丁妍
中国能源建设集团黑龙江电力设计研究院
黑龙江省哈尔滨市150078
摘要：随着数据采集技术和遥感技术的发展，利用无人直升机多传感器获取多源数据成为可能。利用机载多传感器系统进行电力线检测是近年来国内外广泛使用的技术。利用该技术巡视电力线路不仅可以大大提高工作效率，还可以大大降低现场工作和巡视成本。在结果的应用中，不仅可以提供常用的电网账户数据，还可以根据数据进行专业分析，为电网管理和维护提供更多的数据支持。
关键词：输电线路；激光；扫描数据；三维可视化；线路走廊；
结合输电线路巡视需求，利用携带激光扫描仪的无人直升机进行巡线，获得输电线路走廊的海量激光扫描数据，根据激光扫描数据对电力线走廊进行三维建模，开发了输电线路走廊三维可视化系统，实现输电线路走廊三维可视化。该系统以无人直升机的高精度三维激光点为基础获取云数据源，对云数据进行分析和处理并生成相关地形模型、铁塔/输电线模型后集成开发，能够准确有效地模拟和再现输电线路走廊内的地形、地貌、地物，并可进行三维操作，同时还能够实现无人直升机飞行过程三维实时可视化。
一、无人直升机的输电线路激光扫描数据采集
无人机作为低空遥感平台已取得了广泛应用和发展，具有机动灵活，响应快，成本低，时效性强等特点。在重大自然灾害应急响应，阴云天气低空光学影像获取，局部地区及时遥感，低空大比例尺度、高精度测绘等情况下，无人机航空遥感系统拥有卫星遥感和普通航空遥感不可替代的作用，在国外已形成与卫星遥感和普通航空遥感并行蓬勃发展的局面。将无人机应用于输电线路走廊三维可视化，可以充分利用其在成本和时效等方面的优越性，实现输电线路走廊的实时浏览和漫游，也可实现输电线路故障的可视化检测。在无人直升机上搭载激光扫描仪、可见光检测仪、GPS（global positioning system，全球定位系统）、IMU（inertial measurement unit，惯性测量单元）、飞行计划和管理系统以及数据存储系统等，可同时获取LiDAR激光点云数据和高分辨率航空影像数据。在获取的数据中，激光扫描仪可全天候对输电线路走廊进行观测，获取输电线路走廊的三维空间信息。激光点云数据以三维激光点的表现形式，重现线路环境，但由于没有纹理信息，视觉拟真度较差。基于海量机载激光扫描激光点云数据进行建模，可获取电力线、铁塔的三维几何模型，结合基础地理信息数据提供的地形与纹理信息，可完整地重现输电线路走廊的虚拟三维地理环境，获得完整线路走廊三维模型。
二、输电线路走廊三维数据可视化
无人机采集的影像、激光数据具有海量性，对其三维建模与可视化带来挑战。提出一种基于区域四叉树结合LOD层次模型的方法实现输电线路三维海量数据的实时动态调用、地形数据的交互式操作以及线路环境的三维显示。依据上述技术路线，再结合实际巡线业务需求，开发出线路走廊三维可视化软件系统模型。可视化系统分为海量云数据可视化、地形可视化、铁塔/输电线模型可视化（线路走廊三维可视化，线路故障检测可视化）和无人直升机飞行过程实时三维可视化4个模块。其系统结构如图1所示。
图1线路走廊三维可视化系统总体结构
1.数据可视化方法。激光点海量云数据是输电线路走廊可视化系统的基础数据源。
