劉蘭蘭，李勃鋮，毛盾，顧蘇，楊嘉妮，楊利波，段啟平

(1. 智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備(機(jī)器人)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410100；2. 帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國家電網(wǎng)有限公司實(shí)驗(yàn)室，長沙 410100；3. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司，湖南 衡陽 421000)

0 引言

由于空間走廊資源的稀缺，輸電線路不可避免地要大量穿過各類人跡罕至的山區(qū)、林地。隨著輸電線路下方樹木的不斷生長，導(dǎo)線與樹木之間的距離不斷縮小，當(dāng)小于某一限值后，便會(huì)發(fā)生樹障事故(短路跳閘或樹木導(dǎo)電等)[1-2]，從而對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大威脅，因此需要提前測量和防范。線樹距離是指架空線路與樹木間的最短距離，運(yùn)檢人員通過測量該距離的大小，即可掌握樹障發(fā)生的概率，從而判斷是否需要進(jìn)行人工處理。因此，對(duì)線樹距離進(jìn)行常態(tài)化、大范圍、高精度、無風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性測量和及時(shí)預(yù)警處置，是確保線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

早期的線樹距離測量多以目測法為主，這種方法主要依靠巡檢人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺，可信度較低。相關(guān)單位為了提高線樹距離監(jiān)測的準(zhǔn)確度，先后引入了激光測距儀和光學(xué)經(jīng)緯儀等測量儀器。但由于輸電線路空間走廊長、途徑區(qū)域地勢復(fù)雜，采用儀器測量需要耗費(fèi)大量人力物力，難以滿足線樹距離測量需求。

為提高巡檢效率，東北電力大學(xué)構(gòu)建了包含風(fēng)速、溫度、樹高預(yù)測等因素在內(nèi)的線樹距離預(yù)判模型，并使用輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備完成了對(duì)線樹距離的測量[3]。這種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)線樹距離的實(shí)時(shí)穩(wěn)定監(jiān)測，但在線監(jiān)測設(shè)備投資高昂、維護(hù)困難、數(shù)據(jù)傳輸不便，因此并未能得到推廣應(yīng)用。為降低測量成本并精準(zhǔn)掌握輸電線路沿線的數(shù)據(jù)，南方電網(wǎng)超高壓公司采用直升機(jī)搭載激光雷達(dá)獲取了輸電線路沿線的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建出了包含高程信息在內(nèi)的沿線三維模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線樹距離的快速、精確測量[4]，但這種方法專業(yè)性較強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)線樹距離的常態(tài)化監(jiān)測。針對(duì)這一問題，技術(shù)人員開始嘗試使用立體像對(duì)來匹配空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)。得益于高精度相機(jī)的應(yīng)用和攝影測量技術(shù)的突破，這種方法得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具備和激光雷達(dá)相類似的精度，使得利用便攜無人機(jī)搭載高清相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影并構(gòu)建輸電線路沿線三維模型的方法成為了可能[5-6]。貴州電網(wǎng)輸電運(yùn)行檢修公司利用這一技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了線樹距離的測量[7]。然而無人機(jī)的續(xù)航里程和通信距離均較短，難以實(shí)現(xiàn)輸電線路通道的快速覆蓋，且存在無人機(jī)墜機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成潛在威脅。

為解決上述問題，本文依托攝影測量原理，從衛(wèi)星遙感影像的立體像對(duì)中匹配并得到輸電線路沿線的點(diǎn)云信息，從而構(gòu)筑出三維立體模型。在此基礎(chǔ)上，分別結(jié)合監(jiān)督分類法和架空導(dǎo)線的懸鏈線方程，獲得樹冠和輸電線路的空間參數(shù)信息，并依照相關(guān)規(guī)程，制定預(yù)警策略，研發(fā)相應(yīng)的預(yù)警軟件，實(shí)現(xiàn)了線路距離的常態(tài)化、大范圍、高精度、無風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性測量及樹障風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)預(yù)警。

