CN102955160A

CN102955160A - 基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法

Info

Publication number: CN102955160A
Application number: CN2011102388408A
Authority: CN
Inventors: 阮羚; 姚尧; 周平
Original assignee: WUHAN KEXIER INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Current assignee: WUHAN KEXIER INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd; State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-03-06

Abstract

一种基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法，包括：通过飞行器携带三维激光雷达测量系统，对输电线路走廊沿线杆塔进行扫描，获取包括实施差异化防雷指定输电线路杆塔段的原始激光数据和GPS\IMU数据；对获得的所述原始激光数据和GPS\IMU数据进行联合精细预处理，生成大地定向后的原始激光点云数据；对生成的原始激光点云数据进行精细分类，生成包括地表层、植被层、线路层和杆塔层的LAS格式激光点云数据；运用雷电专业线塔参数分析软件，输入获得的LAS格式激光点云数据，分析输出精确到逐级杆塔的地形地貌参数、线路参数、杆塔参数。本发明可以为输电线路防雷差异化分析研究和评估防雷措施的有效性提供准确的基础数据支持。

Description

基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法

技术领域

本发明涉及输电线路雷电防治应用领域，具体是一种基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法。

背景技术

现有研究表明，不同时间段、不同地域，由于雷电活动特征存在较大差异，雷击对输电线路造成的冲击也是不同的。如何有效地评估输电线路的防雷性能已受到电网运行人员的高度重视，为了提高应用研究水平，为差异化防雷方案的制定提供可靠数据，必须校核已有线路地理参数，摸清沿线地形、地貌特征等。

但是，鄂西三峡地区地表条件复杂、气候多变，高山峡谷众多，切割地形严重，为输电线路雷电防护带来很大困难。由于地形复杂、陡峭，难以逐级杆塔进行经纬度测量，而且使用现有技术对逐级杆塔进行经纬度测量的数据资料也不准确，作为研究对象的最基础线路杆塔本体资料不准确，直接会误导整个线路走廊雷电防治方案的有效性和防治措施的技术经济性。

因此，三峡地区输电线路雷电机理和防治措施研究时，非常紧迫地需要开展此项研究工作，以获取更精确的输电线路全线逐级杆塔的塔形、结构，典型输电线路的地理坐标、高度、密度及地形地貌参数，用于三峡地区雷击风险统计和进行仿真输电线路雷击风险评估。

发明内容

本发明提供一种基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法，可以借助三维激光雷达技术在复杂地区获取地形精确的输电线路参数，为输电线路防雷差异化分析研究和评估防雷措施的有效性提供准确的基础数据支持。

一种基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法，包括

步骤10：通过飞行器携带三维激光雷达测量系统，对输电线路走廊沿线杆塔进行扫描，获取包括实施差异化防雷指定输电线路杆塔段的原始激光数据和GPS\IMU数据；

步骤20：对步骤10获得的所述原始激光数据和GPS\IMU数据进行联合精细预处理，生成大地定向后的原始激光点云数据；

步骤30：对生成的原始激光点云数据进行精细分类，生成包括地表层、植被层、线路层和杆塔层的LAS格式激光点云数据；

步骤40：运用雷电专业线塔参数分析软件，输入步骤30获得的LAS格式激光点云数据，分析输出精确到逐级杆塔的地形地貌参数、线路参数、杆塔参数。

本发明采用三维激光雷达技术对选定研究线路进行扫描、内业数据精细处理分析的方式，得出试点线路精确分析输出到逐级杆塔的地形地貌参数、线路参数、杆塔参数，为输电线路防雷差异化分析研究和评估防雷措施的有效性提供准确的基础数据支持。

附图说明

图1是本发明基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法的流程图；

图2是本发明在杆塔横截面左右各100m内，每隔25m取一个相对杆塔的地表层激光点计算地面倾角θi的示意图；

图3为地面倾角θ符号的定义示意图；

图4是杆塔左右各50m处获得的地面倾角θ(θ3、θ6)来定义地貌的示意图；

图5是单回杆塔中各个杆塔参数的示意图；

图6是同塔双回杆塔中各个杆塔参数的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法的结构示意图，所述方法包括如下步骤：

步骤10：通过飞行器携带三维激光雷达测量系统，对输电线路走廊沿线杆塔进行扫描，获取包括实施差异化防雷指定输电线路杆塔段的原始激光数据和GPS\IMU(即位置姿态)数据。

