文 献 综 述

1.引言

随着我国电网的飞速发展，输电线路的科学化、高效化运营与管理，愈来愈成为一项极具挑战性的工作^[1]。与常规的电力巡检方式相比，直升机巡检可以高效地代替人工巡检，及时发现线路缺陷，消除隐患，在确保高质量安全供电方面具有重大的经济效益和社会效益，直升机巡检日益成为电力系统的迫切需求^[2]。本课题题目为直升机激光雷达电力巡检数据库建库技术研究。研究关于电力输电线路运营信息管理系统所涉及直升机激光雷达电力巡检数据数据库的建库问题，采用合理的数据库方法，建立相应的数据库结构。通过数据的输入、运营、调试、测试验证所采用的建库方法的合理性、科学性。

2.研究背景与现状

众所周知，电力系统是网络庞大、资本和技术密集型的行业。随着社会的进步，电力行业也在飞速的发展，目前我国基本进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代^[3]。电力系统与当今社会息息相关，一旦发生事故会造成极大的损失。整个电力系统由发电、输电、配电、用电及相应的辅助设备构成，每一部分都十分重要，特别是输电系统，一旦发生故障，直接影响配电和用电系统，进而对整个电力系统造成影响^[4]。而输电系统常年处于野外，由于恶劣的自然气候和人为原因，很容易出现故障。处于对维护电力系统的目的，电力部门会制定计划开展电力巡检工作。巡检工作是电力系统正常运行及安全供电的保证^[5]。然而，有些线路如超高压线路多铺设于城镇之外及一些偏远的地区，远离交通干线，在荒山野岭、深沟峡谷中出入，对巡检员工的工作生活造成不便甚至威胁到生命的安全。相比之下，直升机巡检可代替人工巡检巡查高山大川等人迹难至的路线。

直升机是依发动机驱动旋翼产生升力和纵、横向拉力及操纵力矩,能垂直起落的航空器^[6]。由于具有垂直起降的能力，不需要专用的机场跑道，能长时间在空中悬停和在任意方向飞行，使得它在民用和军用的领域起的广泛的引用^[7]。激光雷达的发射信号为激光。具有很高的空间、时间分辨能力和高探测灵敏度，能分辨被测物种和不存在探测盲区等优点，被广泛的应用于大气、海洋、陆地和其他目标的遥感探测中^[8]。在我国的直升机巡检研究中，多采用红外线摄影机、数码摄影机、高分辨率望远镜，可见光录像机等设备对途径的路线进行观测。华中电网公司借助遥感成像技术获取多角度图像，可计算出线路杆塔的经纬度数据和高压线路与线下树障的距离。在国外，激光雷达系统已在电网维护中得到了广泛的应用。德国GAH公司在将激光雷达引用到电网的设计维护过程中，已经形成了一整套成熟的作业流程^[11]。

自然界中的信息千差万别，来源、种类、数量和用途也是千变万化的^[9]。有些原始信息可以直接被利用，但有些则需要被进一步的加工和处理。随着人类社会和计算机技术的不断发展，尤其是进入信息化社会后，数据处理方面的研究变得越来越重要。数据库就是存放数据的仓库，将数据按照一定的格式存放，是长期存储在计算机内有组织的大量共享的记录集合。这些数据为多个应用服务，独立于具体的应用程序。数据库由数据库管理系统统一管理，数据的插入、修改和检索均要通过数据库管理系统进行^[10]。

3.直升机激光雷达电力巡检数据库建库关键技术

3.1 机载激光雷达系统数据分类

机载激光雷达系统提供的数据,根据数据本身表达内容的不同,分为距离图像数据和回波强度图像数据。距离图像数据记录的是激光扫描仪中心至地面点的距离信息,而回波强度图像数据记录的是从激光扫描仪发射的激光脉冲经过地面点的反射或散射后所返回的激光脉冲信号的强度。根据激光扫描仪所发射的激光脉冲信号经地面点反射或散射后返回激光扫描仪的回波信号的数量,激光雷达数据分为单回波数据、双回波数据和多回波数据^[14]。

为了便于对机载激光雷达数据进行处理,一些最新的机载激光雷达系统集成了高分辨率航空数码相机,这样就可以结合航空数码影像或者多光谱图像来对距离图像数据和回波强度图像数据进行联合处理,这些机载激光雷达数据同时包含了航空数码影像数据或者多光谱图像数据等^[15]。

