车载数据采集系统在电力线检测中的应用

书书书第２９卷第２期２００９年４月大地测量与地球动力学ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＧＥＯＤＥＳＹＡＮＤＧＥＯＤＹＮＡＭＩＣＳＶｏｌ．２９Ｎｏ．２　Ａｐｒ．，２００９　　文章编号：１６７１５９４２（２００９）０２０１４９０３车载数据采集系统在电力线检测中的应用欧同庚１，２，３）　耿学贤４）　杨博雄２，３）１）中国地震局地球物理研究所，北京　１０００８１２）中国地震局地震研究所，武汉　４３００７１３）地壳运动与地球观测实验室，武汉　４３００７１４）武汉大学电子信息学院，武汉　４３００７９摘　要　介绍一种先进的车载数据采集系统，通过车载平台上的激光扫描仪实现对电力线的扫描，并利用获得的数据，结合最小二乘拟合算法获得电力线的空间分布及其参数。关键词　车载数据采集系统；电力线检测；激光点云；最小二乘拟合；三维坐标中图分类号：ＴＰ２７４　　　　文献标识码：ＡＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＶＥＨＩＣＬＥＢＯＲＮＥＤＡＴＡＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭＴＯＰＯＷＥＲＬＩＮＥＤＥＴＥＣＴＩＯＮＯｕＴｏｎｇｇｅｎｇ１，２，３），ＧｅｎｇＸｕｅｘｉａｎ４）ａｎｄＹａｎｇＢｏｘｉｏｎｇ２，３）１）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＣＥＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８１２）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｅｉｓｍｏｌｏｇｙ，ＣＥＡ，Ｗｕｈａｎ　４３００７１３）ＣｒｕｓｔａｌＭｏｖｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７１４）ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７９Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｎａｄｖａｎｃｅｄｖｅｈｉｃｌｅｂｏｒｎｅｌａｓｅｒｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈｕｓｅｓｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｂｏｒｎｅｌａｓｅｒｓｃａｎｎｅｒｔｏｓｃａｎｔｈｅｐｏｗｅｒｌｉｎｅ，ａｎｄｇｅｔｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｌｉｎｅｂｙｕｓｅｏｆｔｈｅｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｆｉｔｔｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅｂｏｒｎｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｐｏｗｅｒｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｌｉｄａｒｐｏｉｎｔｓｃｌｏｕｄ；ｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；３Ｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ１　前言近６０年来中国输电线路建设成绩巨大，但长期以来我国输电线路施工安装和运行维护的大部分工作主要靠人力操作，仪器设备比较简单，机械化水平和国际先进水平相比差距甚大。随着经济的高速发展，对输电网等基础设施的安全运行提出了更高的要求［１］。利用机载激光扫描测高系统进行电力线的检测，是目前国际常行做法，但利用直升机进行检测，无论是前期设备的购买，还是后期的使用，其费用相当昂贵。由于我国经济实力和科技水平的限制，尚收稿日期：２００８０６０２基金项目：中国地震局地震研究所所长基金（６０２３）作者简介：欧同庚，男，１９７８年生，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：光电技术与光电检测．Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]大地测量与地球动力学２９卷不具备全面、系统地开展直升机电力作业的条件。而且在城市中，由于建筑物比较高大，作业环境相对比较复杂，对于机载激光扫描，不但费用大，而且很不安全。针对上述问题提出了利用车载激光扫描传感器，对电力线进行安全检查，可以获取电力线的三维空间坐标，及时发现电力线的安全状况。２　系统组成车载数据采集系统综合利用了光学、电子、计算机、激光测量以及３Ｓ技术，在移动过程中，完成对电力线信息的采集。其数据主要有激光雷达数据以及测量平台的位置和姿态信息［２，３］。整个系统主要由５部分组成：以汽车为依托的测量平台；由４台高速面阵数字ＣＣＤ相机组成的立体图像采集系统；多台线激光扫描仪组成的激光数据采集系统；同步控制系统及通讯系统；测量平台的定位定姿系统（ＰＯＳ／ＬＶ系统）。其中ＰＯＳ／ＬＶ系统主要由ＧＰＳ、ＩＭＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ）、ＤＭＩ（ＤｉｓｔａｎｃｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＩｎｄｉｃａｔｏｒ）组成。电力线测量过程中，在车载计算机系统的控制下，ＰＯＳ／ＬＶ定位系统实时提供车载移动测量平台的运动轨迹和姿态参数，同时向同步控制系统发出同步脉冲信号。４台激光扫描仪通过连续扫描获取电力线的三维信息，同时保存同步脉冲信息。通过后期的数据融合算法，两者之间通过同步控制系统实现数据在时空上的同步，可获取绝对大地坐标所表达的电力线三维信息。３　电力线检测原理由于电力线外观为线状，而所用的激光传感器是离散采样的传感器，所以由电力线反射所形成的激光三维点云不但在数量上比较稀少，而且在某些地方还可能不连续，总的来说就是有比较强的离散性。因此在进行电力线的提取时，一般不使用滤波以后的点云数据，而是将原始的点云数据去除道路、房屋、树木以及移动物体之后，再进行电力线的提取［４］。电力线具有如下特性：１）电力线呈线状细长结构，在某一方向上而且只在某一个方向上呈现连续性；２）电力线位于测量车的上方，一般距离地面２ｍ以上，并且通常情况下其走向是沿着街道；３）在一定的空间范围内，除了电力线的点云外，没有其他有效点存在；４）电力线由于自身重力作用，其位于垂直于地面的平面上，并以电杆为起点向下弯曲，在两个电杆的中央其高度最低。可以通过以下步骤来准确获取电力线的相关参数：１）利用其高度约束条件，去除距离地面点２ｍ以下的激光点云数据，再将剩余的三维点云投影到水平面上。由于电力线是呈单一的线状结构，并且在重力作用下，位于垂直于地面的平面内，所以其三维点在水平面上的投影点是直线结构，并且投影直线上的点密度不大，比较均匀。通过对投影点进行Ｈｏｕｇｈ变换，获取投影直线的数学表达式ｘｓｉｎα＋ｙｓｉｎα－ｄ＝０的参数，其中α为方向参数，ｄ为距离；２）获取了投影点的直线参数，也就确定了电力线所在的垂直平面。由于误差的存在，并且平行的电力线之间存在一定的间距，所以需要给予垂直平面一定的宽度，以包含尽量多的有用点云数据。结合电力线相互之间的距离，以及激光雷达误差的影响，根据经验可以把这个距离定为１０ｃｍ，以去除误差较大的点云数据；３）把长方体内的激光点云投影到上述的垂直平面内，通过曲线拟合投影点来获得电力线的参数，并通过计算测量点与曲线的距离，利用预先设定的阈值来滤除一些误差较大的点，之后进行二次曲线拟合，以提高电力线的精度。如果拟合的误差比较大，有可能是同一个垂直平面内在垂直方向上存在多条电力线，可以将第一次拟合得到的曲线作为划分的边界线，分别对上下两个部分的点重新进行拟合，以获取准确的电力线数据。４　实验试验所使用的数据是利用车载数据采集系统在日本横滨区采集所得。图１中方格内即为激光雷达在两个电杆之间所提取出的电力线点云数据，一共有３０２个点，其坐标值见表１。表１　电力线点云坐标（单位：ｍ）Ｔａｂ．１　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｏｆｐｏｗｅｒｌｉｎｅ（ｕｎｉｔ：ｍ）序号Ｘ值Ｙ值Ｚ值１－５１１７５．２７７－３０１６３．８９５７４．２３４２２－５１１７５．