1 線樹距離測量需求分析及方法選擇

1.1 測量需求分析

輸電線路沿線跨越距離大[8]，地形環(huán)境復(fù)雜[9]，再加之樹木具有不斷生長的特性，導(dǎo)致線樹距離始終處于動(dòng)態(tài)變化中，因此對(duì)線樹距離的測量需要同時(shí)滿足常態(tài)化、大范圍、高精度、無風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性的要求。從現(xiàn)有的線樹距離測量方法來看，主要分為直接測量法和間接測量法2類。

直接測量法的思路主要是通過目測或使用各類觀測儀器對(duì)輸電線路沿線進(jìn)行巡視和測量，從而得到線樹距離。這類方法的優(yōu)點(diǎn)在于方式靈活，測量精度較高，但存在工作強(qiáng)度大，測量周期長，隱患排查不及時(shí)等缺點(diǎn)。

間接測量法的思路主要是通過各種方式和方法直接或間接獲取到輸電線路和樹冠的空間參數(shù)信息，再通過換算得到線樹距離。現(xiàn)有的間接測量方法如利用在線監(jiān)測設(shè)備測量、利用直升機(jī)或無人機(jī)進(jìn)行實(shí)地激光點(diǎn)云測量、利用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影均能夠?qū)崿F(xiàn)線樹距離的測量，但由于這些技術(shù)自身的局限性，均無法同時(shí)滿足線樹距離的測量需求。

綜上所述，在線樹距離測量方面亟需一種更為有效的方法，使之能夠同時(shí)滿足所有的測量需求。

1.2 測量方法選擇

從上述分析來看，間接測量法無疑更能滿足大范圍測量要求，但現(xiàn)有的間接測量方法無法滿足常態(tài)化、無風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性測量的要求。

近年來，衛(wèi)星遙感測繪技術(shù)、立體像對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及圖像識(shí)別提取技術(shù)得到了長足的發(fā)展[10]。同時(shí)，衛(wèi)星處于太空軌道中，環(huán)繞地球飛行一圈的時(shí)間較短，并且能夠無視地形環(huán)境等因素的影響，影像更新周期短。因此，采用衛(wèi)星遙感影像對(duì)線樹距離進(jìn)行常態(tài)化、高精度、無風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性測量及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警逐漸成為可能。

與其他的間接測量方法相類似，采用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行線樹距離測量和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的核心依然是獲得輸電線路沿線的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并得到輸電線路和樹冠的空間參數(shù)信息。因此，整項(xiàng)技術(shù)需要分別完成輸電線路走廊立體模型建立、樹冠及輸電線路空間參數(shù)獲取、線樹距離測量及預(yù)警3個(gè)環(huán)節(jié)。

2 線樹距離測量原理

從上述分析來看，線樹距離的測量包含3個(gè)主要環(huán)節(jié)，其中重點(diǎn)是得到樹冠及輸電線路的精確空間參數(shù)信息。下面逐一對(duì)其進(jìn)行分析和處理。

2.1 輸電線路走廊立體模型建立

在立體模型建立方面，首先利用衛(wèi)星獲取輸電線路所在區(qū)域內(nèi)的一對(duì)立體像對(duì)，并進(jìn)行影像配準(zhǔn)和RPC參數(shù)精化[11-12]。在此基礎(chǔ)上，利用式(1)對(duì)兩張衛(wèi)星影像的內(nèi)方位元素坐標(biāo)進(jìn)行恢復(fù)，即可確保立體相對(duì)的坐標(biāo)與儀器坐標(biāo)一致。

(1)

式中：x′、y′為內(nèi)方位元素的初始坐標(biāo)；Δx、 Δy為遙感衛(wèi)星的鏡頭畸變；dx、 dy為大氣的折光修正系數(shù)；δx、δy為地球的曲率修正參數(shù)。

由于立體像對(duì)的攝影基線不統(tǒng)一，因此在完成衛(wèi)星影像的內(nèi)定向后，還需要進(jìn)行相對(duì)定向，從而恢復(fù)立體像對(duì)的對(duì)關(guān)位置。以左像對(duì)O1所在的影像觀測點(diǎn)S1為原點(diǎn)，Y1軸為主軸，建立如圖1所示的空間直角坐標(biāo)系。

