本發(fā)明屬于輸電線路樹障安全距離檢測技術(shù)，尤其涉及一種基于機載激光點云不同時段樹障的快速巡檢方法。

背景技術(shù)：

保障輸電線路設(shè)備及其通道走廊內(nèi)的安全不僅關(guān)系到整個電網(wǎng)的正常運行，對地區(qū)的供電及人生財產(chǎn)也有著至關(guān)重要的影響。植被過度生長導致的樹障入侵輸電線路走廊，使得輸電線路與植被的安全距離減小，是影響架空輸電線路運行安全、造成架空輸電線路發(fā)生舞動閃絡(luò)及短路等事故的一個重要原因。由于大部分植被的生長是持續(xù)的、不可逆的，當植被侵入輸電線路走廊并發(fā)生安全距離超限情況時，會嚴重影響輸電線路的運行安全。因此，想要對輸電線路走廊內(nèi)的植被生長情況進行較為準確的把控，必要要開展常態(tài)化的輸電線路通道巡檢。

過去，對樹障的檢測多采用人工目視、地面激光測距儀或光學經(jīng)緯儀等方法，不僅消耗大量的人力物力，也通常難以在短時間內(nèi)進行多次檢測。隨著機載激光雷達的出現(xiàn)，這一問題得到很好的解決?；跈C載激光雷達進行電力巡檢是近幾年較為熱門的一種科學技術(shù)手段，通過在飛行器上（如無人機、載人直升機等）安裝激光雷達測距系統(tǒng)，從而快速地、高效地獲取目標區(qū)域的激光點云數(shù)據(jù)，并通過進一步的數(shù)據(jù)處理，達到實現(xiàn)二次數(shù)據(jù)生產(chǎn)和數(shù)據(jù)分析的應用價值。

由于激光雷達系統(tǒng)整合了測距儀設(shè)備、慣性導航系統(tǒng)及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等較為先進的精密測繪測量定位設(shè)備，不僅可以快速的獲取雷達掃描區(qū)域內(nèi)的相對坐標信息，還可以實現(xiàn)高精度的絕對坐標定向，極大地提高了輸電線路安全距離量測的精度，為輸電線路相關(guān)的運維工作提供了必不可少的技術(shù)支撐。

激光點云數(shù)據(jù)的濾波分類算法雖較幾年前有較大的提高和改善，但并不能完全適應于所有的數(shù)據(jù)地形情況。為滿足點云數(shù)據(jù)的濾波分類精度，必須根據(jù)數(shù)據(jù)的差異來調(diào)整相關(guān)的預設(shè)檢驗參數(shù)。在預設(shè)檢驗參數(shù)與實際情況有較大出入時，還會給技術(shù)人員增加數(shù)據(jù)處理的難度，不僅可能會影響成果數(shù)據(jù)的質(zhì)量，還會因此導致工作量的增加，影響進一步的分析應用。另一方面，對于任務(wù)緊，工期短且需要反復開展的樹障巡檢工作來說，能夠快速地對樹障安全距離進行檢查，是制定相應防治整改措施并得以實施的重要前提基礎(chǔ)。

激光點云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理需要進行濾波、精細化分類及線路檢測等；對于同一地區(qū)多時段的檢測數(shù)據(jù)、大量二次數(shù)據(jù)或在基于有歷史巡檢數(shù)據(jù)基礎(chǔ)下多次數(shù)據(jù)獲取后需要重復上述數(shù)據(jù)處理步驟；存在效率低下等技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：提供一種基于機載激光點云不同時段樹障的快速巡檢方法，以解決點云數(shù)據(jù)的濾波分類精度，必須根據(jù)數(shù)據(jù)的差異來調(diào)整相關(guān)的預設(shè)檢驗參數(shù)。在預設(shè)檢驗參數(shù)與實際情況有較大出入時，還會給技術(shù)人員增加數(shù)據(jù)處理的難度，不僅可能會影響成果數(shù)據(jù)的質(zhì)量，還會因此導致工作量的增加，影響進一步的分析應用；對于同一地區(qū)多時段的檢測數(shù)據(jù)、大量二次數(shù)據(jù)或在基于有歷史巡檢數(shù)據(jù)基礎(chǔ)下多次數(shù)據(jù)獲取后需要重復進行數(shù)據(jù)處理步驟；存在效率低下等技術(shù)問題。

