無人機三維地障信息提取技術(shù)應(yīng)用于航空物探飛行軌跡規(guī)劃

吳芳， 李瑜， 金鼎堅， 李天祺， 郭華， 張琦潔

(中國自然資源航空物探遙感中心,北京 100083)

0 引言

隨著無人機技術(shù)的不斷成熟完善，鑒于其部署便捷、應(yīng)用成本、測量效率、人員安全性等方面的優(yōu)勢，無人機航空物探已成為航空物探技術(shù)的新興分支，目前已研發(fā)了多項自主技術(shù)的無人機航空物探裝備和應(yīng)用技術(shù)[1-2]。為了獲取高質(zhì)量的無人機航空物探測量數(shù)據(jù)，要求飛行器具備躲避地障能力并沿制定測線隨地形超低空起伏飛行的能力。對于航空物探應(yīng)用，無人機航跡規(guī)劃的重點和難點在于航高規(guī)劃，實現(xiàn)系統(tǒng)的自主避障能力。

在進行無人機航空物探航高規(guī)劃時，必須掌握地形信息及電力線和電力桿塔等地障信息，因此數(shù)字地形及三維地障信息是無人機三維航跡規(guī)劃軟件極重要的一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前，獲取地形信息的方法主要有地面外業(yè)測量、地形圖數(shù)字化、光學(xué)攝影測量、合成孔徑雷達(synthetic aperture Radars，SAR)測量、激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)測量等，其中除了LiDAR技術(shù)之外，其他方法均很難在獲取數(shù)字地形的同時快速獲取電力線等細小地物的三維信息。

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外越來越多的研究學(xué)者開始利用低空LiDAR技術(shù)進行電力線安全距離的檢測。無人機LiDAR測量系統(tǒng)可快速采集線路走廊高精度三維激光點云數(shù)據(jù)，進而獲得高精度三維線路走廊的地形地貌、地物和線路設(shè)施的空間信息。相比于航拍影像，LiDAR數(shù)據(jù)在電力行業(yè)應(yīng)用精度高、目標易識別。目前很多學(xué)者對通過LiDAR數(shù)據(jù)提取電力線等地障信息進行了深入研究，提出了各類提取方法。利用二維Hough變換提取電力線，通過對點云進行預(yù)處理后投影到二維平面，利用影像處理技術(shù)提取電力線[3]。根據(jù)電力線空間特性，采用聚類方法設(shè)置特征閾值提取單根電力線，并基于拋物線模型實現(xiàn)電力線三維空間構(gòu)建[4]。選取多個特征基于監(jiān)督分類方法，構(gòu)建分類器進行電力線走廊分類[5]。

本文將圍繞無人機三維航跡規(guī)劃和自主避障的需求，研究基于無人機LiDAR點云數(shù)據(jù)的三維地障信息提取技術(shù)。首先，對原始點云數(shù)據(jù)進行地面濾波，分離地面點和非地面點； 然后對非地面點通過分析其點云的幾何特征以及分布特征，實現(xiàn)電力線、電力桿塔和高植被等地物的提取； 借鑒擬合聚類分析提取單根電力線，根據(jù)電力線自然懸垂特性，構(gòu)建拋物線模型，利用每條電力線上點云數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)，完成電力線的三維建模[6]； 最后利用點云距離計算方法設(shè)定安全緩沖區(qū)域，為無人機三維航跡規(guī)劃避障提供基礎(chǔ)地障信息。

1 研究方法

本文所研究的電力線提取及安全區(qū)域檢測的方法流程如圖1所示。主要包括對無人機LiDAR點云數(shù)據(jù)進行地面濾波，區(qū)分地面點和非地面點，完整提取電力線點和電力桿塔等地物信息，并三維重建電力線走廊，根據(jù)提取的電力線矢量計算樹木點與電力線的距離，建立無人機飛行規(guī)劃的自主避障安全緩沖區(qū)，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到飛行軌跡規(guī)劃軟件。

