基于B/S架構(gòu)的激光雷達(dá)電力巡線可視化管理與分析系統(tǒng)*

梁磊，習(xí)曉環(huán)，王成，王金亮，黃友菊

(1 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，昆明 650500；4 廣西壯族自治區(qū)自然資源遙感院，南寧 530023)(2020年5月21日收稿；2020年7月28日收修改稿)

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展對(duì)高壓、長(zhǎng)距離輸電線路的安全性提出了更高的要求，線路里程越來越長(zhǎng)，空間分布范圍越來越廣[1-2]，穿越的地理環(huán)境也愈發(fā)復(fù)雜。電力巡檢是保證用電安全的重要手段，傳統(tǒng)方法使用肉眼和普通裝備效率低、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，且對(duì)穿越復(fù)雜地理環(huán)境的線路無能為力[3]。

激光雷達(dá)測(cè)距(light detection and ranging，LiDAR)是一種主動(dòng)遙感技術(shù)，通過集成激光掃描系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)，直接獲取地物表面高密度、高精度的三維空間信息和強(qiáng)度信息[4]，搭載于直升機(jī)或無人機(jī)上的LiDAR系統(tǒng)可以快速獲取輸電線路走廊的精細(xì)三維點(diǎn)云，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波、分類、三維建模等處理[5-6]，實(shí)現(xiàn)電力走廊各地物、地表形態(tài)的真實(shí)三維場(chǎng)景渲染，為線路的安全運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供高精度的數(shù)字模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。但是點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常數(shù)據(jù)量大、離散、不規(guī)則分布等，桌面端的電力巡線軟件對(duì)硬件配置要求高，系統(tǒng)資源高占比，加上學(xué)習(xí)成本高[7]，對(duì)當(dāng)前輸電線路通道海量數(shù)據(jù)高效管理和調(diào)度帶來挑戰(zhàn)。隨著網(wǎng)速的大幅提高，Web技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，其自由、可共享、在線處理等優(yōu)點(diǎn)讓用戶可以只需安裝瀏覽器就可在任何設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[7-9]。

針對(duì)激光點(diǎn)云在Web端的可視化已有諸多研究，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理方式上可分為3種：1)利用部署在服務(wù)器上的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，充分利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)高效的索引、存儲(chǔ)、備份和恢復(fù)策略，如Ye等[10]、Cura等[11]分別采用ASP.NET等技術(shù)，基于PostgreSQL和WebGL實(shí)現(xiàn)了Web端的三維點(diǎn)云渲染；2)利用服務(wù)器上的操作系統(tǒng)的文件管理系統(tǒng)管理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無需安裝空間數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)應(yīng)用成本低，如Deibe等[8]、Mao和Cao[12]分別應(yīng)用規(guī)則格網(wǎng)、可修改的嵌套八叉樹等實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的高質(zhì)量渲染，但缺少點(diǎn)云的編輯和分析功能；3)客戶端數(shù)據(jù)直接加載至瀏覽器的方法，無需服務(wù)器管理數(shù)據(jù)，用戶可以方便快捷地加載自己的數(shù)據(jù)到瀏覽器并進(jìn)行分析與管理，如Butler等[13]、Maravelakis等[14]，基于WebGL技術(shù)構(gòu)建了Web端的點(diǎn)云可視化平臺(tái)。

綜上所述，當(dāng)前基于Web的點(diǎn)云可視化方面，缺乏針對(duì)電力巡線特點(diǎn)設(shè)計(jì)、圖層管理、屬性編輯和點(diǎn)云分析等功能。本文基于Web技術(shù)構(gòu)建激光雷達(dá)電力巡線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海量點(diǎn)云的可視化和高效的管理調(diào)度，并充分發(fā)揮Web技術(shù)的在線、協(xié)作等優(yōu)勢(shì)，大大提高激光雷達(dá)電力巡線軟件的數(shù)據(jù)處理能力和利用效率。