圖1中，圖1(a)和圖1(b)分別為側(cè)視角和重疊角的衛(wèi)星影像，B為攝影基線。對(duì)于每個(gè)影像，其空間相對(duì)位置都可由位置(X、Y、Z)和姿態(tài)(φ、ω、κ)共6個(gè)參量表示。其中，φ、ω、κ分別為航向傾角、旁向傾角和影像旋角。

圖1 立體像對(duì)的相對(duì)定向示意圖Fig.1 Relative orientation diagram of stereo pairs

結(jié)合圖1中的幾何關(guān)系，對(duì)于圖1(a)而言，有：

XS1=YS1=ZS1=0

(1)

ω1=0

(2)

對(duì)于圖1(b)而言，有：

YS2=ZS2=0

(3)

其中攝影基線B的長度(即XS2的值)與實(shí)際攝影基線的比即為建立起來的立體模型與實(shí)際模型的尺寸比，因此攝影基線B(XS2)值的大小可根據(jù)需要直接進(jìn)行設(shè)定，剩余需要計(jì)算的定向元素即為φ1、κ1、φ2、ω2、κ2。

圖1中矢量S1O1、S1S2、S2O2共面，由共面理論可得：

S1S2×(S1O1×S2O2)=0

(4)

對(duì)外方位元素(位置)參量而言，其與內(nèi)方位元素的坐標(biāo)變換關(guān)系為：

(5)

式中：R1、R2分別為φ1、κ1和φ2、ω2、κ2的函數(shù)矩陣；x1、y1與x2、y2分別為像點(diǎn)O1和O2在S1-X1Y1Z1和S2-X2Y2Z2坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；f為主距，即投影中心與影片的距離，由遙感設(shè)備自身屬性決定。

將式(5)代入式(4)中并進(jìn)行整理后可得到：

(6)

引入各待定值的近似值之后，將式(6)線性化展開，從而得到：

(7)

式(7)中的5個(gè)未知的定向元素只要采用5個(gè)以上的同名點(diǎn)進(jìn)行定向求解，即可實(shí)現(xiàn)立體像對(duì)的相對(duì)定向，使立體像對(duì)的相對(duì)位置關(guān)系得以恢復(fù)。

由式(2)—(7)可以求得立體像對(duì)的5個(gè)相對(duì)定向元素，但要進(jìn)一步恢復(fù)其對(duì)地的絕對(duì)位置，還需要依托地面控制點(diǎn)來求得剩余7個(gè)絕對(duì)定向元素，從而將相對(duì)立體模型納入到地面攝影測量的坐標(biāo)體系內(nèi)，并構(gòu)建出三維模型，為空間參數(shù)的獲取提供依據(jù)。

在控制點(diǎn)選取上，由于輸電鐵塔的空間精確三維坐標(biāo)已知，故可選取輸電鐵塔作為地面控制點(diǎn)。由三維空間相似變換公式可得：

(8)

式中：Xtp、Ytp、Ztp分別為輸電鐵塔的空間精確三維坐標(biāo)；Xp、Yp、Zp分別為輸電鐵塔的攝影測量坐標(biāo)；λ為模型縮放比；ai、bi、ci為φ、ω、κ計(jì)算出的方向余弦；ΔX、 ΔY、 ΔZ為坐標(biāo)平移量。

式(8)中有7個(gè)未知數(shù)，至少需要列7個(gè)方程求解，由于每個(gè)控制點(diǎn)都包含Xtp、Ytp和Ztp共3個(gè)參量，因此3個(gè)控制點(diǎn)可滿足求解要求?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已經(jīng)證明，當(dāng)?shù)孛鎱⒖键c(diǎn)的數(shù)量達(dá)到7個(gè)時(shí)[13]，可使得平面和高程的定位精度誤差分別縮小至0.6 m和2.2 m，繼續(xù)增加控制點(diǎn)對(duì)精度影響不大，故最終選擇7個(gè)控制點(diǎn)，多余控制點(diǎn)的觀測值按照最小二乘法進(jìn)行平差求解。

