機(jī)載LiDAR點(diǎn)云密度對(duì)輸電線路工程斷面提取精度機(jī)載LiDAR點(diǎn)云密度對(duì)輸電線路工程斷面提取精度

摘 要：機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)是現(xiàn)代地理信息采集的重要手段之一，因其高精度、高效率的特點(diǎn)，已在輸電線路工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)《110kV及以上架空輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》試驗(yàn)驗(yàn)證要求，基于實(shí)際工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)，具體分析了不同地面點(diǎn)點(diǎn)云密度、不同斷面提取方法對(duì)輸電線路工程斷面提取精度的影響情況，試驗(yàn)驗(yàn)證表明點(diǎn)云密度對(duì)斷面提取精度的影響具有一定的正相關(guān)性，地面點(diǎn)點(diǎn)云在生成DEM的過(guò)程中存在一定的精度損失，而且隨著點(diǎn)云密度的降低誤差顯著增大，尤其是在地形復(fù)雜區(qū)域。通過(guò)研究，建議在實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中采用直接點(diǎn)云法進(jìn)行斷面提取，以最大程度保留激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原始精度水平。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)， 激光雷達(dá)， 點(diǎn)云密度， 輸電線路工程， 斷面提取

0 引 言

機(jī)載LiDAR技術(shù)是現(xiàn)代地理信息采集的重要手段之一，因其高精度、高效率的特點(diǎn)，已在輸電線路工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。輸電線路工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)需要精確的地形數(shù)據(jù)，而機(jī)載LiDAR技術(shù)能夠快速獲取大范圍、高精度、精細(xì)的地形信息[1]，為輸電線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)提供精確、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

機(jī)載LiDAR技術(shù)在輸電線路工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用比較廣泛，在線路通道走廊規(guī)劃、路徑優(yōu)化選線設(shè)計(jì)方面，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，可以生成高精度的數(shù)字高程模型（DEM）或三維mesh模型，精確表達(dá)線路通道走廊沿線的地形起伏、坡度等信息，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)針對(duì)復(fù)雜地形的準(zhǔn)確分析，從而降低工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和造價(jià)成本。機(jī)載LiDAR能夠快速獲取大范圍的高分辨率地形數(shù)據(jù)，基于此在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行多方案比選，可優(yōu)化線路走廊的路徑，降低施工難度和工程造價(jià)成本。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)能夠提供精確的三維坐標(biāo)，為輸電線路工程的塔位選址提供可靠的地形依據(jù)，確保每個(gè)桿塔位都具備最優(yōu)的地形條件和精準(zhǔn)定位。利用點(diǎn)云非地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以識(shí)別輸電線路沿線的建（構(gòu)）筑物、交叉跨越、林木等障礙物，在線路優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以準(zhǔn)確量測(cè)新建線路與地物的空間位置關(guān)系，避免傳統(tǒng)測(cè)量方法中的誤差，提高工程設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而優(yōu)化桿塔位置，避免潛在的安全隱患。在工程量計(jì)算與設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，通過(guò)LiDAR數(shù)據(jù)生成的高精度三維地形模型，可以精確計(jì)算工程所需的挖填土方量，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低工程造價(jià)。在環(huán)境影響評(píng)估方面，LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以反映通道內(nèi)地面植被的高度和分布情況，輔助工程師進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估，如：線路對(duì)森林、濕地等敏感區(qū)域的影響。優(yōu)化線路設(shè)計(jì)，盡量減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。

點(diǎn)云密度作為L(zhǎng)iDAR數(shù)據(jù)的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，直接影響了輸電線路工程斷面提取的精度和效率。本文旨在驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，分析點(diǎn)云密度對(duì)輸電線路工程斷面提取精度的影響，并提出不同地形環(huán)境下點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建議。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證方法

1.1 點(diǎn)云密度的表征方式

點(diǎn)云密度通常用來(lái)表征LiDAR數(shù)據(jù)的稠密程度，它是指在單位面積內(nèi)所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。點(diǎn)云密度的表征方式可分為平面密度表征和三維空間密度表征。

平面密度表征，是指在二維平面上，點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常被投影在XY平面上，使用平面點(diǎn)的密度值作為點(diǎn)云密度的表征。這種方式相對(duì)簡(jiǎn)單，但只能反映二維空間內(nèi)的密度分布情況。

三維空間密度表征，為了更準(zhǔn)確地反映點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維空間分布特征，研究者們提出了多種點(diǎn)云三維空間密度表征方式：?jiǎn)卧駝澐址ǎ瑢y(cè)區(qū)劃分為小的單元格（如立方體），通過(guò)計(jì)算單元格內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量與單元格體積的比值來(lái)表征密度。這種方法能夠較好地反映三維空間內(nèi)點(diǎn)云的密集程度；距離密度，基于點(diǎn)云中各散點(diǎn)之間的距離來(lái)計(jì)算密度。常見的做法是求取點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)到其最近點(diǎn)的平均距離，以此作為距離密度的度量。這種方法能夠反映點(diǎn)云在空間中的分布緊密程度；聚類分析，利用聚類的思想將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中密度相連的點(diǎn)聚集為簇集合，用以區(qū)分正常點(diǎn)云與異常噪聲。這種方法不僅考慮了點(diǎn)云的密度特征，還結(jié)合了空間分布特性。