1 系統(tǒng)需求分析與設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

基于B/S架構(gòu)的激光雷達(dá)電力巡線可視化與管理分析系統(tǒng)主要提供高效易用的輸電通道點(diǎn)云瀏覽與交互管理服務(wù)，配合類型多樣的交互式分析工具提高電力巡線的自動(dòng)化能力，最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、高效可視化、電力要素屬性管理與交互式分析、報(bào)表與數(shù)據(jù)的導(dǎo)出等功能。

1.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可以劃分為業(yè)務(wù)層、基礎(chǔ)組件層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)設(shè)施層4個(gè)層次，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成架構(gòu)

業(yè)務(wù)層是用戶訪問系統(tǒng)的接口，提供可視化、管理和分析服務(wù)。用戶在業(yè)務(wù)層生成命令與請(qǐng)求，將其傳輸給基礎(chǔ)組件層來完成，并接收該層執(zhí)行命令后傳送回的結(jié)果?；A(chǔ)組件層包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化、管理與調(diào)度、編輯與量測(cè)、分析與導(dǎo)出4大功能。從數(shù)據(jù)層中獲取數(shù)據(jù)，執(zhí)行業(yè)務(wù)層傳輸?shù)拿?，既可以?duì)數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)執(zhí)行操作，也可將命令結(jié)果返回至業(yè)務(wù)層。數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)向基礎(chǔ)組件層提供可存取的數(shù)據(jù)資源，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)?；A(chǔ)設(shè)施層是系統(tǒng)的軟硬件支撐，主要為用戶提供多樣的平臺(tái)支持。用戶的客戶端只要安裝了瀏覽器，無論是PC機(jī)還是手機(jī)都可以訪問本系統(tǒng)，而部署到云端的服務(wù)器端可以集成多種服務(wù)器軟件來為客戶端提供服務(wù)。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于上述要求，本研究將系統(tǒng)分為輸電通道點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化模塊、管理與調(diào)度模塊、編輯與量測(cè)模塊、分析與導(dǎo)出模塊4部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能組成

1.4 開發(fā)方案

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)、瀏覽器端基于JavaScript語(yǔ)言，采用HTML5、CSS、Vue開發(fā)前端頁(yè)面，Echart制作數(shù)據(jù)圖表，WebGL、Three.js、Potree開發(fā)點(diǎn)云三維場(chǎng)景渲染與交互，Cesium制作三維地理底圖。服務(wù)器端采用Python及其Flask框架，利用Potree Converter完成空間數(shù)據(jù)索引建立，LASTools提供LAS格式點(diǎn)云處理工具。將服務(wù)器云端部署，利用HTTP請(qǐng)求進(jìn)行交互，并使用JSON和LAS格式數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。

1.5 實(shí)驗(yàn)條件與硬件環(huán)境

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：輸電通道機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量1.18 GB，包含40 104 344個(gè)點(diǎn)，軟硬件環(huán)境如表1所示。

表1 軟硬件環(huán)境配置

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于WebGL的海量點(diǎn)云可視化

點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，而且呈不規(guī)則離散分布，對(duì)可視化系統(tǒng)的渲染和加載性能有較高要求，本系統(tǒng)在服務(wù)器端采用可修改的嵌套八叉樹(modifiable nested octree，MNO)組織數(shù)據(jù)。首先采用八叉樹劃分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并為每一個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建層次屬性，且由于其中每一層的節(jié)點(diǎn)都由點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的一個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，因此無需為節(jié)點(diǎn)額外創(chuàng)建存儲(chǔ)[15]，每層節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)至同一個(gè)文件中。該結(jié)構(gòu)可以有效的應(yīng)用多細(xì)節(jié)層次(levels of detail, LOD)技術(shù)，集成不同層次的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可視化，在頁(yè)面中渲染時(shí)會(huì)自動(dòng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)與用戶視點(diǎn)位置的距離，越近則渲染的葉節(jié)點(diǎn)層次越低、細(xì)節(jié)越豐富，反之，層次越高、效果越粗略。