求解得到絕對(duì)定向元素后，再將攝影測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊立體模型的建立。

2.2 樹冠及輸電線路空間參數(shù)獲取

在得到輸電線路沿線的三維立體模型后，還需要獲取輸電線路與樹冠的空間參數(shù)信息，才能最終實(shí)現(xiàn)線樹距離的測量。

2.2.1 輸電線路空間參數(shù)獲取

在導(dǎo)線空間參數(shù)獲取方面，由于輸電線路的直徑約為10～50 mm，而包含Worldview-2在內(nèi)的主要商業(yè)衛(wèi)星所能提供的衛(wèi)星影像分辨率普遍在0.4～2 m之間，僅通過圖像識(shí)別難以準(zhǔn)確區(qū)分。再加之超、特高壓輸電導(dǎo)線多為分裂導(dǎo)線，上層導(dǎo)線易遮擋下層導(dǎo)線，也會(huì)給輸電線路的空間參數(shù)提取造成困難。

為克服這一問題，可通過已有數(shù)據(jù)庫獲取待測輸電線路沿線鐵塔下橫擔(dān)的空間參數(shù)，再利用弧垂計(jì)算公式，計(jì)算并得到輸電線路的空間參數(shù)信息。在xoz平面內(nèi)，通過式(9)所示的弧垂計(jì)算公式[14]計(jì)算得到輸電線路上任意點(diǎn)空間參數(shù)。

(9)

式中：σ0為導(dǎo)線的應(yīng)力；γ為架空輸電線路的比載；l為該線路檔距距離；h為導(dǎo)線兩側(cè)掛點(diǎn)的高差；Lh=0為假設(shè)懸鏈線等高時(shí)的導(dǎo)線長度；y坐標(biāo)由兩基桿塔的相對(duì)位置和導(dǎo)線掛點(diǎn)所決定。

2.2.2 樹冠空間參數(shù)獲取

在樹冠空間參數(shù)獲取方面，重點(diǎn)是要從輸電線路沿線三維模型中精確識(shí)別出樹冠的區(qū)域，并從中找到高程最高的點(diǎn)。

由遙感衛(wèi)星影像建立起來的輸電線路沿線的三維立體模型包含光譜、紋理、大小、形狀、相對(duì)位置等重要特征信息。根據(jù)輸電線路沿線可能出現(xiàn)的內(nèi)容，建立起具體如圖2所示的解譯標(biāo)志。

圖2 遙感影像的解譯標(biāo)志Fig.2 Interpretation mark of remote sensing image

在監(jiān)督分類方法中，由于最大似然法的適用條件最廣、分類錯(cuò)誤小且精度高，因此選用其進(jìn)行監(jiān)督分類。采用該方法進(jìn)行監(jiān)督分類的核心是：假設(shè)影像中每個(gè)波段中的每一類統(tǒng)計(jì)都近似正態(tài)分布，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出影像中所有像元與訓(xùn)練樣本的似然度。像元與某一訓(xùn)練樣本似然度最高，則該像元即被認(rèn)為與訓(xùn)練樣本歸屬一類。對(duì)任意像元xi，有：

(10)

式中：wi為樹冠像元；wl為樹冠像元區(qū)域；wk為第k類像元；N為影像大?。籧為類別大小。若滿足式(10)，則xi∈wi[15]。

通過上述方法，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)樹冠的識(shí)別和空間參數(shù)提取。

2.3 線樹距離測量及預(yù)警

在得到樹冠和輸電線路的空間參數(shù)信息后，即可進(jìn)行線樹距離的測量及預(yù)警。

線樹距離測量過程中，由于只重點(diǎn)關(guān)注輸電線路沿線附近的樹冠空間參數(shù)信息，因此只需要根據(jù)所獲得的鐵塔的位置、高度等信息，重點(diǎn)監(jiān)測以輸電線路為中心、左右各50 m范圍內(nèi)的樹冠區(qū)域中的最高點(diǎn)A(xA,yA,zA)的空間參數(shù)。計(jì)算點(diǎn)A與輸電線路L的最短距離s，該距離即為所需監(jiān)測輸電線路線的線樹距離。

