CN109341667B - 一种基于区域判断选择的三维电力线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于区域判断选择的三维电力线测量方法，提取各杆塔间的三相导线，包括采用以下步骤在相邻两个杆塔之间提取S相电力线，加载点云和影像位置信息；选取杆塔档距，通过区域判断分别取相邻两个杆塔的相应影像，通过三维连接点提取技术确定每个杆塔上S相挂线点的地理位置坐标；根据相邻两杆塔同一相上的挂线点的地理位置信息，拟合出S相电力线并在点云上加载显示，得到导线点云密集点；确定两杆塔之间电力线中间点，复查检测导线拟合的准确性，如果误差过大，通过拟合电力线进行调整。本发明方法在应用时，可以实现更高检测效率和更优的用户体验。

Description

一种基于区域判断选择的三维电力线测量方法

技术领域

本发明属于电力运输线路遥感检测领域，特别是涉及一种基于区域判断选择的三维电力线测量方法。

背景技术

当前电力线检测涉及以下技术：

1、基于倾斜摄影技术测量电力线

随着计算机技术和数字影像处理技术的发展，数字摄影测量为建立三维可视化设计平台提供了可能。无人机倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，相对于正射影像，倾斜摄影能更加真实的反映现场三维环境，通过配套软件可直接利用成果影像进行高度、长度、面积、体积、角度、坡度等属性的量测，同时倾斜摄影对建筑物能批量贴纹理，有效的降低了三维建模的成本。倾斜摄影技术在特高压输电线路路径优化中的应用，为特高压输电线路设计中路径方案优选和优化排位提供直观、准确、丰富的三维数据源，为输电力线路设计提供决策依据。《电力勘测设计》，2002(4):30-33

在当前基于倾斜摄影技术测量电力线解决方案中，选取三维空间中杆塔上的一点，按选取点的坐标寻找出若干张包含选取点的影像，并选四张显示在软件平台的子窗口上。用户在分别包含四张影像的子窗口中选择一个作为主要操作的子窗口，滑动鼠标到易于标记的影像上的点上，然后滚动鼠标滑轮，选取的主要的子窗口视图不发生变化，记录的高程信息改变，导致其他窗口中高程改变，从而其他窗口中的中心点在影像上的位置沿核线方向发生改变。在用户实际操作中，步骤略显繁琐，以及操作习惯不具有亲和性，用户体验普遍较差。由于此前提到的种种原因导致这种方法效率低下，不适合实际的生产。

2、三维点提取技术

三维连接点提取技术，是指在缩略图窗口中显示一列影像，点击影像缩略图，影像显示窗口中显示一张影像，在影像上标记一个点，记录这个点在影像上的像素坐标信息。当点击缩略图窗口中的另一张影像时，影像显示窗口显示另一张影像，并在这张影像上画出核线。根据用户判断，加上核线限制，标记出同名点。这样就可以确定照片上的点的地理坐标信息。因此，也需要依赖用户的人工判断。

综上所述，目前本领域亟待更高效的自动化方案出现。

发明内容

针对现有的基于倾斜摄影技术解决方案的不易于操作性和连接点提取技术的用户亲和性，结合区域判断算法发明一种基于区域判断的快捷化、自动化、易操作的三维电力线提取方法。不仅为提高了导线提取效率，用户体验更好。其研究成果也为实际生产中的三维电力线提取发展提供支持。