圖1 地障信息提取流程

1.1 點云分類

LiDAR獲取的點云數(shù)據(jù)包含了地形表面、植被、人工地物(建筑物、電力線、電力桿塔、橋梁)和噪聲等多種信息。點云分類的目的就是將原始激光點云標記為地面點、植被點、電力線點、電力桿塔點等，這是后續(xù)三維建模和避障分析的基礎(chǔ)。點云分類方法很多，對不同應(yīng)用對象和分類目標采用不同算法。地面點和導(dǎo)線點分類一般可以基于高程特征自動識別； 植被點、建筑點、電力桿塔和其他精細電力設(shè)施往往需要結(jié)合相關(guān)算法和手動標注[7]。分析試驗區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，電力線多處于深山中，地物目標種類單一，主要是地面點、植被和電力線與電力桿塔，在一定程度上降低了點云分類難度[8]。

1.1.1 地面點分類

本次提取地面點的試驗采用不規(guī)則三角網(wǎng)濾波算法，通過對LiDAR點云濾波后，實現(xiàn)地面點剔除與地物點的提取。該算法假設(shè)地形局部區(qū)域是平坦的，首先將一定范圍(一般以不小于區(qū)域內(nèi)的最大建筑物的面積為下限)內(nèi)的點云最低點作為種子點建立初始模型，生成一個稀疏的三角網(wǎng)(圖2)，計算三角網(wǎng)內(nèi)待定點到三角形所在平面的距離及與三角網(wǎng)節(jié)點的夾角，以此來判斷該點是否為地面點[9]。圖2中，P(x,y,z)為三角網(wǎng)內(nèi)離散待定點；V1,V2,V3分別為三角形3個頂點；dP為點P到三角形表面的距離； 垂足為O；a1，a2，a3分別為點P、三角形頂點和垂足所形成的夾角。定義距離和夾角計算公式分別為[10]：

(1)

a1=arcsin(d/S1)，

(2)

a2=arcsin(d/S2)，

(3)

a3=arcsin(d/S3)，

(4)

式中:A,B,C,D分別為三角形平面方程擬合系數(shù)；S1,S2,S3分別為三角形3個頂點各自到離散點P的距離。在三角網(wǎng)加密過程中，計算試驗區(qū)各待定點的距離和夾角參數(shù)，當二者滿足特定閾值條件時，則參與建模，被加入到原種子點集中，更新和加密三角網(wǎng)。如此迭代，直到點云中沒有點可以加入三角網(wǎng)為止。至此，地面點(三角網(wǎng)的所有頂點)與非地面點得到了分離[11-12]。

圖2 濾波參數(shù)示意圖

1.1.2 電力線點云分類

電力線點云數(shù)據(jù)三維建模，關(guān)鍵是要將點云數(shù)據(jù)中的電力線點提取出來。試驗區(qū)的非地面地物主要包括植被、電力線和電力桿塔。為了從非地面點中分離出電力線點云，需要根據(jù)電力線在激光點云數(shù)據(jù)中的主要特性，設(shè)計相應(yīng)的分類規(guī)則(圖3)。

圖3 電力線空間特征

從圖3可見，電力線在點云數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)的空間特性如下[3，7]： ①輸電線在架設(shè)過程中遠離地面、植被、房屋等地物，具有較高的高程，而相鄰的電力線點高程變化??； ②電力線點呈線狀分布，具有較強的延伸性； ③ 2根相鄰電力桿塔之間的電力線呈自然垂線，但在水平方向的投影呈直線，且相互平行； ④LiDAR數(shù)據(jù)具有多次回波特性，電力線上方的區(qū)域一般無其他地物遮擋，電力線信息主要集中在LiDAR數(shù)據(jù)的首次回波中。

根據(jù)特性④電力線點云主要集中在雷達的首次回波中，可提取非地面點云的首次回波激光點作為待分類數(shù)據(jù)，這樣可預(yù)先濾除一部分植被點。接下來，手動構(gòu)建中心塔線，即人工手動以每個電力桿塔中心為端點，構(gòu)建中心線； 以此中心線為計算初始值，設(shè)定搜索范圍、距離和角度閾值，利用區(qū)域生長算法進行導(dǎo)線追蹤，實現(xiàn)電力線點云的提取。本次試驗判斷是否為電力線點選取多種特征綜合判斷，選擇了基于高程特征、基于角度特征和基于距離特征進行電力線點云分類(表1)。最后利用加載的電力桿塔文件，設(shè)定以電力桿塔位置為基準的搜索范圍，實現(xiàn)對電力桿塔的劃分，余下的非地面點云即為植被。

