输电线路走廊三维可视化技术和系统设计_麦晓明

摘 要： 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
1 基于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， 实源自文库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。
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。
3 试验验证
依据本文提出的三维数据管理与三维可视化 方 法 ， 使 用 Visual Studio 2010 VC++ 开 发 出 无 人 机、 线路走廊三维可视化软件原型， 实现无人机 巡检激光扫描获得的云数据、 线路走廊三维模型、 数字正射影像与数字高程模型合成后的三维可视 化。 巡线无人机系统主要由机体与巡线吊舱 2 部 分 组 成 。 吊 舱 部 分 集 成 激 光 扫 描 仪 ， POS 系 统 以 及可见光相机进行激光点云数据和航片的采集， 吊舱结构如图 6 所示。
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第2期
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麦晓明等： 输电线路走廊三维可视化技术和系统设计
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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 。 图 1 为 机 载 LiDAR 系 统 采 集 到 的三维激光点云数据， 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。 图 2 为某 220 kV 线路走廊的三维效果图。
图 5 地 形 LOD 模 型 （自 左 到 右 地 表 表 达 细 节 增 加 ） Fig.5 A set of terrain LOD models
2.2 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。 本文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[5]。 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
图 3 输电线路走廊三维可视化技术路线 Fig.3 Technical process of power line corridor
visualization system
2.1 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[5]。 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， 本文通过建 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。
文章编号： 1004-9649（2015）02-0098-06
0 引言
输电线路分布范围广， 穿越的地理环境越来 越复杂， 传统的电力巡检工作越来越难以适应新 的 输 电 线 路 发 展 趋 势[1-4]。
随着数据采集技术的进步以及遥感技术的发 展， 利用无人直升机多传感器获取多源数据已经 成为可能。 利用机载多传感器系统进行电力巡线 是近年来国内外应用较为广泛的一项技术。 采用 该项技术进行电力巡线， 不仅可以大幅度提高工 作效率， 而且能大大减少野外工作， 降低巡线成 本。 在成果的应用方面， 不仅可以提供常用的电 网台账数据， 也可以基于该数据进行专业分析， 为电网管理和维护提供更多数据支 持[5]。 葡 萄 牙 、 美国以及德国等都开发了基于遥感技术的电 力 巡 线 系 统[6-8]， 国 内 相 关 单 位 对 直 升 机 巡 线 进 行 了 研 究 和 应 用[9-14]。 构 建 输 电 线 路 走 廊 三 维 可 视 化 系 统 可以很好地解决输电线路运行维护中遇到的难题， 提高电力管理效率和水平， 具有很好的社会效益 和 经 济 效 益 [15-17]。
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通 第48 卷 第 2 期
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2015 年 2 月
中国电力 中E国 LEC电 TRIC力POWER
Vol ． 48， No． 2
Feb第. 204185 卷
输电线路走廊三维可视化技术和系统设计
麦晓明1，陈驰2，3，彭向阳1，张伯宇2，3，王柯1，杨必胜2，3，王锐1
（1． 广东电力科学研究院，广东 广州 510080；2． 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079； 3. 武汉大学 时空数据智能获取技术与应用教育部工程研究中心，湖北 武汉 430079）
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 4 所示。
在无人直升机上搭载激光扫描仪、 可见光检
收稿日期： 2014-11-15 基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （973 计 划 ）资 助 项 目 （2012CB725301）；国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （41071268）；南 方
电 网 公 司 重 点 科 技 资 助 项 目 （K-GD2013-030） 作者简介： 麦晓明（1986—）， 男， 广东广州人， 工程师， 从事输电线路运行及故障智能诊断技术研究。 E-mail: mxmbl@126.com
区 域 四 叉 树 [14] 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， 本文 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
图 1 巡线激光数据 Fig.1 Laser scanning data of power line corridors
图 2 三维线路走廊 Fig.2 Three-dimensional power line corridor
2 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。 本文提出一种 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。 其技术 路线如图 3 所示。
本文采用无人直升机激光扫描系统直接获取 输 电 线 路 走 廊 内 大 量 高 精 度 LiDAR 激 光 点 云 数 据， 以真三维展现形式实现输电线路走廊可视化。 通过对激光点云数据的处理生成地形数据以及输
电/铁塔模型等数据， 构建能够准确有效地模拟和 再现输电线路走廊内的地形、 地貌、 地物的输电 线路走廊三维可视化系统。 针对输电走廊跨度大， 覆盖范围广， 无人直升机巡线系统采集数据存在 海 量 性 等 特 点 ， 提 出 一 种 基 于 区 域 四 叉 树 与 LOD 模型相结合的线路走廊三维海量数据管理方法， 能够实现海量数据的快速浏览、 漫游、 显示和测 量等。
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。
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。 通
过无人机巡线的实际数据验证了输电线路走廊三维可视化系统的可行性和有效性。
关键词： 无人直升机； 输电线路； 激光； 扫描数据； 三维可视化； 线路走廊； 模拟； 系统设计
中图分类号： TM726
文献标志码： A
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中国电力
第 48 卷
图 4 线路走廊三维可视化系统总体结构 Fig.4 General structure diagram of power line corridor 3D visualization system
的激光点云数据和地形数据三维可视化显示， 如 图 5 所示。 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。