一种山地集电线路塔基与地形一体化勘测复核系统及方法与流程

本发明属于电力工程勘测与数字化施工，具体涉及一种基于无人机多传感器集成的山地集电线路塔基精确定位、线路路径复核、地形三维扫描、道路通行参数采集及超高物体识别的一体化勘测复核系统及方法。

背景技术：

1、山地集电线路工程的塔基定位与施工前勘测是影响工程质量、成本和进度的关键环节。传统作业方式通常分为三步：首先由测量人员使用rtk设备逐点放样塔基中心桩和塔腿桩，然后对每个塔基周围地形进行人工测绘，最后对运输道路进行踏勘评估。这种方式存在以下缺陷：

2、（1）效率低、劳动强度大。山地地形复杂，测量人员徒步到达每个塔基点十分困难，单点放样耗时长达1～2小时，且需要多次往返。

3、（2）信息割裂。点位放样、地形测量、道路踏勘分属不同工序，数据无法关联分析，难以形成统一的勘测成果。

4、（3）缺乏整体比对。设计图纸数据与实际地形之间的偏差无法被系统识别，往往直到铁塔组立时才发现基础露高或长短腿接腿不满足需要调整，造成返工和工期延误。

5、（4）道路评估主观性强。运输道路的可通行性依赖人工经验判断，缺乏宽度、坡度、转弯半径等量化数据支持。

6、（5）沿线隐患难以发现。传统勘测不系统记录可能忽视不符合导线安全距离的超高树木、山体等障碍物，导致后期架线时才发现净空不足，不得不二次处理。

7、近年来，已有尝试将无人机用于电力塔杆放样或塔基坐标复核。然而，这些现有技术的核心功能均为将设计坐标“正向”映射到实地，仅复核单个点的坐标偏差，不涉及塔基周围地形的三维建模，更未考虑道路通行条件的数字化采集、超高物体识别以及与设计图纸的闭环比对（基础露高、长短腿接腿和铁塔高程）。因此，急需一种能够一体化完成塔基定位、线路复核、地形扫描、道路评估、超高物体识别、设计图纸的闭环比对（基础露高、长短腿接腿和铁塔高程）并自动生成勘测报告的系统及方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供一种山地集电线路塔基与地形一体化勘测复核系统及方法，旨在解决现有技术中塔基定位与地形勘测分离、设计-实际偏差无法自动识别、道路通行能力缺乏量化评估、沿线超高物体信息缺失等问题，实现山地集电线路施工前勘测的高精度、一体化、自动化和报告化。

2、本发明提供的技术方案：一种山地集电线路塔基与地形一体化勘测复核系统，包括：

3、定位导航模块：搭载于无人机平台，采用rtk定位单元确定无人机的实时三维坐标，并根据设计塔基坐标数据自动生成覆盖塔基点复核、线路路径复核、塔基周围地形扫描及施工运输道路采集的一体化飞行航线；

4、多源数据采集模块：搭载于无人机平台，至少包括rtk定位系统、三维激光雷达、可见光摄像机及毫米波雷达；用于按照所述定位导航模块生成的航线自主飞行，采集多维度空间数据；

5、精度校正模块：用于对rtk定位、三维激光雷达、可见光摄像机及毫米波雷达进行单传感器精度标定与多传感器联合标定，消除各传感器的系统性误差，并确定传感器之间的空间坐标转换关系；

6、数据处理模块：用于将设计提供的塔基坐标数据与定位导航模块的坐标系进行转换匹配，根据设计图纸提供的中心桩坐标自动计算塔腿中心坐标，并对多源数据采集模块采集到的数据进行异常值剔除,塔基数据与设计图纸数据比对输出量化评估指标，点云数据分析塔基是否满足施工条件和是否存在潜在滑坡区；

7、报告生成模块：用于根据数据处理模块输出的量化评估指标，自动生成包含塔基坐标偏差表、地形适合性评价图、塔腿调整建议、道路情况统计表及超高物体处置清单的综合勘测报告。

8、进一步的，所述多维度空间数据包括：塔基中心桩与塔腿的实际坐标、塔基周围地形三维点云、施工运输道路的宽度/坡度/转弯半径参数、以及沿线可能影响净空距离的超高物体的三维坐标与范围。

9、进一步的，所述定位导航模块包括航线生成单元，根据转换后的塔基坐标和预设参数自动生成线路路径航线、地形扫描航线以及道路带状航线，输出航线文件。

10、进一步的，所述多源数据采集模块包括：

11、rtk数据记录单元：在每个塔基悬停点自动记录塔基中心桩、塔腿中心坐标的rtk实际坐标；

12、三维激光雷达采集单元：控制激光雷达按航线扫描，获取塔基周围及道路的原始点云，同时实时识别高于地面阈值且位于线路两侧的点云簇，提取超高树木、滑坡体、山体的最高点坐标、范围；

13、可见光采集单元：在塔基悬停点及道路关键位置触发摄像机拍摄高清照片，存储并关联位置标签；

14、毫米波雷达采集单元：持续采集雷达回波，解算物体、塔基中心桩和塔腿中心点与无人机的距离、方位角，记录动态数据信息并低能见度条件下辅助避障；

15、时间同步单元：统一各传感器的时间基准，输出带时间戳的多源数据流。

16、进一步的，所述精度校正模块包括单传感器标定单元、联合标定单元、标定参数管理单元：

17、单传感器标定单元，对rtk定位系统、三维激光雷达、可见光摄像机及毫米波雷达单独进行标定；

18、联合标定单元，利用共视目标解算激光雷达到摄像机、激光雷达到毫米波雷达的外参，实现所有传感器空间对齐；

19、标定参数管理单元，将各标定结果统一存储为参数文件，供其他模块调用。

20、进一步的，所述数据处理模块包括：

21、数据转换单元：读取设计塔基坐标，并转换为rtk定位系统使用的wgs84坐标，并根据设计图纸提供的中心桩坐标自动计算塔腿中心坐标；

22、异常剔除单元：动态识别并剔除rtk坐标、点云强度数据中的异常值；

23、量化单元：基于采集的数据计算塔基中心桩平面偏差和高程偏差、塔腿中心高程偏差、塔基坡度、道路最小转弯半径/最大纵坡、超高物体坐标及净空距离，分析塔腿中心高程偏差是否满足铁塔组立要求、线路跨越情况；