得到線樹距離后，最后還需依照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，制定預(yù)警策略并及時(shí)通知巡線人員進(jìn)行實(shí)地勘察并處置，才能最大程度降低安全風(fēng)險(xiǎn)。表1為現(xiàn)行規(guī)范下，各電壓等級(jí)輸電線路與樹木、作物、灌木等的最小安全距離限值[16]。

表1 輸電線路與樹木安全距離Tab.1 Safety distance between transmission lines and trees

現(xiàn)行的樹障缺陷等級(jí)根據(jù)線樹距離的大小分為一般缺陷(s接近或等于D)、重大缺陷和緊急缺陷等3類，但一般缺陷發(fā)展為更為嚴(yán)重的缺陷所需的時(shí)間往往較短[17]，留給運(yùn)檢人員巡視和處理的時(shí)間窗口有限。為此，以安全距離D為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)線樹距離小于3D的桿塔區(qū)間進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，對(duì)線樹距離小于2D的桿塔區(qū)間進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，從而使運(yùn)檢人員能夠根據(jù)全面掌握線路情況，合理安排樹障清除時(shí)間。

2.4 整體流程

綜上所述，可得到如圖3所示的線樹距離測量與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程。

圖3 線樹距離測量與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程圖Fig.3 Flow chart of measurement and early warning of line-tree distance

3 線樹距離實(shí)測及結(jié)果分析

3.1 輸電線路沿線三維模型建立

在得到基于衛(wèi)星遙感影像的線樹距離測量方法后，需要進(jìn)行實(shí)測和分析，從而驗(yàn)證該方法的可行性。

本次測量區(qū)域?yàn)椤?00 kV復(fù)奉、錦蘇線路并行段，其中復(fù)奉線、錦蘇線所測量桿塔區(qū)間各128處，桿塔編號(hào)如表2所示。

表2 復(fù)奉線、錦蘇線測量區(qū)間Tab.2 Measuring area of Fufeng Line and Jinsu Line

依照?qǐng)D3所示的線樹距離測量與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程，首先獲取測量區(qū)間內(nèi)所有桿塔的位置坐標(biāo)、高程信息，并得到Worldview-2衛(wèi)星在2019年11月22日(第1期)、2020年4月13日(第2期)和10月15日(第3期)所拍攝到的±800 kV復(fù)奉、±800 kV錦蘇線沿線立體像對(duì)。通過影像預(yù)處理、內(nèi)定向、相對(duì)定向和絕對(duì)定向，得到了WGS-84坐標(biāo)系下的輸電線路沿線空間點(diǎn)云信息，并構(gòu)建出如圖4所示的三維立體模型(由于篇幅原因，僅以10月15日為例)，其中高程零點(diǎn)為WGS-84坐標(biāo)系中的橢球表面。

圖4 輸電線路沿線三維模型Fig.4 Three-dimensional model along the transmission line

結(jié)合±800 kV復(fù)奉、錦蘇線桿塔的坐標(biāo)信息，并利用架空輸電線路的懸鏈線進(jìn)行計(jì)算，得到了輸電線路的空間參數(shù)信息。再利用監(jiān)督分類法中的最大似然法，結(jié)合解譯標(biāo)志，識(shí)別并得到輸電線路沿線樹木的樹冠區(qū)域及樹冠最高點(diǎn)的空間參數(shù)信息。

3.2 線樹距離測量

在得到樹冠和導(dǎo)線的空間參數(shù)信息后，依次計(jì)算得到±800 kV復(fù)奉、錦蘇線在3期測量中各桿塔區(qū)間的線樹距離。在3期測量結(jié)果中，共發(fā)現(xiàn)20處桿塔區(qū)間內(nèi)的線樹距離小于3D(復(fù)奉線7處、錦蘇線13處)，其中15處線樹距離小于2D，需要重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注。提取線樹距離小于3D的20處區(qū)間，得到如表3、圖5所示的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)間線樹距離變化情況。