2.2 點(diǎn)云類別標(biāo)注

在自動(dòng)化電力巡檢中，輸電通道內(nèi)電力要素和其他地物的自動(dòng)化提取是至關(guān)重要的一環(huán)，但自動(dòng)化提取中不可避免的會(huì)存在點(diǎn)云錯(cuò)分漏分現(xiàn)象，因此，往往需要結(jié)合目視判別與人工編輯。本系統(tǒng)采用了前后端交互的方式，通過在場(chǎng)景中單選點(diǎn)、框選點(diǎn)簇等手動(dòng)編輯點(diǎn)云屬性，提高分類的精度。

使用HTML支持的可縮放矢量圖形繪制(scalable vector graphics，SVG)，在界面中繪制選擇框，該格式使用XML來定義圖形，可以保證圖形質(zhì)量不因放大縮小造成損失[16]。此外，由于瀏覽器的渲染界面和選擇框都是二維窗口，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)為三維，因此必須結(jié)合用戶當(dāng)前的相機(jī)視點(diǎn)位置將三維點(diǎn)云投影到二維平面中，最后將其與選擇框求交，即可得到框選的點(diǎn)云。每一個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)作為唯一標(biāo)識(shí)的ID屬性和一個(gè)標(biāo)識(shí)所在節(jié)點(diǎn)層次的標(biāo)識(shí)符，結(jié)合修改后的類別生成命令發(fā)送至服務(wù)器?；诠?jié)點(diǎn)層次標(biāo)識(shí)符進(jìn)行查找，無需遍歷所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，只需要找到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，極大節(jié)省了服務(wù)器的計(jì)算成本，提高了處理效率。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 輸電通道點(diǎn)云可視化模塊

用戶可以在瀏覽器中打開系統(tǒng)界面，將LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。XMLHttpRequest是一種可以在后臺(tái)與服務(wù)器之間交換數(shù)據(jù)的對(duì)象，瀏覽器使用該方法，結(jié)合預(yù)定義好的URL并利用POST方法向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求；服務(wù)器使用路由(route)解析請(qǐng)求并獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)而將其分塊索引并生成元數(shù)據(jù)，將其URL返回至瀏覽器；瀏覽器通過XMLHttpRequest的open方法獲取數(shù)據(jù)并存放至ArrayBuffer中；最后使用LASDecoder進(jìn)行解析，獲取點(diǎn)云的坐標(biāo)、反射強(qiáng)度等屬性，并利用WebGL在頁(yè)面中進(jìn)行渲染。

此外，為充分利用輸電通道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的多種屬性信息，本系統(tǒng)支持多模式渲染，可以實(shí)現(xiàn)基于RGB值、反射強(qiáng)度、高程值、類別和LOD的點(diǎn)云賦色，如圖3所示。

圖3 輸電走廊點(diǎn)云渲染

3.2 輸電通道點(diǎn)云管理調(diào)度模塊

輸電通道內(nèi)的地物要素復(fù)雜多樣，電力相關(guān)要素具有多種屬性信息，電力安全分析也具有多樣的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。本模塊主要涉及2個(gè)功能：一是電力要素的可視化，可以分別渲染其中的高矮植被、電力線、桿塔、建筑物、道路等要素；二是電力要素信息的可視化，本系統(tǒng)采用bootstrap table、Echarts結(jié)合WebGL進(jìn)行多種電力要素的安全信息管理，自動(dòng)生成分析報(bào)表，并根據(jù)危險(xiǎn)點(diǎn)、交跨點(diǎn)的類別進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)合Echarts生成交互式圖表，并與點(diǎn)云渲染界面綁定，實(shí)現(xiàn)電力要素安全信息的交互式可視化，見圖4和圖5。

