立耐張段。

8)工廠。導線對采石場、煙花爆竹廠和地面爆破場所等有安全距離的要求。地面爆破場所個別飛散物對人員的安全允許距離有要求，爆破飛石、爆破空氣沖擊波對輸電線路外部允許距離有要求。

9)危險品庫。導線對火藥庫、炸藥庫、油氣庫、爆破器材、加油加氣站、油氣井和氧氣站等危險品有爆破距離、防火間距和安全距離的要求。

10)機場。導線對機場有凈空和障礙物限制面等的要求。

11)風機。考慮線路事故倒塔對風機的影響或者風機事故倒機對線路的影響，導線對風機有距離要求。

12)寺廟。從人文因素考慮，應尊重民俗，避免跨越寺廟等敏感設施。

13)墳墓。從人文和經濟因素考慮，避免在墳地上立塔。

14)水系。導線對通航河流和非通航河流有最小垂直和水平距離的要求。線路應選在河道相對狹窄、兩岸地形較高、地質條件較好的地段。

1.2 點云分類的類別與要求

機載激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)是一種非接觸、主動的遙感測量技術，不受天氣、光照等條件的制約，能夠快速、高效、安全地獲取地表目標的空間信息。例如，在輸電線路工程中，它能夠獲取輸電通道內地形、建筑物、電力線、電力塔、植被、鐵路和公路等地物的空間信息，并以點云的形式呈現。其中，原始點云的類別屬性相同，無法根據每個點來區(qū)分地物類別。這就需要將原始點云進行進一步的處理，賦予每個點相應地物的類別屬性，方便后續(xù)成果的制作及應用。

目前，架空輸電線路電力設計工程中對地物有自身的側重點及要求，而已有的基本點云分類內容和要求并不能滿足此類領域的要求。因此，如何設計出一套適合的點云分類內容及要求是電力設計領域開展激光雷達技術深入應用的關鍵。本文根據輸電線路電力設計的要求，結合機載激光雷達技術的特點，提出一種適合輸電線路電力設計優(yōu)化選線要求的點云分類內容和要求。將點云分成31 種類型，見表1所列。

表1 點云分類列表

2 點云分類質量檢查的內容及方法

在輸電線路工程中，尤其是超高壓和特高壓輸電線路，每條線路常常跨多個省份，距離多達上千公里，利用機載激光技術獲取的點云數據量也多達TB 級別。面對體量如此之大，點云類別如此之多的數據，如何檢查各種地物點云分類的正確性對后續(xù)點云的應用是至關重要的。本文提出一種可視化的點云分類質檢方法，通過不同的點云顯示模式，多視角、正射和立體方式檢查點云分類的質量，確保每種地物點云分類的正確性。

2.1 檢查內容

2.1.1 空間參考系

1)大地基準。檢查點云分類后的坐標系統(tǒng)是否符合要求。

2)高程基準。檢查點云分類后的坐標系統(tǒng)是否符合要求。

3)地圖投影。檢查點云分類后的地圖投影各參數是否符合要求。

2.1.2 屬性精度

1)分類正確性。檢查點云分類后各類別地物的正確程度。

2)屬性正確性。檢查點云分類后各類別地物屬性的正確性。

2.1.3 完整性

1)多余數據。檢查點云分類后各類別層是否含有非本層的數據。

2)遺漏數據。檢查點云分類后各類別層是否遺漏數據。

3)增刪數據。檢查點云分類后是否增加無用或者重復的點，或者刪除重要的地物點。

4)丟失屬性。檢查點云分類后各點包含的屬性值及類別有無丟失。

2.1.4 合理性

1)數據精簡。檢查點云分類后各類別點精簡程度是否合理，有無丟失精度或者丟失地物細節(jié)特征。

2)地物形態(tài)。檢查點云分類后各類別地物點形態(tài)是否合理，有無異常或者突變點。

2.2 檢查流程

按以下三個步驟檢查分類后的點云。首先，根據每種地物的特點，選擇合適的顯示模式。然后，通過多視角、正射和立體的方式檢查每種分類地物的空間參考系、屬性精度、完整性和合理性。最后，輸出檢查報告。質檢技術流程如圖1 所示。