本發(fā)明技術(shù)方案：

一種基于機載激光點云不同時段樹障的快速巡檢方法，它包括：

步驟1、采集機載激光點云數(shù)據(jù)和航飛數(shù)據(jù)；

步驟2、對首次獲取的點云數(shù)據(jù)進行預處理及濾波分類，進行危險點分析；將首次檢測獲取的電力導線坐標及樹障危險點坐標數(shù)據(jù)進行保存并導出，以首次飛行航線作為參照，進行數(shù)據(jù)的二次采集；

步驟3、使用k-d樹的最鄰近搜索，以首次檢測出的電力導線坐標作為參考點，通過預設(shè)檢測數(shù)量，進行最鄰近危險點數(shù)據(jù)查詢，并將查詢出的危險點導出；

步驟4、使用k-d樹的范圍搜索，以步驟2中首次檢測出危險點的安全閾值作為范圍進行k-d樹范圍查詢；將查詢出的點集與首次植被危險點集中的高程值進行對比，篩選出與首次植被危險點相關(guān)性較高的點集，并進行相應的復查和外業(yè)校核。

所述點云數(shù)據(jù)進行預處理及濾波分類包括：所述對點云數(shù)據(jù)進行預處理是對點云數(shù)據(jù)進行去噪處理；所述濾波分類首先進行地表分類，將點云分成地表類和非地表類；濾波分類的種類分為地面點、桿塔點、電力線點、植被點及其他點。

步驟3所述使用k-d樹的最鄰近搜索的方法為：以電力線點云坐標數(shù)據(jù)p作為參照，以一定的空間安全距離作為閾值，通過k-d樹對首次采集外的點集數(shù)據(jù)j進行查詢，進而檢測出新的危險點集數(shù)據(jù)m。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明以同一地區(qū)，多時段采集的機載點云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，以第一次數(shù)據(jù)處理獲取電力導線坐標作為參照位置，通過k-d樹的最鄰近算法，對第二次或其他多次獲取的點云數(shù)據(jù)進行快速查詢，檢測可能存在的危險點。通過比對歷史的樹障危險點數(shù)據(jù)或其他數(shù)據(jù)（如衛(wèi)星影像、航拍影像及野外勘測數(shù)據(jù)），則可以快速對作業(yè)區(qū)域內(nèi)的樹障危險情況變化進行檢測并制定相應的應對策略。該方法規(guī)避了同地區(qū)多時段激光點云數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理中不必要的濾波、精細化分類及線路檢測等重復步驟，實現(xiàn)了樹障問題的快速檢測，間接提高輸電線路電力巡檢的工作效率；解決了點云數(shù)據(jù)的濾波分類精度，必須根據(jù)數(shù)據(jù)的差異來調(diào)整相關(guān)的預設(shè)檢驗參數(shù)。在預設(shè)檢驗參數(shù)與實際情況有較大出入時，還會給技術(shù)人員增加數(shù)據(jù)處理的難度，不僅可能會影響成果數(shù)據(jù)的質(zhì)量，還會因此導致工作量的增加，影響進一步的分析應用；對于同一地區(qū)多時段的檢測數(shù)據(jù)、大量二次數(shù)據(jù)或在基于有歷史巡檢數(shù)據(jù)基礎(chǔ)下多次數(shù)據(jù)獲取后需要重復進行數(shù)據(jù)處理步驟；存在效率低下等技術(shù)問題。

具體實施方式

一種基于機載激光點云不同時段樹障的快速巡檢方法，它包括：

步驟1、采集機載激光點云數(shù)據(jù)和航飛數(shù)據(jù)；

步驟2、對首次獲取的點云數(shù)據(jù)進行預處理及濾波分類，進行危險點分析；將首次檢測獲取的電力導線坐標及樹障危險點坐標數(shù)據(jù)進行保存并導出，以首次飛行航線作為參照，進行數(shù)據(jù)的二次采集；