本发明提供的技术方案是一种基于区域判断选择的三维电力线测量方法，提取各杆塔间的三相导线，包括采用以下步骤在相邻两个杆塔之间提取S相电力线，S为A或B或C，

步骤1，加载点云和影像位置信息；

步骤2，选取杆塔档距，分别取相邻两个杆塔的相应影像，确定每个杆塔上S相挂线点的地理位置坐标；

对相邻两个杆塔分别执行以下处理，

步骤2.1，根据杆塔的GPS和影像的GPS信息，加载杆塔附近的一组照片；

步骤2.2，将步骤2.1中加载的带地理位置信息的影像按相对于电力线的位置，通过区域判断实现左右分别选择一张影像；

所述区域判断，是根据照片的GPS信息先筛选出拍摄到杆塔附近的照片，再筛选出完全拍摄到杆塔的照片；

步骤2.3，在左边影像上标记该杆塔S相挂线点，并通过三维连接点提取技术在另一侧右侧的照片上画出核线，支持在右边影像标记同名点；

步骤2.4，在步骤2.3所得结果基础上，得出该杆塔上S相挂线点的地理位置坐标；

步骤3，根据相邻两杆塔同一相上的挂线点的地理位置信息，拟合出S相电力线并在点云上加载显示，得到导线点云密集点；

步骤4，确定两杆塔之间电力线中间点，复查检测导线拟合的准确性，如果误差过大，通过拟合电力线进行调整。

而且，进行相间导线复制，包括根据已提取出的S相导线的两端的挂点的GPS信息，再根据杆塔相间导线的挂点的间距，通过平移加上间距得出另外两相间的导线。

而且，进行挂线点复用，当杆塔N1—N2的导线提取完成后，再提取杆塔N2-N3间的导线时，直接使用杆塔N2上的挂点坐标。

而且，提取完所有杆塔间的三相导线后，进行点云的去噪处理。

而且，进行点云的去噪处理后，支持选择相邻两杆塔之间点云的范围，利用K-D树改良算法查找树障，得到树障点的信息。

而且，所述三维连接点提取技术实现如下，

在左边影像上标记杆塔S相挂线点，将此点作为构成三维平面的一个基点，而另外的两个基点分别为左右两张影像的焦点，三个基点在三维空间构成一个平面，而因为右边影像中与S相挂点相同位置的点B具有一样的三维GPS坐标和像素值，所以这个三维的平面在切割左右两边的影像时一定会经过B点，使用一条直线来描述此三维平面的切割轨迹生成一条核线，通过这条核线在左右两张影像中标记出同名点。

而且，步骤4中，拟合电力线采用悬链线解算方程实现。

本发明提供的技术方案具有快捷、高效、自动化等特点，相对于目前在实际生产中应用的各种电力线提取和树障检测软件中，本发明方法在应用时，可以实现更高检测效率和更优的用户体验，包括：(1)左右缩略图选择影像；(2)根据左右视图对比选点；(3)鼠标直接根据绘制核线和导线的交点选点非滚轮操作；(4)相间导线复制功能；(5)上一导线挂点复制到下一导线挂点——挂点复用，提高速度。本发明具有重要的市场价值其研究成果也为实际生产中的三维电力线测量提供重要的理论指导和技术方法支持。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的杆塔照片初步筛选流程图。

图3是本发明实施例的杆塔照片确定流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

高压导线有三相，一条导线在两个塔上有两个端点，这两个端点都是分别两个杆塔的A相点(或B,C)。参见图1，本发明实施例的基于区域判断的电力线提取方法，包括采用以下步骤在相邻两个杆塔之间提取某一相电力线，设需要提取A相电力线：

步骤1，加载点云和影像位置信息；

无人机航拍使用倾斜摄影技术获取电力杆塔导线的遥感影像数据，具体实施时可以在同一飞行平台上搭载多台传感器，采用双镜头相机。设备由双相机、控制板、移动站GPS和地面站CPS等组成。同时，从垂直、倾斜两个角度采集影像。垂直地面角度拍摄获取的是垂直向下的影像，称为正片，镜头向与地面成一定夹角拍摄获取的影像，称为斜片。其中前视相机可以最大限度地获取电力杆塔前后两个立面影像正片从而准确找出挂点位置；侧视相机可以全面的获取杆塔的斜片，更利于采集电力杆塔的侧面数据，正斜相机采取的正斜片影像也可以为本发明提出的左右视图对比选点提供可靠的影像依据。同时，该设备能够动态调整相机前视和侧视角度，以适应不同数据采集环境，通过来回多次巡线，获得完整的地面信息。