通过激光点云数据，可以快速地生成目标场景的地形数据，并从中提取出铁塔/输电线模型以及其他地形。能够流畅快速地对激光点云数据进行调度是对激光点云数据进行处理的首要工作。地形环境三维数据包括数字正射影像（DOM）与数字高程模型（DEM），是对真实环境的栅格化三维表达。目前，激光点海量云数据与地形数据的管理和实时可视化仍然是虚拟地理环境的关键问题。实现可视化的解决方案需满足用户在计算机或网络环境中流畅地可视化三维激光点云数据与地形数据的要求，难点之一是如何克服计算机有限的存储空间。因此，通过建立层次细节模型（LOD），并使用区域四叉树空间、四叉树数据索引对视场范围内的数据进行动态调度，实现对激光点海量云数据与地形数据的实时可视化。区域四叉树是最重要、应用最广泛的四叉树表示法。区域四叉树对几何空间的划分没有重叠，通过特定的编码可以快速地查找几何区域所在的行列，同时还可以根据空间对象的稠密程度来确定空间数据的分辨率。这些特性有利于高效管理激光点海量云数据与地形数据，因此，采用区域四叉树方法建立空间索引，实现激光点海量云数据与地形数据的动态加载。使用LOD技术对激光点云数据与地形数据进行分层简化和重采样，实现在不同视点距离条件下不同细节层次的激光点云数据和地形数据三维可视化显示，为进一步减少内存中载入的三维数据量，使用当前视点视景体对场景进行切割。根据视点坐标和视线方向，计算视景体与地形平均水平面相交的平面区域范围，得到场景可见区域及最佳地形分辨率。并根据场景计算结果，调度细节层次模型中的多分辨率空间数据。在系统实时交互时，进行请求预测，建立数据缓冲区，并使用内存映射文件和多线程技术实现激光点云数据与地形数据的快速读取。对最终读取到内存中的三维数据使用OpenGL技术进行绘制与渲染，完成虚拟线路环境的三维可视化。
2.铁塔/输电线和无人机飞行过程实时三维可视化方法。铁塔/输电线模型的可视化是输电线路走廊可视化系统的关键部分。铁塔模型种类繁多，其数据非常复杂，且点与点之间的关系也比较繁杂。铁塔的种类也决定了输电线的条数和空间分布。因此，如何做好铁塔/输电线模型的可视化是线路走廊能否高效、流畅、多视角、逼真可视化的关键所在。为真实反映铁塔的三维结构，铁塔的精细建模需要铁塔图纸作为基础资料，作业员依据图纸设定规格使用3DMax等专业建模软件建立铁塔三维模型。从激光点云数据中量测得出铁塔的位置，以供模型插入。对三维激光扫描进行电力线激光点云数据的提取与拟合，从而获得电力线矢量模型。对于远距离高压输电线路，输电线路走廊可达到几百或上千千米，所包含的铁塔数量很多，海量的精细电线塔模型会造成很大的显示资源消耗，会严重地影响系统性能。为解决这一问题，铁塔/输电线模型的子系统设计仍然使用LOD技术分层显示铁塔模型，在不同的尺度下显示不同细节层次的铁塔模型，达到高效率处理与高效果视觉的平衡。铁塔/输电线模型可视化子系统的设计采用实时动态调用和符合规格的预先建立LOD铁塔模型，然后显示到给定的铁塔坐标位置的方式来实现铁塔的可视化，导入提取的输电线模型，从而实现完整线路走廊的三维可视化。无人直升机飞行过程实时三维可视化子系统在预先建立的输电线路走廊环境数据中，以真三维形式真实地再现无人直升机的飞行位置与姿态信息，以及飞行过程中的输电线路走廊环境。地形数据、铁塔/输电线模型的可视化是模拟无人直升机飞行环境的前提，使用地形实时三维可视化技术构建虚拟线路走廊环境。在此环境中，依据巡线过程中飞行控制系统所记录的航迹数据，能够实现无人直升机巡线虚拟飞行，再现输电线走廊的真实场景，为巡检员判断铁塔/输电线的状态提供准确、快速的信息。
总之，针对机器内存不能一次装载所有的三维模型数据的瓶颈问题，使用数据的动态装载、高效的空间索引机制以及模型的动态剪切算法实现海量场景的真三维可视化。试验证明该方法可实现三维场景的虚拟重建。由于构造真实的三维模型需要大量的三维数据，在实际情况中必需使用多种传感器获取地物目标的几何数据和属性数据，因此，在基于多数据源的三维重建以及数据管理方面还需要进一步的研究。
参考文献：
[1]杨平，地面无线测控网在电力巡检中的应用.2019.
[2]张旭红.浅谈输电线路走廊三维可视化技术和系统设计.2020.