3.2 数据分层

数据分层是逻辑模型将数据分类形象化后的结果。数据模型对杂乱的空间数据进行了有机、有序的组织，对实体的类别进行了区分，有助于对空间对象进行清晰的理解和合理化表达，有助于对空间数据的有效管理^[12]。运用激光扫描技术沿着物体的表面连续扫描，将采集到的数据存入计算机形成”点云”数据文件，对其进行分层处理。

（1） 栅格法分层

传统的自由曲面分层以栅格为基元对数据点进行片层化。在三维直角坐标系中，将点云投影到某个坐标平面上，比如投影到Y0Z坐标平面，沿Y轴将坐标平面平行划分为一系列等距的栅格。可以根据不同的精度要求决定不同的间距。在每个栅格带内点云相对集中的区域形成点簇。然后对其进行归组划分^[13]。

该方法是将一定阈值范围内的点归为一个层面，在对精度要求不高的情况下，实现较为简单方便。

（2） 沿扫描轨迹分层

由于栅格法分层时，扫描时并非严格按照正交坐标系扫描，而是与坐标轴成某角度，因此在寻找垂直于坐标轴的平面上的点时，指定的数据范围较小，使得相差很小的数据点被归于一个层面，造成分层精度不稳定。观察数据点的X坐标，在X坐标一阶导数符号不变的区间内，Z坐标值的一阶导数由正变负，在该区间内Z坐标存在最大值。在X坐标值陡然变化的地方将数据点分离。基于此方法，可以按照扫描线将数据点分离并去除明显不符合扫描规律的杂点^[13]。

3.3 数据入库

数据入库包括两种方式：手动模式和自动模式。手动模式是在客户端或浏览器界面中手工选择需要入库的文件，然后主动上传入库；自动模式是对于大批量的数据根据数据附带的文件或信息实现海量数据的自动入库。数据库入库包括:一是数据属性进入数据库表中进行存储，二是数据本身以文件的形式进入服务器文件系统，但通过一定的规则与数据库中存储的数据属性进行关联^[16]。

3.4 数据存储

直升机激光雷达巡检的过程中会产生海量的数据，比较当今存储策略，分级存储是较有影响力的解决方案，在不降低效率的同时，降低存储成本，极具性价比。分级存储的理论依据是数据的价值随着时间的推移而变化。采用分级存储技术，将价值高的数据保存在等级高、性能好的存储资源上，以保证高性能和可靠性，通常这部分数据在所有存储量中所占比例较小，但所要求的访问实时性高。对于应用不频繁的数据可以存储在相对廉价的存储资源上^[17]。

3.5 数据管理

目前海量数据在管理、查询等方面需要满足分布性、共享性、协同性、动态性、安全性等要求。由需求可看出，分布式管理技术已成为趋势。分布式管理技术主要有Sun Microsystems公司开发的Network File System（NFS）系统、Carnegie Mellon University 和IBM共同开发的Andrew File System（AFS）系统和San Diego超级计算机中心开发的Storage Resource Broker（SRB）系统^[18]。

3.6 数据查询

对于点云数据将数据点及索引结点MBR统一表示为四维点对象,建立散乱点云的空间索引结构,查询采样点所在叶结点,依据该结点MBR构造并动态扩展空心球,获取空心球内数据点,实现散乱点云近邻点的快速获取。该算法可查询各种复杂型面散乱点云的近邻点,在准确、可靠的基础上,可有效地提高散乱点云局部型面参考数据的查询效率^[19]。

4.结束语

激光雷达系统利用激光脉冲来获得被检测对象的相关信息,同时它还集成了数字量测相机,可以生产数字正射影像,满足测图量测的要求。另外一方面,它能同时记录多个激光回波信号时,通过对不同回波所收集到的信息进行提取和处理。以直升机作为检测平台，将激光雷达系统所获得的信息进行建库并加以研究，为直升机激光雷达电力巡检系统的建立奠定基础。直升机激光雷达系统可代替电力巡检工作人员前往地形环境恶劣或人迹难至的区域进行巡检，极大提高工作效率，改善一线工作人员的工作环境。在我国电网的建设和发展跨入新时代的将来，必将是是今后巡检工作研究的重要目标和发展方向。

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