圖1 質檢技術流程圖

2.3 檢查方法

開始檢查分類后的點云之前，先確定點云包含的屬性。這是因為利用不同的激光設備及解算參數得到的點云，其屬性種類略有不同。但這些點云都會包含常用的基本屬性，利用這些屬性可以輔助檢查點云分類。其中，利用點坐標屬性，就可以開啟高程、深度、陰影和高程分層設色的顯示模式，利用類別屬性、強度屬性、航線屬性和彩色屬性，可以開啟相應的顯示模式，并且可以組合不同的顯示模式。各種顯示及組合模式如圖2 所示。

圖2 多種顯示模式

當檢查每一種地物時，應根據該地物自身的特點，選擇合適的顯示模式。為了提高檢查的效率，可以將該地物顯示在多窗口中，每個窗口顯示不同的模式，并且保持窗口間的實時聯動。接著，就可以按多視角、正射和立體的方式，先檢查點云的整體情況，再檢查細部情況。

2.3.1 多視角檢查

多視角檢查主要包括俯視圖、剖面圖和旋轉視圖的方式，如圖3 所示。檢查時，以俯視圖為主，對于無法判別的地物，再運用剖面圖和旋轉視圖來換個角度查看。

圖3 多視角檢查

1)俯視圖檢查。俯視圖是一種從上往下查看地物的視圖，通過這個視角俯瞰點云，各種分類后的地物盡收眼底。其主要優(yōu)勢在于，一方面，它能方便地查看點云分類的整體情況，比如，點云是否完整、有無空洞、有無缺漏未分類的地物和空間坐標系是否正確等情況；另一方面，它能方便查看有明顯特征地物的分類情況，比如，根據電力線的連續(xù)性特征，能方便地查看分類后的電力線有無缺失。并結合電力線分布，能判斷電力塔有無漏分，通常，在電力線中，每隔一定的距離會有一個電力塔，當相鄰兩個電力塔間的檔距過大，就有可能是中間漏分了其他電力塔。根據建筑物的棱角特征，它能方便判斷其他形態(tài)不規(guī)則的地物有無錯分成建筑物，或者建筑物錯分成其他地物。再一方面，將點云量占比大的地面、默認點、植被點、噪點和空氣點隱藏顯示，再整體檢查其他地物點，它能很容易判斷是否有孤立的點分成地物點。

2)剖面圖檢查。剖面圖是用一個帶有一定寬度的平面垂直剖切地物，再將剖開的地物投影到另一個平面上的視圖。通過剖面圖，能清楚地查看地物的內部結構，比如，在檢查地面點分類時，通過剖切地面點重構的表面模型來判斷地面是否連續(xù)、光滑，以及是否有錯分漏分的情況。對于在俯視圖中無法判別的地物，也常常通過剖切該地物來查看內部情況。

3)旋轉視圖檢查。旋轉視圖是圍繞自定義的一個基點來旋轉角度形成的視圖，它能方便從任意視角查看地物。一般，通過旋轉視圖來判斷俯視圖和剖面圖無法判別的地物。

2.3.2 正射檢查

在多視角檢查點云分類中，有些地物無法根據點云屬性和形態(tài)進行判別。此時，通過疊加正射影像圖，從視覺上能直觀地判斷地物的類別，并且，能方便檢查點云分類中有無多余或缺漏的地物，如圖4 所示。使用正射檢查的方式，同樣支撐多窗口實時同步的顯示模式。即增加一個窗口，用于疊加正射影像圖，同步輔助多視角檢查分類后的地物。

2.3.3 立體檢查

對于多視角和正射檢查都難以判斷的地物，可以疊加立體模型進行檢查，如圖5 所示。這些地物常常隱藏在植被里或者植被下，再或者小而細，很難被發(fā)現或者判斷。而立體模型是通過未采樣的原始影像構成的，具有分辨率高的特點。此時，通過佩戴立體眼鏡，就能清楚判斷地物類別，以及其他有無多余或者缺漏的地物。

圖5 立體檢查

3 工程應用

以某輸電線路工程為例，首先，利用本文提出的點云分類類別和要求進行點云分類。然后，運用本文提出的方法對分類后的點云進行質檢。最后，評定分類檢查的效率和檢查的質量及分類應用的效果。