1.2 點(diǎn)云密度標(biāo)準(zhǔn)化表征與計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)化表征，為了統(tǒng)一不同來(lái)源、不同分辨率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度表征方式，一些標(biāo)準(zhǔn)化方法被提出，例如GB/T 36100-2018《機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法-規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)文件為點(diǎn)云密度的計(jì)算和評(píng)價(jià)提供了規(guī)范化的指導(dǎo)。

在實(shí)際應(yīng)用中，點(diǎn)云密度的計(jì)算通常涉及以下步驟。

（1）數(shù)據(jù)讀取：首先讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，獲取點(diǎn)云的XYZ坐標(biāo)等基本信息。

（2）劃分單元：根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)膯卧獎(jiǎng)澐址绞剑ㄈ纾浩矫婢W(wǎng)格、三維立方體等），并將測(cè)區(qū)劃分為若干單元。

（3）密度計(jì)算：對(duì)每個(gè)單元內(nèi)的點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)算其與單元面積（或體積）的比值，得到該單元的密度值。

1.3 提取精度與數(shù)據(jù)的完整性

本次實(shí)驗(yàn)為分析點(diǎn)云密度與斷面提取精度之間的關(guān)系，需重點(diǎn)對(duì)以下兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行闡述。

提取精度：數(shù)據(jù)的精度評(píng)估通常通過(guò)對(duì)比機(jī)載LiDAR采集的點(diǎn)與高精度地面實(shí)測(cè)點(diǎn)之間的距離、高程和水平角誤差來(lái)進(jìn)行。此外，還可以將機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的測(cè)量方法（如：全站儀測(cè)量、GPS測(cè)量）或真實(shí)的三維模型進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證其精度，本次實(shí)驗(yàn)將通過(guò)使用外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為參考，對(duì)提取的斷面進(jìn)行精度評(píng)估[2]。

數(shù)據(jù)完整性：是指機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在采集和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，所獲得的數(shù)據(jù)在完整性方面所滿足的特定要求和標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在采集、傳輸、處理及存儲(chǔ)過(guò)程中，保持其原有信息的完整無(wú)缺，不出現(xiàn)遺漏、缺失或損壞的狀態(tài)。尤其是數(shù)據(jù)連續(xù)性，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上應(yīng)保持連續(xù)的特性，不出現(xiàn)斷裂、跳躍或缺失的情況。這有助于保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性和連貫性，它是衡量點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的可用性和后續(xù)應(yīng)用的可靠性[3]。

1.4 斷面提取與精度對(duì)比分析方法

本實(shí)驗(yàn)采用了兩種典型的斷面提取方法。直接點(diǎn)云法：通過(guò)對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類和擬合，直接提取輸電線路的路徑斷面。數(shù)字高程模型（DEM） 法： 生成DEM后，在該模型上進(jìn)行斷面提取，特別適合復(fù)雜地形條件。

精度對(duì)比分析方法，采用相對(duì)精度對(duì)比分析和絕對(duì)精度對(duì)比分析兩種方法。相對(duì)精度對(duì)比分析主要是將濾波處理后的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依據(jù)其原始點(diǎn)云密度生成DEM（5m格網(wǎng)間距），將抽希后不同點(diǎn)云密度情況下生成的DEM，依據(jù)本輸電線路工程路徑，按照5m采樣間隔，進(jìn)行路徑中心線斷面點(diǎn)的高程值提取與比較，從而分析其相對(duì)精度情況。絕對(duì)精度對(duì)比分析方法是指在本實(shí)驗(yàn)工程路徑上均勻布設(shè)檢查點(diǎn)，外業(yè)采用RTK設(shè)備實(shí)地測(cè)量檢查點(diǎn)的高程，并將其分別與原始點(diǎn)云密度和抽希后不同點(diǎn)云密度生成的DEM，進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，以分析其絕對(duì)精度情況。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)依據(jù)為IEEE《110kV以上架空輸電線路無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，第6.4.1條第2款：DSM、DEM成果格網(wǎng)間距不應(yīng)大于5m，高程取值到0.01m，宜根據(jù)DSM、DEM插值效率、效果以及工程需求，合理選擇插值尺寸與方法，插值尺寸宜與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平均點(diǎn)間距相近。第7.2.1條：平斷面圖的成圖比例尺采用水平1：5000、垂直1：500。平斷面圖數(shù)字化測(cè)繪范圍為線路路徑兩側(cè)各50m。第7.2.2條：平斷面圖采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DEM、DOM測(cè)繪。地物平面位置在三維立體模型或DOM中測(cè)繪，高程信息通過(guò)DEM或點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。第7.2.3條：中心線和邊線斷面數(shù)據(jù)采用DEM或點(diǎn)云分類地面點(diǎn)自動(dòng)采集，取點(diǎn)間距5m。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)基于無(wú)人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云去噪、分類、地面點(diǎn)提取和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等處理，最終得到地面點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。按照100%、80%、60%不同地面點(diǎn)抽希保留率，分別應(yīng)用直接點(diǎn)云法和數(shù)字高程模型（DEM）法，在對(duì)應(yīng)模型上進(jìn)行路徑斷面提取，最后基于外業(yè)實(shí)測(cè)斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比，沿線共計(jì)采集了29個(gè)外業(yè)RTK實(shí)測(cè)斷面點(diǎn)，以分析斷面精度變化情況。