所述點云數(shù)據(jù)進行預處理及濾波分類包括：所述對點云數(shù)據(jù)進行預處理是對點云數(shù)據(jù)進行去噪處理；所述濾波分類首先進行地表分類，將點云分成地表類和非地表類；濾波分類的種類分為地面點、桿塔點、電力線點、植被點及其他點。

步驟3、使用k-d樹的最鄰近搜索，以首次檢測出的電力導線坐標作為參考點，通過預設(shè)檢測數(shù)量，進行最鄰近危險點數(shù)據(jù)查詢，并將查詢出的危險點導出；

步驟3所述使用k-d樹的最鄰近搜索的方法為：以電力線點云坐標數(shù)據(jù)p作為參照，以一定的空間安全距離作為閾值，通過k-d樹對首次采集外的點集數(shù)據(jù)j進行查詢，進而檢測出新的危險點集數(shù)據(jù)m。

步驟4、使用k-d樹的范圍搜索，以步驟2中首次檢測出危險點的安全閾值作為范圍進行k-d樹范圍查詢；將查詢出的點集與首次植被危險點集中的高程值進行對比，篩選出與首次植被危險點相關(guān)性較高的點集，并進行相應的復查和外業(yè)校核。

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本發(fā)明技術(shù)方案，下述進行進一步的說明：

詳細步驟一：根據(jù)具體工作內(nèi)容的要求，對作業(yè)區(qū)域的飛行范圍進行制定，對數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程和技術(shù)指標進行詳細的設(shè)計。首先驗證技術(shù)可行性以及檢驗機載gnss/imu（pos）系統(tǒng)、激光雷達系統(tǒng)的工作性能參數(shù)等，并在測區(qū)內(nèi)或其鄰近區(qū)域選擇合適的范圍進行相應的安裝測試和飛行測試；

充分考慮到測區(qū)的地形分布特點、測區(qū)附近機場分布情況以及機載gnss/imu系統(tǒng)、激光雷達系統(tǒng)對飛行的特殊要求；同時綜合考慮飛行的技術(shù)需求，合理選擇作為航飛任務(wù)實施的飛行器。為保證整個系統(tǒng)中pos系統(tǒng)獲得高精度的定位和定姿數(shù)據(jù)，需要在地面布設(shè)同步觀測的gnss基準站或進行相應的聯(lián)測工作準備。

數(shù)據(jù)準備依照《cht-8023-2011機載激光雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范》進行，飛行結(jié)束時獲取的數(shù)據(jù)包括a）原始點云數(shù)據(jù)、b）航跡文件（用于記錄飛行的gnss時間、位置信息（x、y、z）與姿態(tài)信息（h、r、p等）、c）地面檢查點（通過聯(lián)測或其他手段獲取具有絕對定向的實測參照數(shù)據(jù)）、d）成果坐標系統(tǒng)與點云坐標數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)、e）其他數(shù)據(jù)（影像、紅外數(shù)據(jù)等）。獲取的初始數(shù)據(jù)將進行相應的坐標轉(zhuǎn)換、pos數(shù)據(jù)和控制點解算，獲得用于后期數(shù)據(jù)處理的軌跡數(shù)據(jù)，并使得其相對坐標系轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒嶋H測量工程需要的坐標系。

詳細步驟二：為保證計算機能高效處理點云數(shù)據(jù)，依據(jù)軌跡數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)進行分塊處理。具體分塊范圍按照計算機軟硬件性能及點云數(shù)據(jù)的大小情況進行相應的設(shè)置。為保證數(shù)據(jù)不受噪點的影響，通過去噪處理，將明顯低于地面的點或點群（低點）和明顯高于地表目標的點或點群（空中點），以及孤立且無明顯意義的點去除。