圖4 輸電走廊要素可視化

圖5 交跨點(diǎn)安全信息可視化

3.3 輸電通道點(diǎn)云編輯與工具模塊

輸電通道地形復(fù)雜，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)時(shí)需要易用實(shí)用的分析工具作為支撐。本模塊提供了點(diǎn)云的屬性編輯功能和量測(cè)、剪裁剖面圖等工具，可以加強(qiáng)基于點(diǎn)云進(jìn)行電力巡檢的分析能力，提高系統(tǒng)的實(shí)用性與安全性。

3.3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)量測(cè)

基于點(diǎn)云的三維量測(cè)可以充分利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)所具有的三維結(jié)構(gòu)信息。本系統(tǒng)采用GPU點(diǎn)拾取技術(shù)獲取鼠標(biāo)所指的點(diǎn)模型，可以量測(cè)點(diǎn)之間的距離角度和面積，如圖6。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)量測(cè)

3.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)裁剪

點(diǎn)云裁剪允許用戶在屏幕中繪制感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，并將選擇的點(diǎn)云單獨(dú)渲染或輸出，可以直接獲取桿塔等特殊地物和感興趣地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有立體裁切、多邊形裁切和正視裁切3種模式。裁剪功能可以僅顯示感興趣區(qū)內(nèi)或外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或?qū)⑵涓吡溜@示。該方法利用WebGL中的Vertex Shader來處理剪裁區(qū)域的渲染，首先記錄每個(gè)感興趣區(qū)的坐標(biāo)與世界矩陣(world matrices)，并將其傳入Vertex Shader中。對(duì)每個(gè)待渲染的點(diǎn)應(yīng)用感興趣區(qū)的世界矩陣將其變換到感興趣區(qū)的空間中，最后判斷其坐標(biāo)是否落在感興趣區(qū)內(nèi)，可以通過更改落入感興趣區(qū)的點(diǎn)模型的RGB值來高亮顯示，也可以更改其渲染時(shí)的屏幕坐標(biāo)來移除感興趣區(qū)內(nèi)部或外部的點(diǎn)云模型。

3.3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)剖面圖

高程剖面圖在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析中有著重要作用，可以表達(dá)輸電通道點(diǎn)云數(shù)據(jù)橫縱斷面的形狀，與平面圖結(jié)合可以確定各類地物的空間位置。從剖面圖中可以清晰的看出電力線與線下地物的距離，以及是否存在安全隱患。剖面圖中的點(diǎn)云也可以基于點(diǎn)云的RGB、高程等屬性進(jìn)行渲染，根據(jù)用戶所選擇的剖面寬度在場(chǎng)景中交互式的繪制剖面圖，也可以將剖面圖區(qū)域的點(diǎn)云以LAS或CSV格式下載到電腦中。

剖面圖繪制主要利用射線相交算法獲取點(diǎn)模型及其坐標(biāo)，并將其投影到XY平面中與剖面范圍求交，最后將相交點(diǎn)云投影到XZ平面中渲染。

3.4 輸電走廊點(diǎn)云分析與導(dǎo)出模塊

該模塊主要分為安全分析報(bào)表導(dǎo)出、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波處理與下載3部分，其功能在于提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析能力，并為用戶提供結(jié)果導(dǎo)出的功能。

3.4.1 安全分析報(bào)表導(dǎo)出

在安全分析后，用戶可以將危險(xiǎn)點(diǎn)、桿塔、交跨點(diǎn)等電力要素的安全分析報(bào)表以PDF的形式保存到電腦中。生成的報(bào)表通常包含規(guī)程、要素屬性表和分類統(tǒng)計(jì)圖3個(gè)部分，需要分別獲取這3個(gè)HTML的DOM，并將其轉(zhuǎn)換為canvas圖片的形式。Canvas是HTML中用于繪制圖像的容器，其中html2canvas是一個(gè)基于JavaScript開發(fā)的HTML截屏庫(kù)，可以將HTML頁(yè)面中的DOM元素保存為圖片，且支持多種瀏覽器平臺(tái)。最后將canvas調(diào)整尺寸后，使用基于JavaScript開發(fā)可以在瀏覽器中直接生成PDF的庫(kù)JsPDF進(jìn)行拼接，并生成PDF文檔供用戶下載。