所述三维激光雷达测量系统包括激光扫描仪、GPS定位系统和惯性测量装置(inertial measurement unit，IMU)，所述激光扫描仪用于测定激光雷达信号发射参考点到地面激光脚点的距离，获得所述包括差异化防雷指定线路杆塔段的原始激光数据；所述GPS定位系统和惯性测量装置用于测量激光扫描仪在运动过程中的经纬度空间位置信息和PHR(俯角、仰角和横滚角)三个瞬时姿态角，获取包括差异化防雷指定输电线路杆塔段的GPS\IMU数据。

步骤20：对步骤10获得的所述原始激光数据和GPS\IMU数据进行联合精细预处理，生成大地定向后的原始激光点云数据。

具体的，可利用三维激光雷达测量系统自带软件，对步骤10获得的所述GPS\IMU数据进行联合差分解算，获得激光扫描仪每个扫描时刻的空间位置和姿态数据；然后，利用三维激光雷达测量系统自带软件，对步骤10获得的所述原始激光数据自动进行空间位置和姿态数据的赋值运算，生成大地定向后的原始激光点云数据。

步骤30：对生成的原始激光点云数据进行精细分类，生成包括地表层、植被层、线路层和杆塔层的LAS格式激光点云数据。

因为获取的原始激光点云数据包含所有的激光测量点，包括地面和非地面的，要得到雷电线塔参数数据，则首先需要把激光点云分类分层出来。

在进行分类前，先对激光数据进行去噪处理，剔除错误点、高程异常点，如特别高的点(空中飞行中的鸟或杂质)。

因坡度、植被、纹理及不同回波强度信息，使用激光分类专业软件(Terrasolid或SLC或LPV等)进行分类处理，将激光点按下步计算所需要的地表层、植被层、线路层和杆塔层进行精细分类分层。

LAS格式是机载激光雷达测量系统(LIDAR)的标准数据格式，其由美国摄影测量与遥感(ASPRS)机构下的LIDAR委员会于2003年发布，经过改进目前已有四种版本，分别是LAS1.0、1.1、1.2、2.0(拟定版)。LAS标准格式包括三部分，分别是公共文件头区、变长记录区、格式0点集记录区。公共文件头区记录LAS文件的普通信息，如点的个数等；变长记录区包含一些元数据，如文件采用的坐标系等；格式0点集记录区记录点的X，Y，Z和属性。

步骤40：运用雷电专业线塔参数分析软件，输入步骤30获得的LAS格式激光点云数据(含地表层、植被层、线路层和杆塔层杆塔层)，分析输出精确到逐级杆塔的地形地貌参数、线路参数、杆塔参数。

下面分别介绍所述雷电专业线塔参数分析软件根据步骤30获得的LAS格式激光点云数据分析输出地形地貌参数、线路参数、杆塔参数的方法：

1、分析输出杆塔的地形地貌参数：

具体的，如图2所示，在杆塔横截面左右各100m内，每隔25m取一个相对杆塔的地表层激光点云数据计算出地面倾角θi(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)，所述杆塔左右各50m处获得的地面倾角θ用于判断地貌。如图3所示，h1、h2均为海拔高度，有：

如果h2＜h1，则θ＞0

如果h2＞h1，则θ＜0

地貌一般分为四种，分别为山顶、沿坡、山谷和平地，如图4(a)所示，如果θ₃＞0、θ₆＞0，则该杆塔所处地貌为山顶；如图4(b)所示，如果θ₃＞0、θ₆＜0，则该杆塔所处地貌为沿坡；如图4(c)所示，如果θ₃＜0、θ₆＜0，则该杆塔所处地貌为山谷；如图4(d)所示，如果θ₃＝0、θ₆＝0，则该杆塔所处地貌为平地。

最终的地面倾角θ＝ave(∑|θi|)，θi(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)。即在杆塔左右各100m内，每隔25m取一个相对杆塔的地表层激光点计算出地面倾角θi，其中各50m处的地面倾角用于判断杆塔处地貌，所有点处地面倾角和的平均值为最终的地面倾角。

因此，杆塔的地形地貌参数的输出结果为：杆塔处地貌(山顶、沿坡、山谷、平地四者之一)和地面倾角。

2、分析输出线路参数：

导线、避雷线沿线路档距全线每隔1/8档距取线路层激光点云数据采样点对地表层激光点云数据高度及地形地貌参数(地形地貌参数计算方法与前面杆塔的地形地貌参数的计算方法一致，在此不再赘述)定义线路参数。