去噪后的數(shù)據(jù)需進行數(shù)據(jù)的濾波及分類，數(shù)據(jù)的濾波是指將毫無規(guī)律可言的點云數(shù)據(jù)區(qū)分為地面點和非地面點的過程（通常稱為一級分類）；后期基于非地面點的進一步濾波稱之為二級分類。分類后的點云數(shù)據(jù)才可進行相應的數(shù)據(jù)分析工作（即植被與導線的安全距離量測）。首先激光點云數(shù)據(jù)的濾波分類處理優(yōu)先進行地表分類，將點云分成地表類和非地表類。其次，根據(jù)實際需求對數(shù)據(jù)進行進一步的二級分類。該發(fā)明中主要是對輸電線路通道內(nèi)的植被樹障進行危險點檢測，因此點云濾波分類的種類主要分為五個類別：地面點、桿塔點、電力線點、植被點及其他點。點云分類是點云數(shù)據(jù)處理中人工交互及干預最多的技術(shù)環(huán)節(jié)。為提高后續(xù)分析處理的精度，首次數(shù)據(jù)分類濾波工作需根據(jù)數(shù)據(jù)成果需求進行完整的分類。

遵照《dl/t741-2010架空輸電線路運行規(guī)程》，對首次獲取并分類的植被點云數(shù)據(jù)進行危險點分析，獲取第一次樹障危險點坐標（記為w）。將第一次樹障危險點坐標w及首次檢測獲取的電力線點云數(shù)據(jù)的坐標（記為p）進行導出并以編號（id）、經(jīng)度（x）、維度（y）、高程（z）格式進行保存。以首次飛行航線飛行參數(shù)作為參照，進行數(shù)據(jù)的二次或多次采集。以首次飛行航線飛行參數(shù)作為基礎(chǔ)，進行數(shù)據(jù)采集，以保證與首次數(shù)據(jù)采集在空間位置上有高度一致性，便于進一步的數(shù)據(jù)查詢。為了防止空中噪點對空間查詢的影響，對第二次獲取的數(shù)據(jù)進行去噪處理。

詳細步驟三：k-d樹（k-dimensiontree）是對數(shù)據(jù)點在k維空間劃分的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要應用于多維空間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的搜索。通過分而治之的方式，把整個空間劃分為特定的幾個部分，然后在特定空間的部分內(nèi)進行相關(guān)搜索操作，從而提高搜索速度的方法。

本文中以電力線點云坐標數(shù)據(jù)p作為基礎(chǔ)參照，以一定的空間安全距離作為閾值（具體的閾值設(shè)定按照《dl/t741-2010架空輸電線路運行規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范），通過k-d樹對第二次或除第一次采集外其他多次時間段的點集數(shù)據(jù)j進行查詢，進而檢測出新的危險點集數(shù)據(jù)，記為m。

k-d樹主要包含兩個基本流程，首先是建樹，即將輸入的電力線點云坐標數(shù)據(jù)p進行空間劃分，以便于進行空間劃分后空間內(nèi)的快速搜索；第二個流程是以數(shù)據(jù)p進行作為基準，以某種查詢條件作為要求，找到符合查詢條件范圍中的危險點集m（id，x，y，z）。

詳細步驟四：依照詳細步驟三，對找到符合查詢條件的危險點集m建立k-d樹，并以步驟二中首次檢測出危險點的安全閾值作為搜索范圍進行k-d樹范圍查詢。范圍查詢就是給定查詢點和查詢距離的閾值，從數(shù)據(jù)集中找出所有與查詢點距離小于閾值的數(shù)據(jù)。由于，k-d樹在樹的每一層對空間的范圍做了分割，可以高效的執(zhí)行范圍查詢。

最終搜索出的點集記為nx，對比nx點集中點的高程值（z值）和w點集中的高程值（z值），①若nx點集中點的z值大于w中點的z值，則記錄該點；②若不大于，則不記錄。通過該比較，最終在nx點集中篩選出一個新的點集kx。kx記作是與首次檢測出的（或歷史樹障）植被危險點相關(guān)性較高的點，優(yōu)先等級最高，可優(yōu)先做進一步的復查和外業(yè)勘察；除kx以外其他的點（即nx-kx），記為ox，為其他潛在的危險點，可根據(jù)具體需求才進行相應復查和外業(yè)勘察。

通過該方法，可減少有歷史巡檢數(shù)據(jù)基礎(chǔ)下多次數(shù)據(jù)獲取后不必要的人工交互數(shù)據(jù)處理（包括預處理、分類濾波及分析）工作，在野外工作需要時，可較快實現(xiàn)同地區(qū)多時段樹障點云數(shù)據(jù)查詢和檢測，提高電力巡檢激光點云數(shù)據(jù)處理的分析效率。