表3 重點(diǎn)關(guān)注區(qū)間的桿塔區(qū)間線樹距離Tab.3 Line tree distance between poles and towersm

通過3期的測量結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，20處重點(diǎn)關(guān)注區(qū)間內(nèi)的線樹距離隨著時(shí)間的推移而逐漸縮短，縮短區(qū)間為0.20～1.63 m，平均縮短0.99 m。而在±800 kV復(fù)奉、錦蘇線測量區(qū)間內(nèi)，線路下方主要生長亞熱帶樹種，多年生樹木的年生長變化趨勢[17]與上述測量結(jié)果較吻合較好，證明了測量結(jié)果的有效性。

同時(shí)在測量過程中發(fā)現(xiàn)，±800 kV復(fù)奉線的1509-1510、1532-1533桿塔區(qū)間內(nèi)線樹距離已十分趨近輸電線路與樹木安全距離的限值要求，需要及時(shí)進(jìn)行排查處置。

3.3 測量結(jié)果對(duì)比

為掌握線樹距離測量的精度并處置潛在隱患，2020年10月16日至20日，國網(wǎng)湖南省電力公司輸電檢修分公司輸電運(yùn)檢三分部使用六旋翼無人機(jī)搭載Pandar40P激光雷達(dá)，對(duì)上述20處重點(diǎn)關(guān)注區(qū)間進(jìn)行了實(shí)地激光點(diǎn)云復(fù)測，得到了各區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)云信息并計(jì)算出了線樹距離。測量平臺(tái)和實(shí)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)測結(jié)果Fig.6 Measurement results

將實(shí)地激光點(diǎn)云復(fù)測結(jié)果與第3期衛(wèi)星遙感影像測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4、圖7所示。

圖7 測量結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison results of measurement

表4 結(jié)果分析Tab.4 Result analysis

從對(duì)比結(jié)果中可以看出，與實(shí)地激光點(diǎn)云復(fù)測結(jié)果相比，衛(wèi)星遙感影像得到的樹冠高程誤差平均為5.26%，最大誤差為10.69%，測量偏差最大為1.72 m。因此，基于衛(wèi)星遙感影像所還原的輸電線路沿線三維模型整體精度較高。

在第3期測量中，20個(gè)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)間內(nèi)的線樹距離最小值為11.07 m，最大值為27.93 m。與激光點(diǎn)云實(shí)地觀測值對(duì)比分析，測量誤差平均為6.09%，最大誤差為15.80%，測量偏差最大為2.42 m，滿足工程實(shí)際要求。其中，±800 kV復(fù)奉線1509-1510、1532-1533桿塔區(qū)間的線樹距離點(diǎn)云復(fù)測結(jié)果分別為10.317 m、10.540 m，線樹距離已無法滿足安全距離限值的要求，故進(jìn)行了現(xiàn)場處置。

3.4 誤差分析

通過對(duì)本文方法的分析，線樹距離測量誤差的來源主要有2個(gè)方面：1)樹冠空間參數(shù)的測量誤差；2)導(dǎo)線空間參數(shù)信息的計(jì)算誤差。

在樹冠空間參數(shù)測量中，造成誤差的原因有：1)三維模型還原過程中的系統(tǒng)誤差；2)樹冠識(shí)別誤差。在三維模型還原過程時(shí)，進(jìn)行了內(nèi)方位元素恢復(fù)、相對(duì)定向和絕對(duì)定向3個(gè)步驟。相關(guān)參數(shù)的測量、同名點(diǎn)的選取誤差都會(huì)使得最終得到的三維模型與實(shí)際產(chǎn)生誤差。并且，以鐵塔作為控制點(diǎn)時(shí)，雖然鐵塔坐標(biāo)參數(shù)準(zhǔn)確，但鐵塔范圍較大，難以精確選點(diǎn)，也會(huì)造成三維模型還原過程中的誤差，從而影響樹冠坐標(biāo)的準(zhǔn)確性；在樹冠識(shí)別時(shí)，監(jiān)督分類法能夠較好地識(shí)別樹冠信息，樹冠的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99.76%，整體識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)96.08%，整體效果如圖8所示。但受到三維模型精度和復(fù)雜背景的影像，算法對(duì)零星的樹冠識(shí)別準(zhǔn)確率還不夠高；此外，樹冠高度易受到環(huán)境和風(fēng)的影響而發(fā)生波動(dòng)，少部分樹冠還易受到桿塔等物體的遮擋，這也是造成樹冠空間參數(shù)測量誤差的重要來源。

