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倾斜摄影与激光雷达技术在输电线路实景三维测量应用中的比较

发布日期:2016-11-24我要投稿我要评论
 随着架空输电线路实景三维测量应用的逐渐深入,电网对输电通道和线路三维精准测量的需求越来越大。倾斜摄影和激光雷达作为两种最新的三维测量技术越来越受到电网行业的关注。通过调研走访电网运检部门和测绘行业相关专家,本期我们对倾斜摄影和激光雷达技术在输电线路中的三维应用做一个综述和技术对比。

  一、倾斜摄影技术

  倾斜影像是指由一定倾斜角度的航摄相机所获取的影像。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像,获取地面物体更为完整准确的信息。倾斜航空摄影是利用倾斜航空相机获取地物信息的一种新型的航空摄影方式。常用的倾斜摄影技术主要有三相机和五相机组合,目前主流方案采用五相机(也有少数采用双相机或单相机的方案,但通常以采集效率降低为代价)。在一般倾斜摄影的五相机方案中,一台获取垂直影像,另外四台从前后左右四个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在40度到60度之间,因此可以较为完整地获取地物侧面的轮廓和纹理信息。倾斜摄影系统可以搭载在有人飞机或者无人机上,可以快速获取地物三维模型且成像效果好,是大场景三维建模的重要选择之一。

  倾斜摄影可以获取具有真实纹理的三维数据,适合做大范围城市三维建模、输电线路通道建模和一些对精度要求稍低的三维工程测量应用。由于倾斜摄影技术采用可见光进行测量,对天气要求较高,并且对植被下的地形无能为力,对细小物体(电塔、电力线)的建模能力不足。

  二、激光雷达技术

  机载激光雷达(LiDAR)是一种集激光扫描与定位定姿系统于一身的测量装备,可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。LIDAR系统包括激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲,打在物体上并反射回来,最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。鉴于光速是已知的,传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度,激光扫描角度,就可以准确地计算出每一个地面光斑的三维坐标X,Y,Z。激光雷达有机载、车载、地面固定站、和手持等适合不同应用场景的设备类型,近来也有空地一体化微型激光雷达新技术产品的一些报道。从近年来在电网行业应用的情况看,中大型机载激光雷达系统通常会集成一个垂直视角的光学相机,用于同步获取地面影像或者给激光点云着色以达到更好的视觉效果。激光雷达技术已经在国内外输电线路应用中崭露头角,获得了认可。

  激光雷达具有穿透植被的能力,可以测量植被覆盖下的地形。同时,激光雷达获取的高精度点云数据测量精度很高,适合做高精度地形测量与工程勘测、输电线路及通道三维测量与建模、以及对精度要求很高的工程测量应用。但激光雷达目前仍存在设备较昂贵。

  三、技术对比综述

  通过采访电网应用和测绘行业专家,对两种技术做了以下对比综述(红色代表占优):

  

 

  四、案例效果

  1)在电力行业应用中,倾斜摄影已经展现出了一定的应用潜力,但目前尚未能在电力巡检、三维测量中取得成功。下图是某单位采用旋翼无人机搭载5镜头倾斜相机,在120米飞行高度采集并自动完成建模的输电线路和变电站数据。由于倾斜摄影数据采集需要航带重叠(60-80%),需要多次飞行才能获取电力走廊三维数据,因此采集效率稍低。从自动化建模的效果看,厂房、道路等大场景物体建模效果非常好,但电塔、电力线等细小物体的建模效果不佳,杆塔出现扭曲,电力线丢失无法建模(如下图所示)。

  

  图1 倾斜摄影杆塔与变电站建模效果:地表道路效果很好,电力设施建模效果一般

 

  图2 倾斜摄影电塔建模效果:杆塔可见,导线缺失,通道树木建模效果较差

  

  图3 倾斜摄影电塔建模局部放大效果:塔材缺失/扭曲,绝缘子导线等细小部件不可见

  2)机载激光雷达技术在输电线路巡检中的应用已较为成熟,在国内外均有大量案例。由于测量精度高(可以达到1厘米),同时可以获取穿透植被,也可以实现对电线和电塔等细小物体的精确测量和建模。尤其在电力巡检和“三跨”测量等应用中展现出极大的精度优势。下图是某单位采用无人机搭载激光雷达系统,在120米飞行高度获取彩色激光点云和分类建模数据,激光点云密度达到110点/平方米。从自动化建模的数据效果看,虽然纹理相比倾斜摄影稍低但也有不错的可视化效果,同时线路弧垂和交叉跨越距离可以准备量测。

  

  图4激光雷达获取的电力走廊彩色分类激光点云数据:通道、电塔、导线清晰可见

  图5 激光点云数据电塔局部放大效果:杆塔结构清晰、绝缘子导线可见

  

  图6 激光点云数据中不同电压等级线路交叉跨越距离的测量:精确到厘米的跨越距离测量

  五、应用展望

  倾斜摄影和激光雷达技术作为三维空间数据获取的新手段,在电网行业的各种应用中有各自的优势和劣势。结合对行业专家的调研和访谈,结论如下:

  1、激光雷达技术在测量精度和电力设施建模中具有明显优势,非常适合电力巡检和“三跨”测量等典型电网应用。激光雷达设备价格也越来越低,结合相机也可以来获取高真实感可视化效果;

  2、倾斜摄影技术在设备和三维可视化效果方面具有一定优势,但数据处理耗时长成本高,同时在电塔和电力线建模和测量精度方面具有缺陷,在数据处理中需要大量人工介入才可以应用到电力设施精准三维建模和测量中;

  3、倾斜摄影与激光雷达在技术上具有很强的互补性,未来两种技术融合应用是一个发展方向。但目前尚未见到成熟的结合方案,还需要大量的基础研究才能真正实现两种技术的融合统一,在输电线路三维实景应用中取长补短。

 
本文链接:https://www.81uav.cn/tech/201611/24/257.html
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