基于航空LiDAR技术的大数据专家评估云计算分析平台研究

摘要：随着我国经济高速发展，高电压、大功率、长距离输电线路越建越多，穿越的地理环境越来越复杂，直升机巡线作为一种高效的巡检技术在国内多个电网运营单位得到了应用。而机载激光雷达测量技术（LiDAR）作为直升机巡检的重要手段，从而及时发现输电线路和通道的安全隐患。

关键词：激光雷达测量技术 直升机 云计算 三维激光点云数据

直升机激光扫描技术应用前景广泛，该技术可应用于输电线路及变电站的规划设计、施工建设、运行维护和三维可视化管理等各环节。机载激光LiDAR测量技术采集三维数据具有精度高、信息丰富、数据使用方便等优点，并能大大减少野外工作量。

一、项目需求分析

基于对目前国家电网公司范围内需求调研结果进行分析，针对如何有效提高在复杂地理环境下、高电压、大功率、长距离输电线路的安全性评估，如何真实再现现实环境中的线路本体和线路走廊，如何量测输电线路真实的距离这三方面是现阶段国网公司在直升机LiDAR技术应用上的主要需求。主要体现在以下几方面：（1）基于激光点云和线路设计参数，建立线路模型，重现线路走廊三维信息；

（2）经过对采集到的点云数据进行分类、滤波、平滑等处理过程后，生成高精度的数字高程模型DEM、数字正射影像DOM；

（3）行成对点云数据的预处理规范；

（4）实现输电线路本体三维逆向建模，构建不同电压等级、杆塔类型的杆塔模型库，并以此为基础通过人工编辑的方式对输电本体点云进行矢量化，实现杆塔、绝缘子串、导线等实体对象的空间位置匹配；

（5）提供俯视图、剖面图等多种视图对三维线路本体及线路走廊进行展现；

（6）实现对任意地物点、任意线路点的距离量测；

（7）对进行弧垂、覆冰、风偏、导线增容、树高等模拟基础上的，任意地物点和线路任意点间的趋势模拟量测；

（8）考虑在自重、覆冰、风吹等效应作用下，架空线路的弧垂、风偏等对线路相间、线路与周边地物距离的影响，并结合对应电压等级系统对安全净距的要求实现安全距离超限预警；

（9）根据不同电压等级线路安全距离，沿着输电线路生成以线路为中心、半径为安全距离的柱状通道，系统自动实现通道与树木（倒落树木）、建筑等地物之间的空间分析；

（10）根据不同电压等级线路安全距离，沿着多条交叉跨越线路生成以线路为中心、半径为安全距离的柱状通道，系统自动检测多个通道之间是否存在交集；

（11）模拟导线弧垂及风偏状态、输电线路增容、地质灾害地形、输电走廊内树木生长等场景；

（12）根据安全评估分析自动出具安全评估报告，并能根据报告在三维场景中实现对安全隐患区域的标绘。

二、创新点

（1）独创的输电线路本体及走廊三维快速建模技术

（2）首创的输电线路高精度三维量测技术

（3）首次实现了输电线路动态安全性评估

（4）独有的海量存储混合压缩算法

（5）首次采用大数据分析技术，进行有效数据分析

（6）平台与PMS系统集成

三、基于航空lidar技术的专家评估云计算分析平台建设思路

基于航空Lidar技术的专家评估平台，将实现在三维场景中实现巡视计划的制定及路径规划，巡视过程的跟踪及结果的时时反馈及预警，对采集结果进行输电线路安全性评估并生成评估报告。

基于项目重点研究的核心内容以及应用需求，平台形成快速量测子系统、三维重建子系统和安全评估子系统三个专业子系统，全面满足业务生产需求。

（1） 快速量测子系统

快速量测子系统主要基于直升机与激光LiDAR设备的集成组装，通过与安全评估子系统巡视计划功能的综合应用，实现巡视计划提示与执行，形成巡视路线的智能分析设置；在巡视过程中完成三维点云数据的自动快速扫描，并实现安全存储；为保障直升机的安全与管理要求，直升机实时回传位置与状态信息，满足系统端的监测与历史记录要求；系统提供符合专业要求的三维点云数据存储与预处理，系统自行检查并修正数据中可能引起数据处理速度减缓的问题数据，保障后期三维场景的顺畅重建。

（2） 三维重建子系统

三维重建子系统主要是为了满足后期实际应用，将LiDAR采集的初始点云数据进行三维建模，形成数据量较小的实用化数据。为保障三维重建的快速与专业化，系统实现了三维模型库建设，完成电力应用中标准化的设施、设备模型及常见场景模型存储。

（3） 安全评估子系统

安全评估子系统主要满足直升机巡检数据的计算与分析，同时提供直升机巡检计划制定与监测，以及三维图形展示功能。

四、能够解决的问题及社会效益

基于航空LiDAR技术的专家评估平台的建设是满足电力基础设施因为经济高速发展、人民安全意识不断增强、现实地理环境负责多变而需要提供更高的安全运行与稳定保障要求，满足电网信息化建设对数据不断增强的精度要求，它所产生的社会效益主要包括以下几点：

（1）直升机激光LiDAR技术的应用可以直接采集线路走廊高精度三维激光点云和高分辨率航空数码影像，从而可分析线路与走廊地物、导线之间距离等是否满足安全运行要求，从而及时发现输电线路和通道的安全隐患；且在基础数据的基础上可实现导线弧垂及风偏状态、输电线路增容、地质灾害地形、输电走廊内树木生长等多种场景的模拟，进而辅助评估线路安全性，提高输电线路的安全性保障；

（2）机载LiDAR技术快速、便捷的优点，将极大推进电力系统三维可视化、数字化电网建设速度，从而加快为社会展现真实的电网的速度；增强输电线路及变电站运行、维护、应急抢险和管理水平，提高电网抵御恶劣环境能力，减少大量的人力、物力、财力投入；

（3）机载LiDAR技术在数据采集上的优势可应用于输电线路及变电站的规划设计、施工建设、运行维护和三维可视化管理等各环节，从而辅助电力公司规划建设安全性高、维护管理成本低、抗险御恶能力强的电力相关设施。

结束语：

基于航空LiDAR技术的大数据专家评估云计算分析平台全面保证了激光LiDAR技术应用与巡检质量，进一步促进了直升机巡检的工作展开。基于直升机巡视监控过程的分析，围绕如何实现激光操作平台的集成化改装、有效提高巡检工作质量和效率、有效利用巡视数据做出管理决策等角度拟定开发解决方案，为大规模建设的智能化电网作出了突出贡献。

参考文献：

[1]李福金，秦志伟，基于航空LIDAR点云数据提取城市地区建筑物的目标.测绘与空间地理信息，2011年3期.

[2]马文，岳建平，曹爽，基于影像分割技术的LIDAR数据建筑物边缘提取，2010年4期.

[3]刘修国，张靖等，Lidar点云数据中建筑物的快速提取.地球科学，2006年5期.