2.3 試驗(yàn)項(xiàng)目概況

本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托湖南省某500kV線路工程，項(xiàng)目位于湖南省衡陽(yáng)市，測(cè)區(qū)內(nèi)包括平原、丘陵和山地地形地貌，海拔高度30～440m，高差410米。植被主要以水田、灌木、雜樹為主，測(cè)區(qū)內(nèi)交通便利，便于開展無(wú)人機(jī)航飛作業(yè)。本次項(xiàng)目無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用的是CW-25E長(zhǎng)續(xù)航固定翼垂直起降無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，搭載可見光S420航測(cè)模塊獲取光學(xué)影像數(shù)據(jù)，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取采用RIEGL VUX-1LR-22機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)中平原及山地區(qū)域原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋情況分別如圖1、圖2所示。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與評(píng)估

首先依據(jù)100%、80%、60%不同地面點(diǎn)抽希保留率，生成對(duì)應(yīng)DEM，圖3、圖4分別為平原、山地區(qū)域局部路徑DEM生成效果截圖，可以看出DEM數(shù)據(jù)效果差異不明顯。

為分析不同的點(diǎn)云抽希比例下對(duì)應(yīng)斷面提取精度的情況，根據(jù)路徑走向，在路徑斷面上布設(shè)了29個(gè)高程檢測(cè)點(diǎn)，詳見圖5、圖6。分別基于直接點(diǎn)云法和數(shù)字高程模型 （DEM）法，進(jìn)行路徑斷面的自動(dòng)提取、數(shù)據(jù)分析與計(jì)算。圖7、圖8、圖9為路徑斷面自動(dòng)提取效果；表1為不同點(diǎn)云密度下直接點(diǎn)云法的斷面精度檢測(cè)結(jié)果。表2為不同點(diǎn)云密度下數(shù)字高程模型（DEM）法的斷面精度檢測(cè)結(jié)果。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

提取精度： 隨著點(diǎn)云密度的增加，基于直接點(diǎn)云法和數(shù)字高程模型（DEM）法，斷面提取的精度有一定的提高，但精度提升變化不明顯，其均方根誤差在1.8～7.3cm以內(nèi)（詳見表1、表2）。然而，基于直接點(diǎn)云法提取的斷面精度整體水平，明顯優(yōu)于數(shù)字高程模型（DEM）法，其均方根誤差相差為18.8～24.3cm（詳見表1、表2），因此表明，地面點(diǎn)點(diǎn)云在生成DEM的過(guò)程中，存在一定的精度損失，而且隨著點(diǎn)云密度的降低，誤差顯著增大，尤其是在地形復(fù)雜區(qū)域。在實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)過(guò)程中，建議采用直接點(diǎn)云法進(jìn)行斷面提取，以最大程度保留激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原始精度水平。

數(shù)據(jù)完整性：高密度點(diǎn)云在植被覆蓋和復(fù)雜地形下的完整性表現(xiàn)更好，能夠捕捉到更多的地形細(xì)節(jié)和線路特征點(diǎn)。而低密度點(diǎn)云則可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)空洞，影響斷面的連續(xù)性。

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)分析了無(wú)人機(jī)機(jī)載激光點(diǎn)云密度對(duì)輸電線路工程斷面提取精度的影響。通過(guò)試驗(yàn)表明：首先，點(diǎn)云密度對(duì)斷面提取精度的影響具有一定的正相關(guān)性。其次，地面點(diǎn)點(diǎn)云在生成DEM的過(guò)程中，存在一定的精度損失，而且隨著點(diǎn)云密度的降低，誤差顯著增大，尤其是在地形復(fù)雜區(qū)域。在實(shí)際工程中，建議采用直接點(diǎn)云法進(jìn)行斷面提取，以最大程度保留激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原始精度水平，并根據(jù)斷面提取的精度需求，以及工程的地形復(fù)雜度，合理選擇點(diǎn)云密度，在復(fù)雜地形或關(guān)鍵區(qū)域采用較高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而在常規(guī)區(qū)域使用較低密度的數(shù)據(jù)以提高數(shù)據(jù)加載效率。未來(lái)研究可以進(jìn)一步探索點(diǎn)云密度與其他數(shù)據(jù)融合技術(shù)（如：多光譜影像、SAR數(shù)據(jù)）的結(jié)合，提升斷面提取的自動(dòng)化程度和精度，挖掘激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在輸電線路工程中的深度應(yīng)用。此外，可以進(jìn)一步研究不同的DEM插值方法對(duì)路徑斷面的提取精度的影響情況，并基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法也可以應(yīng)用于優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采樣和處理流程。

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