圖8 監(jiān)督分類方法效果Fig.8 Effect of supervised classification method

而在導(dǎo)線空間參數(shù)信息計(jì)算中，由于數(shù)據(jù)庫內(nèi)的鐵塔空間參數(shù)經(jīng)過了多次校正，因此在采用弧垂計(jì)算公式計(jì)算導(dǎo)線空間參數(shù)時(shí)，輸電導(dǎo)線在鐵塔上的掛點(diǎn)信息可視為準(zhǔn)確，誤差主要集中在弧垂計(jì)算上。由弧垂計(jì)算公式(9)可以看出，影響弧垂大小的參量主要為：1)導(dǎo)線的應(yīng)力σ；2)導(dǎo)線的比載γ。對(duì)應(yīng)力σ而言，影響其變化的主要因素為導(dǎo)線運(yùn)行溫度，溫度越高導(dǎo)線弧垂越大，線樹距離也就越小。實(shí)際導(dǎo)線運(yùn)行溫度受到載流量變化的影響而在某一范圍內(nèi)波動(dòng)[18]，但采用弧垂計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)無法準(zhǔn)確得知導(dǎo)線的運(yùn)行溫度，故而造成計(jì)算結(jié)果的誤差；對(duì)比載γ而言，在不考慮覆冰影響的情況下，能夠使其發(fā)生顯著變化的主要是風(fēng)。由于在導(dǎo)線空間參數(shù)信息計(jì)算時(shí)按照氣象區(qū)條件考慮了風(fēng)速，而采用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)地激光點(diǎn)云復(fù)測時(shí)多要求無風(fēng)或微風(fēng)環(huán)境，條件的差異從而產(chǎn)生了計(jì)算誤差。

3.5 小結(jié)

通過測量結(jié)果對(duì)比與誤差分析，本文所提出方法的測量精度符合工程預(yù)期，且該方法無需攜帶任何巡檢設(shè)備對(duì)輸電線路沿線進(jìn)行實(shí)地測量，能夠滿足對(duì)樹障距離常態(tài)化、無風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性測量的要求，并能精準(zhǔn)分析和定位重點(diǎn)關(guān)注區(qū)間，可為運(yùn)檢人員提供充足的復(fù)測確認(rèn)及樹障風(fēng)險(xiǎn)處置時(shí)間。

同時(shí)，依托本文方法搭建出了樹障預(yù)警平臺(tái)，運(yùn)檢人員結(jié)合平臺(tái)提供的預(yù)警信息，合理安排樹障復(fù)檢及處置時(shí)間，可做到發(fā)現(xiàn)一處樹障隱患處置一處樹障隱患，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線樹距離小于閾值的桿塔區(qū)的持續(xù)測量和及時(shí)預(yù)警，有利保障了輸電線路的安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文采用衛(wèi)星遙感影像，基于攝影測量原理，從立體像對(duì)中匹配出空間點(diǎn)云信息并構(gòu)建了三維立體模型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合樹冠識(shí)別和輸電線路空間參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了線樹距離的測量。

通過與實(shí)地激光點(diǎn)云復(fù)測結(jié)果的對(duì)比，采用衛(wèi)星遙感影像所構(gòu)建的輸電線路通道三維模型(樹冠)的高程誤差最大10.69%，平均5.26%；線樹距離的測量誤差最大15.80%，平均為6.09%。

配合重點(diǎn)關(guān)注區(qū)間(3D)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警區(qū)間(2D)的預(yù)警策略和預(yù)警平臺(tái)的搭建，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路線樹距離的常態(tài)化、大范圍、高精度、無風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性測量和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，有力保障了輸電線路的安全可靠運(yùn)行。