3.4.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)下載

用戶將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從服務(wù)器中下載到用戶本機(jī)中，用于后續(xù)處理與應(yīng)用。首先通過XMLHttpRequest結(jié)合待下載的點(diǎn)云構(gòu)建請(qǐng)求并使用POST方法發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器通過路由解析請(qǐng)求查找點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并遍歷分塊索引處理后的點(diǎn)云文件，拼接為一個(gè)LAS文件，進(jìn)而生成其URL。將該URL寫入Response中返回瀏覽器進(jìn)行解析，然后使用HTML中鏈接標(biāo)簽的href屬性將數(shù)據(jù)下載到用戶設(shè)備中。

3.4.3 點(diǎn)云濾波

點(diǎn)云濾波是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與后續(xù)應(yīng)用不可或缺的內(nèi)容，即采用一定的算法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)的過程。本系統(tǒng)采用布料模擬濾波(cloth simulation filter，CSF)算法進(jìn)行點(diǎn)云濾波[17]。

4 實(shí)驗(yàn)分析與對(duì)比

4.1 平臺(tái)渲染性能分析

測(cè)試了平臺(tái)渲染不同數(shù)據(jù)量的點(diǎn)云時(shí)漫游的渲染幀率性能和加載速度，見表2。采用的測(cè)試數(shù)據(jù)集共包括40 104 344個(gè)點(diǎn)，分別采樣至100 000和500 000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，平均幀率均在60(frame/s,簡(jiǎn)寫為fr/s)左右。由于采用了LOD結(jié)合MNO的數(shù)據(jù)管理方式，加載速度受點(diǎn)云大小的影響小，平臺(tái)響應(yīng)速度快，渲染效果流暢。

表2 不同數(shù)據(jù)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)渲染效果對(duì)比

4.2 性能對(duì)比

與同類B/S架構(gòu)的點(diǎn)云可視化平臺(tái)性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。本系統(tǒng)渲染40 104 344個(gè)點(diǎn)加載速度僅需要2.18 s，平均幀率53 fr/s，性能優(yōu)于大多數(shù)平臺(tái)，且最大加載量?jī)H受硬件GPU顯存限制，可以實(shí)現(xiàn)海量點(diǎn)云加載。

表3 不同平臺(tái)性能對(duì)比

5 結(jié)論

本文從點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與索引、基于LOD的多模式渲染、三維場(chǎng)景交互、電力要素?cái)?shù)據(jù)管理調(diào)度、點(diǎn)云屬性編輯與三維量測(cè)、剪裁、剖面圖等實(shí)用工具和點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析等方面，探討了激光雷達(dá)電力巡線在Web端的可行性和實(shí)現(xiàn)方式，取得了預(yù)期的應(yīng)用效果。但是，該系統(tǒng)仍存在一些不足之處和改進(jìn)的空間，主要包括以下幾點(diǎn)。

1)本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)僅支持簡(jiǎn)單的點(diǎn)云分析，主要功能集中于可視化與管理調(diào)度上，對(duì)于復(fù)雜的自動(dòng)化電力巡線支持較少，諸如點(diǎn)云分類、桿塔建模、樹木生長(zhǎng)、危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)等巡線分析，在基于網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的B/S架構(gòu)中的可用性和實(shí)現(xiàn)方法是一個(gè)需要進(jìn)一步探索與實(shí)踐的方向。

2)由于考慮到系統(tǒng)開發(fā)成本與易用性，并未采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理數(shù)據(jù)，如何利用數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合文件管理方法提高系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性有待進(jìn)一步的實(shí)踐。

3)由于基于B/S架構(gòu)，受限于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣扰c穩(wěn)定性，在面對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)仍存在響應(yīng)時(shí)間與傳輸速度的問題，采用合適的數(shù)據(jù)壓縮方式提高傳輸效率，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開銷是后續(xù)研究的重點(diǎn)之一。