3.1 項目概況

該輸電線路工程總長度760 km，本次選擇其中具有代表性的124.6 km 進行應用驗證。選取的線路海拔從10 至1 000 m，跨越山地、丘陵和平地等多種地形，同時跨越不同茂密程度的植被，并且跨越的地物數量多、復雜度高。

針對這種地形地物的應用，更能體現機載激光雷達技術的優(yōu)勢。在本區(qū)域中，采用直升機搭載激光雷達系統(tǒng)獲取點云數據，同時搭載高分辨率的航空相機獲取影像數據，并收集實測外業(yè)調繪信息。全線點云密度大于30 pts/m2，線路中重要交叉跨越的點密度大于100 pts/m2，點云總數據量達到655 GB。

3.2 分類檢查

分類檢查采用型號為DELL Precision T7920，參數為處理器為intel(R)Xeon(R) Gold6226R，主頻2.90 GHz，內存128G 的臺式工作站，使用的網絡為萬兆局域網。

分類檢查前，需要預先將點云和影像數據進行處理，得到分類后的點云成果、正射影像和立體影像。分類檢查時，根據檢查的地物種類選擇相應的顯示模式，并在多視角、正射和立體下檢查點云分類的質量。

分類檢查結果：在總面積為178.888 km2的地面點，總面積為171.117 km2的植被點，總長度為253 736.154 m 的電力線點，總基數為4 048 基的桿塔點，總面積為1 317 087.730 km2的房屋點，總長度為47 432.721 m 的道路點，總長度為3 386.741 m 的鐵路點，總面積為223 847.193 m2的大棚點，總面積為143 241.075 m2的光伏板點和管道點、院墻點、工廠點、危險品庫點、水系、標牌等其他點中，檢查出有問題的量占總量的比例如圖6 所示。

圖6 分類檢查結果

3.3 評定檢查結果

3.3.1 檢查效率

影響檢查效率的主要因素為，工程長度、總數據大小、地物復雜程度、各種地物總量和有問題的地物總量等。在工程線路總長度124.6 km，數據量655 GB，點密度30 pts/m2以上、植被覆蓋率大于95%，地物復雜程度高的情況下，按照本文提出的點云分類要求和質檢方法處理，點云分類質檢時間為3.5 h。

3.3.2 檢查質量

將檢查的結果和外業(yè)調繪中實測的地物進行比較，得出點云分類質檢的正確率為98%。其中，未質檢出來的區(qū)域主要是一些茂密植被下形態(tài)模糊的地物。從結果可以看出，本文提供的方法能及時、準確地查找出點云分類的問題。

3.4 評定分類應用效果

在輸電線路電力設計優(yōu)化選線中，應用本文提出的點云分類種類成果后，線路路徑優(yōu)化選線的效率得到了明顯提升。主要表現在，在選線時，能直觀地看到線路周圍地物的位置和分布，實時量取地物較高精度的距離信息，這讓設計人員能有效地避開眾多障礙物。當線路跨越鐵路、高速公路、電力線和植被等地物時，設計人員能準確獲取被跨物的高度信息。在線路后續(xù)的跨房跨樹統(tǒng)計中，為設計人員提供了準確的地物統(tǒng)計數據。另外在后續(xù)的三維建模中，提供了完善的、較精準的各類模型數據。

4 結語

本文結合輸電線路實際生產經驗，指出激光雷達在電力設計方面的點云分類內容和要求，并提出了可視化的點云分類成果質量檢查方法。通過某輸電線路工程中的應用，表明本文中指出的點云分類內容具有合理性及質量檢查方法切實可行，能為相關從業(yè)人員開展點云分類及質量檢查與評定提供參考。

本文提出的點云分類內容和要求適用于輸電線路電力設計，當激光雷達應用于其他領域時，可適當調整點云分類的類型。在點云分類質檢方面，本文的方法具有通用性，但隨著激光雷達技術的不斷發(fā)展，點云分類算法越來越成熟，自動化水平也越來越高，人機交互檢查點云分類的方式也會朝著全自動化的方向發(fā)展。