24、地形分析单元：依据点云数据生成塔基地形图，分析塔基是否满足施工条件和是否存在潜在滑坡区。

25、进一步的，所述报告生成模块包括：

26、模板管理单元：内置多种报告模板，支持自定义工程信息数据；

27、图形生成单元：从点云生成地形坡度分级图、隐患点标注图，从照片中选取关键图像，并生成偏差柱状图；

28、报告组装单元：将表格、图片、照片按模板章节顺序自动填充至报告框架；

29、导出单元，支持一键导出pdf文件，并附带csv格式详细数据表或kml格式点位文件作为附件。

30、本发明提供的另一技术方案：一种山地集电线路塔基与地形一体化勘测复核方法，基于上述的系统实现，包括如下步骤：

31、s1：将设计塔基坐标与无人机导航rtk定位系统坐标系精确匹配；

32、s2：对搭载的定位导航模块、三维激光雷达、毫米波雷达及可见光摄像机进行精度标定；

33、s3：无人机自动生成覆盖塔基点复核、线路路径复核、地形扫描及道路采集的一体化航线；

34、s4：沿航线采集塔基实际坐标、塔基周围地形点云、道路参数及沿线超高物体的三维坐标；

35、s5：对采集数据进行预处理后，剔除异常数据，依据点云数据生成塔基地形图，计算塔基中心桩平面偏差和高程偏差、塔腿高差、塔基坡度、道路最小转弯半径和最大纵坡、超高物体坐标及净空距离，并对指标进行标准化处理；

36、s6：根据实测数据输出量化评估指标并自动生成报告。

37、进一步的，所述步骤s5中

38、塔基中心桩平面偏差： ，

39、式中：(xi，yi)为无人机rtk实测的第i个塔基中心桩平面坐标，(x0，y0)为设计图纸给定的塔基中心桩平面坐标；

40、塔基中心桩高程偏差： ，

41、式中：hi为无人机rtk实测的第i个塔基中心桩高程，h0为设计图纸给定的塔基中心桩高程。

42、塔腿落位高差： ，

43、式中：hti为无人机rtk实测的第i个塔基第t条腿的地面高程，ht0为设计给出的地面高程；

44、基于塔基范围内的地面点云，在点云上建立局部高程函数z = f(x，y)，计算各点处的坡度值： ，

45、smax=max(s1，s2，...，sk)，

46、式中：sk为塔基范围内第k个点云处的坡度值，和分别为高程在x和y方向的偏导数，smax为塔基范围内的最大坡度；

47、沿道路中心线点云，通过三次样条曲线拟合得到道路中心线的参数方程，计算各点处的曲率半径：

48、 ，

49、rmin=min(ρ1,ρ2,…,ρj)

50、式中：为道路中心线上第j点的曲率半径，和分别为该点的一阶导数和二阶导数，rmin为道路全程的最小转弯半径；

51、沿道路中心线按一定间距提取采样点，逐段计算纵向坡度：

52、 ，

53、imax=max(i1，i2，…，in) ，

54、式中：为第n段的纵向坡度，和分别为第n+1和第n个采样点的高程，为两采样点间的水平距离，imax为道路全程的最大纵向坡度；

55、超高物体密度： ，

56、式中：为线路两侧设定范围内高于地面设定阈值且可能侵入导线安全距离的点云簇的数量，为集电线路的总长度，为单位里程超高物体密度；

57、对于任意一基铁塔的相邻档距，导线在档距内任意位置的空间高程为： ，

58、式中：为无人机rtk实测的第i个塔基中心桩高程；为设计给定的铁塔悬挂点高度；为设计档距；为设计弧垂表中的最大弧垂；η为风偏角，根据电压等级和基本风速确定，cosη为风偏对垂直弧垂的修正系数；为档距两端铁塔悬挂点的高差角，，为高差修正项。

59、距左端铁塔x米的超高物体净空距离：，

60、式中：为无人机确定的超高物体点云簇中所有点的高程值。

61、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

62、（1）一体化作业。将塔基定位、地形扫描、道路评估、超高物体识别合并为一次无人机飞行，替代传统多工序、多人次的作业模式。

63、（2）高精度保证。通过精度校正模块对rtk、激光雷达、摄像机、毫米波雷达进行严格标定和联合标定，确保数据在统一坐标系下精度达到设计要求。

64、（3）仿地飞行适应山地地形。仿地飞行功能使无人机与地面保持恒定高度，保证点云密度均匀、图像分辨率一致，避免了固定海拔飞行的碰撞风险和采集质量不均问题。

65、（4）全天候避障。毫米波雷达与无人机自带视觉避障融合，在雨雾、灰尘、低光照条件下仍能可靠探测障碍物，保障飞行安全。

66、（5）量化评估与报告输出。自动生成包含偏差表、评价图、调整建议和处置清单的综合勘测报告，可直接用于施工指导，形成“勘测→分析→报告”的闭环。