本流程的输入为点云和影像，及影像位置信息。具体实施时，可以对无人机航拍回来的数据进行处理，再将其做空间三角测量处理，确定影像的内外方位元素和相机畸变参数。根据影像的内外方位元素和原始影像做密集匹配处理，生产出地表的三维点云文件。然后在工程中窗口中加载点云显示，并在工程中加载记录影像的GPS信息。

步骤2，选取杆塔档距，分别取相邻两个杆塔的相应影像，确定每个杆塔上A相挂线点的地理位置坐标；

具体实施时，一条电力运输线路的杆塔可以顺序编号，例如从1号杆塔到第100号杆塔。

相邻杆塔一个为小号侧，一个为大号侧，例如小号侧为56号杆塔，大号侧为57号杆塔，可以根据影像的位置信息，选取并加载小号侧或大号侧的影像，分别进行处理。

实施例中，包括对小号侧杆塔和大号侧杆塔分别执行以下处理，

步骤2.1，根据杆塔的GPS和影像的GPS信息，加载杆塔附近的一组照片

步骤2.2，将步骤2.1中加载的带地理位置信息的影像按相对于电力线的位置，左右两侧分开成两行，并制作缩略图加载到左右两侧缩略图窗口，左右分别选择一张影像。

具体实施时，预先采用倾斜摄影方式，可以设置多个传感器，通过两个不同的视角同步采集影像，采集得到杆塔左边和右侧的影像。或者由无人机来回航行拍照，分别得到杆塔左边和右侧的影像。

根据杆塔的GPS和影像的GPS信息，找到杆塔附近的一组照片。用区域判断算法将照片按相对于大小号杆塔之间电力线分为左右侧。

所述区域判断，是根据照片的GPS信息先筛选出拍摄到杆塔附近的照片，再筛选出完全拍摄到杆塔的照片。最优地，可以选出杆塔位于影像中心位置的照片。

具体实施时，可以提供用户界面，制作缩略图加载到左右两侧缩略图窗口，支持用户选择确定包含杆塔的左右两侧的影像，使其显示在影像显示窗口。

或者，将步骤2中加载的带地理位置信息的影像按相对于电力线的位置，左右两侧分开，采用如图2所示流程自动选择视角最好的几张制作成缩略图，即塔在图片内。然后采用如图3所示流程自动选择两张视角最佳的影像(左右分别选择一张)，即塔在影像中央位置，可以显示在界面的左右窗口。因为影像存在畸变，而中心畸变最小，所以选取塔在影像中心位置，一来减少了用户的操作量，二来提高了整体的精度。

参见图2，开始执行流程，输入一组带GPS信息的影像，记录这组数据的保存位置和GPS信息，然后通过影像的GPS判断这组影像是否拍摄的是杆塔附近的影像，是则按设定的保存位置保存下来。否则结束判断进入下一组数据的判断，直到输入数据全部判断完成为止。

参见图3，开始执行流程，输入判断好的在杆塔附近的影像，将杆塔的坐标投影到影像上计算出影像上的杆塔，通过杆塔所在的像素点位置判断杆塔是否位于影像的中心位置，是则保存影像路径。否则结束判断进入下一组数据的判断直到输入数据全部判断完成为止。

步骤2.3，在左边影像上标记该杆塔A相挂线点，并通过三维连接点提取技术在另一侧右侧的照片上画出核线，支持在右边影像标记同名点。

在左边影像上标记该杆塔A相挂线点，记录此点的像素值，并将此点作为构成三维平面的一个基点，而另外的两个基点分别为左右两张影像的焦点，此三点会在三维空间构成一个平面，而因为右边影像中与A相挂点相同位置的点B具有一样的三维GPS坐标和像素值，所以这个三维的平面在切割左右两边的影像时一定会经过B点，本发明提出使用一条直线来描述此三维平面的切割轨迹生成一条核线，通过这条核线可以支持用户在左右两张影像中标记出同名点，本发明将这项技术称为为三维连接点提取技术。通过这项技术，作业人员可以很方便的提取出需要的挂点。具体实施时，同时显示左右两侧的照片，方便用户进行对比，在右侧上画出核线，更加利于用户标出同名点，在提高准确度和效率上有非常好的效果。

