基于 DSM和 DEM的输电线路三维通道树木生长模型构建

基于 DSM和 DEM的输电线路三维通道树木生长模型构建

王金祥

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局 云南 昆明 650217

摘要：输电线路通道内树障隐患是影响输电线路安全稳定运行的重要因素，近年来随着激光雷达、倾斜摄影等技术的不断成熟和广泛运用，为获取线路通道内高精度DEM和DSM数据提供了帮助，而通过对连续每年（半年）通道内DSM数据的变化可有效评估一定区域环境下树木自然生长规律，建立树障隐患资料库，实现树障隐患动态评估和及时预警，为线路运维及工程建设前期相关树障隐患消除提供依据。关键词：通道树障 DEM DSM 倾斜摄影 三维模型

Wang jinxiang

Absrtact: Tree barrier hidden trouble in transmission line channel is an important factor affecting the safe and stable operation of transmission line. In recent years, with the continuous maturity and wide application of lidar, tilt photography and other technologies, it is helpful to obtain high-precision DEM and DSM data in transmission line channel, and through continuous annual (half a year) channel DSM. The change of data can effectively evaluate the natural growth law of trees in a certain area, establish a database of tree barrier hidden dangers, realize dynamic evaluation and timely warning of tree barrier hidden dangers, and provide a basis for line operation and maintenance and eliminating related tree barrier hidden dangers in the early stage of Engineering construction.

Key words: tree barrier DEM DSM three-dimensional model

1. 引言

现阶段，在南方电网公司“机巡+人巡” 模式下，输电线路内树障隐患情况大部分通过机载激光雷达或无人机倾斜摄影技术获得，激光雷达的测量精度可达5cm以内，具有可穿透树木间隙的特性，通过每年至少一次的机巡激光雷达数据可获取高精确的DEM （数字高程模型）和DSM（数字地表模型）变化情况，后期可对不同年月的DEM和DSM 数据进行比对，获取变化数据；倾斜摄影又可准确获取地表环境，为树木生长模型控制

因子的提取提供依据。

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3. DSM和DEM的获取

DSM是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。而DEM只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表信息。

DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。对于输电线路通道而言，DSM大部分为通道内地表树木等信息，基于高密度的激光雷达点云不仅能够获取林分尺度森林参数，也可以提取单木尺度的森林参数。基于点云数据获取单木尺度森林参数，进行单木分割，单木分割方法可分为基于CHM的分割和基于点云的分割。 DEM为输电线路经过路径的数字地形信息，数据的获取不仅有利于树木结构参数自动提取以及后期三维场景重建，而且对于特定控制点的观察分析，可检测通道内及塔基附近地形变化，有利于对地质灾害的有效管控。 激光雷达主要原理是进行测距和测角。根据激光在空气中的传播，计算激光器到反射物的距离；同时利用角度编码器记录每一出射光线的角度。这些信号经反射、接收、记录、计算，构成三维图像。由于激光雷达具有多次回波特性，激光脉冲在穿越植被空隙时，可返回树冠、树枝、地面等多个高程数据，有效克服植被影响，更精确探测地面真实地形 。近年来，输电线路直升机巡过程中，已搭载激光雷达、红外、可见光等机载设备，并且随着激光雷达技术的不断迭代更新，搭载在无人机上的小型激光雷达也已逐渐成熟，大大降低了输电线路通道内高精度数字信息获取的成本，大部分超（特）高压线路每半年就能获取通道内相关数据信息，并且获取的地理数据信息在RTK\PPK模式下采集，数据的每个点可以匹配到绝对坐标，满足后期所需要的精度要求，为后期树障生长模型的建立提供可靠的数据支撑。

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4. 模 型构建的基本流程

5. 基于激光雷达点云\倾斜摄影数据构建的数字表面模型包含地表及地面每一点的坐标、高程信息，可从点云数据中分离地面点，然后基于地面点平滑归一生成DEM，通过DSM 和DEM数据叠加可得到地表相关树木、房屋等信息。虽然激光雷达DSM和DEM的叠加可以快速获得通道内相关树木的三维模型，并通过点云分割分类获取单株树木尺寸信息。但仍存在一定问题

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2. 由于DSM的精度越高其数据量越大，在软件调用参数和计算的过程之中需要花费的时间就越多。会给数据的处理带来不利的影响。

3. 激光DSM数据虽然可以为植被等地标物体进行分类着色，但是无法对树木种类，树木生长状况等做有效可视化判别。 基于上述问题，提出采用提取控制点及结合倾斜摄影的方案

（1）提取线路通道区段内树障隐患点或具有代表性的区段进行观察记录，大大降低参与计算的点云数据；或者对DSM进行滤波处理，得到观测区域的DEM数据。

（2）一般来说，影响树木每年生长高度的因素有：树种、树高、位置、水分、林密等，选取±800kV楚穗直流线部分塔位树障点，由通道内倾斜摄影图像及视频等影像资料获取通道内影响树木生长率的部分因子如下：表1：影响生长率的部分因素：

图
1：激光扫描点数据

（3）按照上述方案，在超高压昆明局所辖± 800kV楚穗直流线已得到相关树木生长年增

长率，如下表所示：

表2：2017年-2019年选取部分控制点处树木生长情况 通过对影像树木年增长的因子进行数据分析，最终.得出不同种类，不同区域，不同环境下树木的生长模型。图（4）：树木年增长情况

4、应用前景

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2. 输电线路运维过程中，精确评估通道内树木生长趋势，实现通道内树障的动态评估和趋势预警，指导树障隐患消缺工作。根据生长趋势预估，对于无法到达危险距离的树障进行跟踪观察即可，在不影响树木安全运行的情况下，减少树木砍伐量。对于生长迅速，最终可危及线路安全稳定运行的树障，提前及时清理，降低树障清理成本，提高树障管控质量，保证线路安全稳定运行。

3. 工程建设前期，提前获取通道内高精度DSM和DEM信息，并在地表数据上模拟输电线路三维模型，从而可计算得到线树距离，准确评估树木砍伐点及砍伐量。

4. 通过历年的DEM数据，可有效评估塔基周围地形的相关变化，对于山体位移、

滑坡等自然灾害可达到有效的预控。

5、 结论

在输电线路运维中，利用激光雷达、倾斜摄影技术获取DEM及DSM构建通道树木生长模型具有很大的优势和发展前景。但树障模型的构建不仅涉及到摄影测量与遥感领域的前沿课题，而且还涉及到树木本身生长因素的影响，其研究还处于初步阶段，但是随着机巡大数据的不断完善及智能算法等技术的不断发展，其研究成果必将会被广泛应用。

参考文献：

[1]张庆斌. 基于DEM构建地形三维场景的研究.《科学家》

2016年第十期。作者简介：

王金祥（1988-），男，汉，云南曲靖人，大专学历，助理工程师，从事工作：特高压输电线路运行维护。