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机载LiDAR树木检测在电力巡线中的应用研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 研究背景与意义

1.1.2 研究工作来源

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 论文总体技术路线

1.4 论文组织结构

第2章 相关理论研究

2.1 LiDAR系统组成与工作原理

2.2 激光测距技术

2.2.1 脉冲法激光测距

2.2.2 相位法激光测距

2.2.3 相关影响因子比较

2.3 惯性导航技术

2.3.1 惯性导航基本原理

2.3.2 常用的导航坐标系

2.3.3 常用坐标系关系转换

2.4 全球定位技术

2.4.1 GPS系统组成

2.4.2 GPS信号结构

2.4.3 GPS定位模式

2.4.4 GPS精度改善

2.5 机载LiDAR技术

2.5.1 雷达方程

2.5.2 波形信号

2.5.3 高斯散射体

2.6 本章总结

第3章 机载LiDAR数据组织及滤波分类

3.1 研究区概况和实验数据

3.1.1 研究区概况

3.1.2 实验数据获取

3.1.3 实验数据处理

3.2 LiDAR空间数据组织

3.2.1 离散点的K近邻查询

3.2.2 层次包围盒与八叉树查询

3.2.3 格网分块查询

3.2.4 实验效率分析

3.3 LiDAR数据滤波分类

3.3.1 基于形态学的滤波方法

3.3.2 迭代线性最小二乘内插法

3.3.3 地表不规则三角网法

3.3.4 移动曲面拟合内插DTM生成

3.4 本章总结

第4章 基于点云几何分布特征树木提取

4.1 点云空间分布特征

4.1.1 点云树木空间特征

4.1.2 点云建筑物空间特征

4.2 点云树木提取

4.2.1 规则格网区域增长

4.2.2 拉普拉斯算子

4.2.3 实验结果分析

4.3 树障危险预警点检测

4.3.1 架空输电线路安全距离分析

4.3.2 实时工况安全距离检测

4.3.3 树障检测结果分析

4.4 本章总结

第5章 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 进一步研究

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果和科研工作

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摘要

机载LiDAR测量技术是一种新兴的对地探测和定位模式,正广泛应用于铁路勘察设计、城市建模、森林资源管理、测绘等领域,尤其是数字化电力巡线中,引起了电网运营单位高度重视。数字化电网工程中,输电线路横跨区域较广,所处地形复杂,且导线长期暴露在野外,受到外界因素影响,会产生磨损、腐蚀等现象。因此,必须及时进行电力线路检测。传统巡线方法主要是人力,工作量大而且条件艰苦,尤其是山区和跨越江河的输电线路巡查,花费时间多、人力财力成本高、困难重重。而机载LiDAR技术以自身特点,很好地解决了这些难题,它通过获取电力线路走廊环境的三维可视化地理信息,可快速提取导线下方与地物点的距离,快速清查安全隐患点。在此背景下,本文基于机载LiDAR技术对梅州市平原县焦富甲乙线路进行树木隐患检测,结合激光脚点几何分布特征,以规则格网区域增长法为基础,应用冠层高度模型CHM与拉普拉斯算子研究树木提取,实现树障在架空输电线路中安全性分析,相关研究内容如下:
  1.通过阅读国内外近几年相关文献,深入研究机载LiDAR技术对地定位原理,深入掌握各传感器系统的实现机制,为集成系统提供了一定基础;结合实际经验,在惯性导航的数学基础和基本原理上推导出五种常用导航坐标系;总结出机载LiDAR数据采集预处理完整技术路线,为获取高精度点云数据质量做了准备。
  2.基于LiDAR点云数据无序不规则特性,实现点云数据高效组织管理。本文简要介绍了离散点K近邻查询层次包围盒与八叉树查询,采用格网分块K近邻查询对点云数据进行组织,极大的提高了数据处理效率,为后续点云滤波分类做了准备。
  3.基于点云空间分布模式对地物点的几何特征进行分析。树木和建筑物激光脚点在垂直方向和水平方向具有异同点,在DSM、DTM基础上利用区域连续性与非连续性或属性一致性,从提取的地物点中通过面积阂值大范围分离树木区和建筑物区,设置一定高程阈值,对树木区进行梯度分割求取拉普拉斯算子,再叠加规则化数字表面模型拉普拉斯算子得到树木,借助冠层高度模型,从而得到高等植被。
  4.基于提取的高等树木进行输电线路树障危险点预警研究分析。以架空输电线路运行规程提供的标准为参考依据,实现导线下方与地物点水平距离和垂直距离检测,判别危险点的实际位置信息。

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