步骤2.4，在步骤2.3所得结果基础上，得出该杆塔上A相挂线点的地理位置坐标。

步骤3，在步骤2之后，得到相邻两杆塔同一相(A相)上的挂线点的地理位置信息，即可拟合出A相电力线并在步骤1得到的地表的三维点云上加载显示，得到导线点云密集点；

具体实施时，可得到两侧同相挂线点的GPS信息，自动在三维空间拟合出一条初始的模拟电力线。

步骤4，确定两杆塔之间电力线中间点，复查检测导线拟合的准确性，如果误差过大，可以拟合调整三维电力线；

具体实施时，检测导线拟合的准确性可以通过拟合导线实时显示的形状来判断，如果误差较大，拟合导线会呈现坍塌状态，没有误差或误差十分小的的时候，拟合导线会呈现平滑的曲线。

拟合出导线后，就开始确定具体导线位置，虽然步骤3初始拟合出了导线的位置，但是和真实的导线位置有差距，导线在现实中不是一条直线，而是一条悬链线，而悬链线要三点才能确定，有了大小号的挂点还差一个中间点就能确定实际位置了，确定中间点需要至少两张倾斜摄影的影像A1、B1。

具体实施时，需要用同样的方法在导线影像上找第三个点，倾斜摄影在拍摄影像时会专门在每一个杆塔档距之间的中间点位置拍摄影像，该中间点位置可以取一段范围，例如比如第1个杆塔和第2个杆塔之间间距50米，拍摄时会把距离第2个杆塔30米和25米这一段五米间距的影像拍回来，在这五米之间的点都可以称为中间点。在选取第三点时可基于GPS坐标将拍摄的中间点影像筛选出来，而只需要在中间点影像中随意选取一点作为中心参考点，通过步骤2.3采用的三维连接点提取技术就可以顺利选取出该档距的导线中心参考点，通过这三个点按照现有技术中的悬链线解算方程就可以让生成的拟合线和真实的导线重合。此时完成了相邻两个杆塔之间A相导线的提取。

具体实施时，顺利选取完三个点后，接下来就是应用悬链线方程来将点拟合：首先将步骤3所得导线点云密集点放入二维坐标中，随机选取多个样点并提取出该样点的X、Y轴坐标(x，y)，带入悬链线解算方程的公式中求出待定参数k。悬链线解算方程的公式为现有技术，本发明不予赘述。

其中，待定参数

δ₀为架空线的水平应力，γ为架空线的比载。

可以将导线进行无数的切割成一个一个的点，即提取步骤3所得导线点云密集点中的点，而每一个点都符合线性方程y＝k×x，通过不断的取值x就可以不断得出y的值，然后将无数的(x，y)连成线，这条线就会和实际导线十分吻合。具体实施时，可将所有点云的点全部放到一个平面坐标系中，当选择一个点的横坐标时系统会相对应的得出密集点云最中心点的纵坐标。如此就完成了拟合线的调整。进过这一系列的调整，模拟出来的导线就基本可以取代真实导线。

本发明进一步提出相间导线复制，为了提高提取导线的速度，相间的导线线可以复制，根据已提取出的A相导线的两端的挂点的GPS信息，再根据杆塔相间导线的挂点的间距，通过平移加上间距就能得出B相、C相间的导线。这就完成了导线的复制。

本发明进一步提出挂线点复用，为了提高提取速度，还可以进行挂点复用，当杆塔N1—N2的导线提取完成后，再提取N2-N3间的导线时，正常情况下需要标记N2杆塔的另外一面的挂点，再去标记N3上的挂点才能提取导线，这样很浪费时间，因为N2上的挂点坐标已经在上次提取导线时得到了，所以这次提取N2——N3的导线时，可以直接拿来用就行了只用标记N3的挂点就行，这样就节省了一半的时间，完成了挂点复用。