线路参数中的地形地貌参数为线路每隔1/8档距线路层采样激光点处的地貌(山顶、沿坡、山谷、平地四者之一)和地面倾角。

3、分析输出杆塔参数：

根据差异化防雷雷电专业要求选取杆塔层激光点云数据对应的特征点，计算杆塔参数，所述杆塔参数包括导地线(导线和避雷线)悬挂高度和中距等。

具体的，单回杆塔如图5所示，此时需要输出的杆塔参数为下相导线高度(h1)、中相导线高度(h2)、上相导线高度(h3)(图5所示杆塔中三相导线高度相同，而实际线路的塔型可能各相高度不同)、避雷线高度(H)、下相导线中距(d1)、中相导线中距(d2)、上相导线中距(d3)、避雷线中距(dg)(图5所示杆塔由于有一相导线位于杆塔中心，因此d2＝0，在图中没有将d2表示出来，实际线路中的塔型会出现d2≠0的情况)。

同塔双回杆塔如图6所示，此时需要输出的杆塔参数为下相导线高度(h1)、中相导线高度(h2)、上相导线高度(h3)、避雷线高度(H)、下相导线中距(d1)、中相导线中距(d2)、上相导线中距(d3)、避雷线中距(dg)。

三维激光雷达测量系统是以发射和接收激光脉冲的方式，通过记录激光脉冲从发射、经过地面目标物反射到接收单元的时间延迟，可精确测定从发射点到地面反射点(激光脚点)之间的距离，进而获取高精度地面反射点的三维坐标。

本发明采用三维激光雷达技术对选定研究线路进行扫描、内业数据精细处理分析的方式，得出试点线路精确分析输出到逐级杆塔的地形地貌参数、线路参数、杆塔参数。

本发明在鄂西三峡地区某220KV、110KV和35KV试点输电线路逐级杆塔雷击风险统计和评估时可以输出准确的逐级杆塔的地形地貌参数、线路参数、杆塔参数，并结合雷击物理模型进行动态仿真和事故复现，为输电线路防雷差异化分析研究和评估防雷措施的有效性提供准确的基础数据支持。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法，其特征在于：所述方法包括

步骤10：通过飞行器携带三维激光雷达测量系统，对输电线路走廊沿杆塔进行扫描，获取包括实施差异化防雷指定输电线路杆塔段的原始激光数据和GPS\IMU数据；

2.如权利要求1所述的基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法，其特征在于：所述步骤40中所述雷电专业线塔参数分析软件分析输出所述杆塔周围的地形地貌参数的步骤具体为：

在杆塔横截面左右各100m内，每隔25m取一个相对杆塔的地表层激光点计算出地面倾角θi(i＝1、2、3、4、5、6、7、8)，所述杆塔左右各50m处获得的地面倾角θ用于判断杆塔处地貌，所有点处地面倾角和的平均值为最终的地面倾角，杆塔的地形地貌参数的输出结果为：杆塔处地貌和地面倾角；

所述步骤40中所述雷电专业线塔参数分析软件分析输出所述线路参数的步骤具体为：在导线、避雷线沿线路档距全线每隔1/8档距取线路层采样激光点对地表层激光点高度及地形地貌参数定义所述线路参数；

所述步骤40中所述雷电专业线塔参数分析软件分析输出所述杆塔参数的步骤具体为：根据差异化防雷雷电专业要求选取杆塔层对应的特征激光点，计算杆塔参数，所述杆塔参数包括导线和避雷线的悬挂高度和中距。

3.如权利要求1所述的基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法，其特征在于：所述三维激光雷达测量系统包括激光扫描仪、GPS定位系统和惯性测量装置，所述激光扫描仪用于测定激光雷达信号发射参考点到地面激光脚点的距离，获得所述包括差异化防雷指定输电线路杆塔段的原始激光数据；所述GPS定位系统和惯性测量装置用于测量激光扫描仪在运动过程中的经纬度空间位置信息和俯角、仰角和横滚角三个瞬时姿态角，获取包括差异化防雷指定输电线路杆塔段的GPS\IMU数据。

4.如权利要求1所述的基于三维激光雷达技术的输电线路杆塔参数确定方法，其特征在于：所述步骤20具体包括：对步骤10获得的所述GPS\IMU数据进行联合差分解算，获得激光扫描仪每个扫描时刻的空间位置和姿态数据；然后对步骤10获得的所述原始激光数据自动进行空间位置和姿态数据的赋值运算，生成大地定向后的原始激光点云数据。