表1 電力線點云特征描述

1.1.3 分類結(jié)果手動編輯

由于實際地表的復(fù)雜性，電力線和電力桿塔形態(tài)特征的多樣性，要實現(xiàn)從無人機LiDAR點云數(shù)據(jù)中準確地自動提取電力線和電力桿塔等地障信息難度非常大。而無人機低空飛行是一項安全要求極高的工作，對三維航跡規(guī)劃的準確性要求極高。為了保障無人機LiDAR地障信息的準確性，基于無人機LiDAR的地障信息手動分類技術(shù)仍必不可少(圖4)。

(a) 部分電力線被錯分為植被(關(guān)閉電力線層) (b) 手工編輯后結(jié)果(打開電力線層)

基于上述的分類方法處理后，對試驗區(qū)非地面點的分類結(jié)果開展手動編輯工作，特別檢查區(qū)域內(nèi)電力線點和高植被點。關(guān)閉電力線點云層后發(fā)現(xiàn)，有稀疏電力線點誤分為植被(圖4(a))。參照區(qū)域內(nèi)影像信息，根據(jù)電力線在局部高程基本相同，而植被高程一般具有起伏較明顯的特征，對電力線和高植被點云進行人工檢查，對誤分點進行手工編輯，確保每個點云被正確分類。

1.2 電力線激光點云擬合

點云分類得到的電力線并不是連續(xù)的直線，而是由許多離散的點組成，近似為直線； 并且單根電力線相鄰點云間距離差很小。利用這些特性，對分類后的電力線點云數(shù)據(jù)進行聚類分析，擬合識別每根電力線上的點云數(shù)據(jù)。設(shè)定同一根電力線相鄰2點的空間距離d，電力線之間點的空間距離D，D遠大于d，通過比較點與點之間的距離，即可識別出屬于同一根電力線上的點云數(shù)據(jù)[6]。具體步驟如下： ①導(dǎo)入電力桿塔文件，以每個電力桿塔中心點為基準構(gòu)建中心塔線，量測中心塔線至最外端電力線距離，構(gòu)建包含2個電力桿塔間電力線區(qū)域的最小搜索矩形范圍。②從電力線中選擇一點作為種子點p，一般選取區(qū)域最邊端點。③依次遍歷搜索范圍內(nèi)剩下所有點pi與p點的空間距離Δd，計算公式為：

(5)

式中：Xpi，Ypi，Zpi為點pi的三維坐標；Xp，Yp，Zp為點p的三維坐標。④設(shè)置距離閾值s，該值小于搜索范圍內(nèi)不同電力線間空間距離的最小值。當Δd

1.3 電力線三維建模

電力線在2個電力桿塔之間呈自然懸垂線狀，可根據(jù)此特征對電力線進行曲線擬合，其數(shù)學(xué)模型可選用拋物線模型進行擬合，多項式公式為：

(6)

式中：a，b，c分別為擬合參數(shù)[13]；x，y，z為電力線建模點的三維坐標。利用電力線點云數(shù)據(jù)，采用最小二乘擬合方法確定模型參數(shù)，得到電力線三維模型[14]。電力線三維建模后，創(chuàng)建三維矢量線圖層，并存儲電力線點的高程信息。對于電力桿塔，保存為點圖層，手工選擇電力桿塔基座位置，人工讀取電力桿塔最高點高程，并寫入電力桿塔圖層屬性中。