提取完所有杆塔间的三相导线后，进行点云的去噪处理。具体实施时，后续还可以支持在点云显示窗口中选择相邻两杆塔之间点云的范围，利用K-D树改良算法查找树障，输出树障点的信息。

本发明技术方案可采用计算机软件技术实现快速运行流程。

具体实施时，可在openRS的基础上，充分利用区域判断算法在快速提取电力线模型方面建立优势，根据两侧对比更能迅速找到相同或不同的特点，设计基于区域判断算法的三维电力线提取软件，可以支持工程化提取电力线，提高工程化提取电力线的速度和精度。本发明不仅为推动电力线提取软件的技术方法体系朝着自动化与智能化发展提供新的思考方向，丰富相关研究的内容与方法。其研究成果也为实际生产中的电力线提取提高效率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于区域判断选择的三维电力线测量方法，其特征在于：提取各杆塔间的三相导线，包括采用以下步骤在相邻两个杆塔之间提取S相电力线，S为A或B或C，

步骤1，加载点云和影像位置信息；

步骤2，选取杆塔档距，分别取相邻两个杆塔的相应影像，确定每个杆塔上S相挂线点的地理位置坐标；

对相邻两个杆塔分别执行以下处理，

步骤2.1，根据杆塔的GPS和影像的GPS信息，加载杆塔附近的一组照片；

步骤2.2，将步骤2.1中加载的带地理位置信息的影像按相对于电力线的位置，通过区域判断实现左右分别选择一张影像；

所述区域判断，是根据照片的GPS信息先筛选出拍摄到杆塔附近的照片，再筛选出完全拍摄到杆塔的照片；

步骤2.3，在左边影像上标记该杆塔S相挂线点，并通过三维连接点提取技术在另一侧右侧的照片上画出核线，支持在右边影像标记同名点；

所述三维连接点提取技术实现如下，

在左边影像上标记杆塔S相挂线点，将此点作为构成三维平面的一个基点，而另外的两个基点分别为左右两张影像的焦点，三个基点在三维空间构成一个平面，而因为右边影像中与S相挂点相同位置的点B具有一样的三维GPS坐标和像素值，所以这个三维的平面在切割左右两边的影像时一定会经过B点，使用一条直线来描述此三维平面的切割轨迹生成一条核线，通过这条核线在左右两张影像中标记出同名点；

步骤2.4，在步骤2.3所得结果基础上，得出该杆塔上S相挂线点的地理位置坐标；

步骤3，根据相邻两杆塔同一相上的挂线点的地理位置信息，拟合出S相电力线并在点云上加载显示，得到导线点云密集点；

步骤4，确定两杆塔之间电力线中间点，复查检测导线拟合的准确性，如果误差过大，通过拟合电力线进行调整。

2.根据权利要求1所述基于区域判断选择的三维电力线测量方法，其特征在于：进行相间导线复制，包括根据已提取出的S相导线的两端的挂点的GPS信息，再根据杆塔相间导线的挂点的间距，通过平移加上间距得出另外两相间的导线。

3.根据权利要求1所述基于区域判断选择的三维电力线测量方法，其特征在于：进行挂线点复用，当杆塔N1—N2的导线提取完成后，再提取杆塔N2-N3间的导线时，直接使用杆塔N2上的挂点坐标。

4.根据权利要求1所述基于区域判断选择的三维电力线测量方法，其特征在于：提取完所有杆塔间的三相导线后，进行点云的去噪处理。

5.根据权利要求4所述基于区域判断选择的三维电力线测量方法，其特征在于：进行点云的去噪处理后，支持选择相邻两杆塔之间点云的范围，利用K-D树改良算法查找树障，得到树障点的信息。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述基于区域判断选择的三维电力线测量方法，其特征在于：步骤4中，拟合电力线采用悬链线解算方程实现。

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