３４４－３０１６３．７６７４．２４０８３－５１１７５．３２４－３０１６３．６０５７４．９６４９…………２９７－５１１８４．２８９－３０１３３．７７５７４．３８１２９８－５１１８４．２７７－３０１３３．７７７７４．９４８３２９９－５１１８４．３２８－３０１３３．６５７４．３８１６３００－５１１８４．３１３－３０１３３．６４６７４．９６７３３０１－５１１８４．３９１－３０１３３．４６１７４．３８３２３０２－５１１８４．３７１－３０１３３．４５５７４．９７８１０５１　第２期欧同庚等：车载数据采集系统在电力线检测中的应用其中Ｘ、Ｙ、Ｚ分别代表了大地坐标系中的东西坐标、南北坐标以及高度。根据电力线点云数据位于同一个垂直平面内的约束，利用其点云坐标的Ｘ、Ｙ值进行直线拟合，可以求解出电力线的直线方程为ｙ＝－３．３０５８ｘ－１９９３３６，相关系数Ｒ２＝０．９９９５，这说明上文有关电力线位于垂直平面内的假设是正确的。其拟合图形如图２。获取了投影直线的参数，也就是获取了点云数据所在垂直平面的参数。利用同一个垂直平面内的点云数据，在其平面内进行拟合。拟合结果如图３所示，坐标轴是以拟合直线为Ｘ轴，垂直方向为Ｙ轴。图１　电力线提取Ｆｉｇ．１　Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｌｉｎｅ图２　电力线垂直面拟合示意Ｆｉｇ．２　Ｓｋｅｔｃｈｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｐｌａｎｅｆｉｔｔｉｎｇｏｆｐｏｗｅｒｌｉｎｅ图３　电力线二次拟合Ｆｉｇ．３　Ｑｕａｄｒａｔｉｃａｌｌｙｆｉｔｔｉｎｇｏｆｐｏｗｅｒｌｉｎｅ从拟合结果可以看到非常低，说明在同一个垂直面内可能有多条电力线存在。因此，需要利用已经获取的拟合曲线为分界线，将电力线的点云数据分成上下两部分，再次对每部分单独进行拟合。图４是位于拟合曲线上下两方的三维点云数据，再次分别进行拟合的曲线图。图４　电力线单独拟合Ｆｉｇ．４　Ｓｏｌｅｌｙｆｉｔｔｉｎｇｏｆｐｏｗｅｒｌｉｎｅ上下两个曲线的拟合结果分别为：ｙ＝０．００１５ｘ２－０．０６６６ｘ＋７４．８８８，Ｒ２＝０．９３１３ｙ＝０．００１ｘ２－０．０３８９ｘ＋７４．１８５，Ｒ２＝０．９７６８这说明电力线组成的曲线基本满足抛物线的公式，而且其拟合度比较高，可以比较精确地检测出电力线的空间几何信息。５　结论上述实验表明，利用车载数据采集系统进行电力线检测的方案是可行的。对于城市和道路附近的电力线检测具有方便、快捷的特点，并具有较强的可重复性，不但适合大规模的普查工作，也适合局部区域的专项检测。而且相对于直升机检测平台来说具有价格低廉、安全性高、适合在城市作业的优点。参考文献１　李朝阳．高压线路走廊特性物提取和高程计算研究［Ｄ］．北京邮电大学，２００５．２　郭英，卢秀山，冯尊德．车载测量系统中两传感器相对位置关系的确定［Ｊ］．工程勘察，２００５（２）：６０－６２．３　ＨｕｉｊｉｎｇＺｈａｏａｎｄＲｙｏｓｕｋｅＳｈｉｂａｓａｋｉ．Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｕｒｂａｎ３ＤｏｂｊｅｃｔｓｆｒｏｍｖｅｈｉｃｌｅｂｏｒｎｅｌａｓｅｒｄａｔａｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎＩＩＩ，ＴｈｉｒｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｆｅｎｃｅｏｎ３ＤＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｉｎｇａｎｄＭｏｄｅｌｉｎｇ（３ＤＩＭ’０１），２００１，ＷＧＩＩＩ／７．４　ＤａｖｉｄＢｅｌｔｏｎａｎｄＤｅｒｅｋＤＬｉｃｈｔｉ．ＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｌａｓｅｒｓｃａｎｎｅｒｐｏｉｎｔｃｌｏｕｄｓｕｓｉｎｇｌｏｃａｌｖａｒｉａｎｃｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＩＡＰＲＳＶｏｌｕｍｅＸＸＸＶＩ，Ｐａｒｔ５，Ｄｒｅｓｄｅｎ２５－２７Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２００６．１５１