1.4 航跡規(guī)劃設(shè)計

由于無人機在復(fù)雜地形條件下開展高精度航空物探測量需要低空沿地形緩起伏飛行才能夠獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，要求飛行器具備躲避地障能力并沿制定測線隨地形超低空起伏飛行的能力。針對復(fù)雜多變的地形，對激光點云數(shù)據(jù)開展分類處理，生成地形數(shù)據(jù)，并提取出地障信息(電力線等)。結(jié)合地形模型和提取出的地障信息，編制用于基于三維地障信息的測線航跡規(guī)劃方案。航跡規(guī)劃方案主要包括測網(wǎng)設(shè)計、航高規(guī)劃2個方面。

1)測網(wǎng)設(shè)計。以測區(qū)平面坐標及地形數(shù)據(jù)為輸入因子，依據(jù)無人機的爬升率和下降率，得到匹配無人機爬升能力的高程曲面數(shù)據(jù)，進而提取出可以用于自主導(dǎo)航的航路點三維路徑數(shù)據(jù)。首先，用2組正交的平行線布滿整個測區(qū)，設(shè)計形成二維測網(wǎng)。一組為測線，一般情況下，主測線方向應(yīng)垂直于或基本垂直于測區(qū)內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造走向，測線間距根據(jù)測量比例尺確定； 另一組為控制線，方向一般垂直于測線方向，間距一般為測線間距的10～20倍。然后，從點云數(shù)據(jù)生成的地形模型提取出測區(qū)的地形剖面數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)地形文件及所設(shè)計的二維測網(wǎng)，通過計算交叉點得到起伏曲面，完成三維測網(wǎng)輸出(圖5)。

圖5 利用點云地形信息創(chuàng)建三維測網(wǎng)

2)航高規(guī)劃。為了獲取高質(zhì)量的測量資料，一般要求飛行器沿制定測線依地形超低空起伏飛行，無人機必須與地面以及一些地障地物(電力線等)保持足夠的安全距離，才能有效地降低觸地概率。因此，對于航空物探應(yīng)用領(lǐng)域，無人機路徑規(guī)劃的重點和難點在于航高規(guī)劃。分類后的電力線點云三維建模后，可量測電力線與附近地物間距離，通過設(shè)定距離地障的最小安全距離，進行安全緩沖區(qū)界定，為超低空沿地形起伏飛行規(guī)劃提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。以2個電力桿塔之間的電力線中間點作為中心點，以中心點為基準，安全距離為半徑做一個平行于X軸、Y軸的二維緩沖區(qū)，其中安全距離以實際工程要求為準，飛行規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)確保航線軌跡嚴格避讓開緩沖區(qū)。生成矢量文件，并設(shè)定合理的航高信息，作為基礎(chǔ)信息參考文件導(dǎo)入飛行規(guī)劃軟件中。

2 試驗與分析

為了驗證本文方法的可行性，本文采用某區(qū)域無人機激光數(shù)據(jù)進行試驗。該數(shù)據(jù)為一段電力線走廊數(shù)據(jù)，其中包括8條電力線、2個電力桿塔。單次激光脈沖最多記錄3次回波信號，點云間距為0.07 m，同檔電力線相隔距離約為1 m。導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)，試驗區(qū)點云數(shù)據(jù)示意圖如圖6所示。

圖6 點云數(shù)據(jù)示意圖

2.1 點云分類

通過對數(shù)據(jù)初步分析，測試數(shù)據(jù)中的非地面點主要包括植被、電力線、電力桿塔等地物。首先利用不規(guī)則三角網(wǎng)濾波算法對試驗區(qū)點云進行濾波處理，提取出地面點，分離開地面點和非地面點。其中點與三角網(wǎng)表面的距離設(shè)定為2 m、夾角參數(shù)設(shè)定為5°，利用提取出來的地面點構(gòu)建地面高程模型(digital elevation model,DEM)，結(jié)果如圖7(a)所示。 然后對非地面點進行分類，從濾波結(jié)果中可以看出電力線在局部小面積區(qū)域內(nèi)的高程基本相同，而植被之間高程比較起伏。根據(jù)電力線空間特性，構(gòu)建高差、角度和距離特征向量，綜合多種特征規(guī)則識別出電力線點云[15-16]。分離出的電力線點中含有少量誤分的植被點，需要通過手工編輯檢查修改分類結(jié)果，人工對點云數(shù)據(jù)進行類別編輯，劃定出電力線、電力桿塔和植被點，確保點云分類結(jié)果正確，非地面點分類結(jié)果如圖7(b)所示。

(a) DEM(地面點生成)(b) 地物點分類結(jié)果(非地面點生成)

2.2 電力線提取與三維建模

為了將點云中各條電力線分離，自動識別同一條電力線上的點，以便電力線的三維建模。將分類后電力線點云進行聚類擬合分析，提取得到8條電力直線。在處理過程中，為了確保每條電力線都得到有效提取，需要預(yù)先量測2條電力線最小間距，本次測試數(shù)據(jù)中各電力線間距最小為0.35 m，則距離閾值取0.3 m，將電力線點云中每個點歸屬到各自的電力線數(shù)組中(圖8)。通過導(dǎo)入電力桿塔位置，利用2個電力桿塔之間的各條電力線點進行拋物線模型的參數(shù)擬合，構(gòu)建電力線三維模型，如圖9所示。并對自動提取的電力線進行精度評估，在2個桿塔之間沿電力線均勻選取10個位置，量測每個位置擬合電力線與點云之間距離(表2)。試驗結(jié)果表明，水平距離差平均約為0.06 m，垂直距離差平均約為0.09 m，誤差均較小，電力線擬合精度較高，滿足后續(xù)航跡規(guī)劃分析要求。

(a) 電力線點云在二維平面表示(b) 提取電力直線在二維平面表示

圖9 電力線三維走廊建模

表2 電力線擬合精度

2.3 航線規(guī)劃設(shè)計

將地形數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入物探飛行規(guī)劃軟件中，可在三維模型場景中根據(jù)線路避開地障(如電力線等)的安全運行距離，設(shè)定航高規(guī)劃，根據(jù)地形數(shù)據(jù)和航高規(guī)劃生成飛行線路的三維測網(wǎng)文件(圖10)。

在此飛行規(guī)劃設(shè)計中，可分析判斷飛行規(guī)劃線路是否有效避開了植被、電力線、電力桿塔等地障地物。由三維測網(wǎng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出(表3)，設(shè)計測線與地形匹配效果較好，測線均沿地形起伏飛行，且均高于地形數(shù)據(jù)，無穿插等現(xiàn)象。

圖10 飛行規(guī)劃三維測網(wǎng)輸出示例

表3 航線飛行高度-地形統(tǒng)計(部分)

飛行高度變化與地形起伏呈現(xiàn)出一致的關(guān)系，說明測量飛行時無人機能夠依地形緩起伏飛行，并安全避開了地障地物。實際飛行時不會出現(xiàn)風險，安全系數(shù)較高，符合要求(圖11)。

圖11 測試區(qū)飛行高度與地形剖面

3 結(jié)論

結(jié)合無人機LiDAR電力線點云數(shù)據(jù)空間分布的基礎(chǔ)上，提出了一種基于激光點云數(shù)據(jù)的電力線提取方法，并將提取的結(jié)果應(yīng)用于后續(xù)無人機物探應(yīng)用飛行規(guī)劃的安全距離診斷中。該方法利用點云在電力線上呈現(xiàn)的特點，設(shè)計和應(yīng)用相應(yīng)算法，實現(xiàn)電力桿塔之間電力線的自動提取與三維建模，并對電力線進行安全檢測。試驗結(jié)果表明，該方法可以對電力線點云數(shù)據(jù)進行有效提取，擬合的電力線與點云數(shù)據(jù)具有較好的吻合性，安全距離檢測方法與后續(xù)無人機飛行規(guī)劃軟件兼容性較好，具有一定的應(yīng)用價值。但在實際測試中也發(fā)現(xiàn)，目前有部分操作處理需要人工交互，屬于半自動化形式，并且此次測試數(shù)據(jù)量不大，還需提高安全檢測的工作效率，因此該方法還有待改進的空間。

志謝：感謝中科北緯(北京)科技有限公司張樂工程師、石賢兵工程師在測試過程中提供的技術(shù)支持。