CN110807832A - 一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，属于电力工程架空线路测量技术领域。通过地面三维扫描仪的扫描，自动提取电力线分布，具体步骤包括：利用高程均值获取高等级电力线数据；利用密度聚类算法剔除噪声；根据线路路径选取交跨点，自动跟踪搜寻每条电力线的点云数据，并实现单根电力线点云数据自动排序；对提取出的点云赋予编码属性，实现各单根电力线的地物类型标识赋值与分类编码赋值等属性编辑；完成与三维道亨软件的衔接，自动生成三维场景文件，实现电力线的三维设计。本发明提供的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，提取速度快、经济适用、精度可靠、实现与三维道亨衔接，自动生成三维场景文件。

Description

一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法

技术领域

本发明属于电力工程架空线路测量技术领域，具体涉及一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法。

背景技术

架空输电线路是国家重要的基础设施，随着我国经济的快速发展，大容量的特高压输电线路的建设越来越普及，相应勘测设计要求也是越来越高，随着无人机航测遥感与激光雷达技术的发展，恰能满足电力输电线路三维设计建设需求。

地面激光雷达扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，Axelsson首次提出采用地面点滤波、回波信号分类等技术，从机载激光点云数据中提取三维电力线的概念性框架，但该方法需要航向等辅助信息，难以实现电力线的自动提取；另外一些学者基于机载LiDAR点云数据进行算法研究，这些方法大都基于机载雷达数据，考虑的主要是机载点云的数据特点，但都有一定的要求与适应性，针对地面三维扫描数据的提取方法还较很少。

本发明结合地面三维激光扫描仪的特点、性能，提出了一种针对平原线路的等级电力线提取方法。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，通过三维激光扫描仪对平原区线路进行扫描，提取点云数据并自动排序，自动生成三维场景文件，实现电力线的三维设计。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，通过地面三维扫描仪的扫描，自动提取电力线分布，具体包括以下步骤，

1)、利用高程均值获取高等级电力线数据；

2)、利用密度聚类算法剔除噪声；

3)、根据线路路径选取交跨点，自动跟踪搜寻每条电力线的点云数据，并实现单根电力线点云数据自动排序；

4)、对提取出的点云赋予编码属性，实现各单根电力线的地物类型标识赋值与分类编码赋值等属性编辑；

5)、完成与三维道亨软件的衔接，自动生成三维场景文件，实现电力线的三维设计。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述三维扫描仪为三维激光扫描仪P40型。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，步骤1)中高程均值获取过程操作如下，先获取三维扫描仪架站扫描数据，在通过统计原始点云数据各点的高程信息，获取点云的高程均值，高程均值公式为，其中h'为高程均值，h_i为各点高程值。

本发明技术方案的进一步改进在于：一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，步骤2)中利用密度聚类算法剔除噪声的方法是以每个点云数据为圆心，以一定的半径R画圆，园内的点数就是点密度值；根据测站区域的实际情况，确定半径R与密度阈值PS；具体步骤如下，首先，从任意点云数据开始，以其为中心，R为半径，搜索圆内点的密度值，若密度值大于或等于密度阈值PS，则圆圈内的点标记为非电力线点云即噪声点云；然后，重复1的步骤，直到遍历点云中所有点，发现所有非电力线点云，提取电力线点云数据。

本发明技术方案的进一步改进在于：一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，步骤3)中获取电力线各单根导线、地线点云数据文件的过程如下，根据线路路径选取交跨点作为种子点，循环遍历点云，通过计算各点云间的空间距离和密度关系，采用点云自动跟踪的方法，跟踪聚类识别出每根电力线上的点云数据，获取电力线各单根导线、地线点云数据文件；各点云间的空间距离计算公式为，

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明提供的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，操作简单，携带方便，不必接触被扫描体，测量精度高、速度快，数据准确。

本发明提供的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，可实现与三维道亨软件的衔接，自动生成三维场景文件，方便快捷。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明公开了一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，实现高效率地生成三维场景文件。

结合图1所示的本发明提供的基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法的方法流程图，

本发明提供的通过地面三维扫描仪的扫描，自动提取电力线分布，具体包括以下步骤，

1)、利用高程均值获取高等级电力线数据；

2)、利用密度聚类算法剔出噪声；

3)、根据线路路径选取交跨点，自动跟踪搜寻每条电力线的点云数据，并实现单根电力线点云数据自动排序；

4)、对提取出的点云赋予编码属性，实现各单根电力线的地物类型标识赋值与分类编码赋值等属性编辑；

5)、完成与三维道亨软件的衔接，自动生成三维场景文件，实现电力线的三维设计。

针对平原线路利用地面三维激光扫描技术提取电力线，首先要了解地面三维激光扫描仪的扫描特点与扫描距离，同时考虑电力线的空间分布分布特点。

具体如下：

(1)地面三维扫描仪具有点云密度高、测量精度高、扫描速度快等特点，测程根据设备型号的不同而不尽相同，一般测程在100米～1000米之间，点间距一般在cm级或mm级，实现单点测量到面、体式测量的测绘革命。依徕卡P40为例，其测角精度8″，测距精度1.2mm+10ppm，有效扫描距离可达270米，可360度全景扫描。

(2)电力线水平空间上的分布特征：电力线点云在水平投影面应为有一定宽度的直线，其密度一般较小，且线状宽度为电力线的直径。

(3)电力线垂直空间上的分布特征：电力线点云应为一抛物线，且抛物线距地面一般在10米以上的高度，一般随电压等级的增加，高度也会增加。

(4)电力线与杆塔、植被等地物相比，高等级电力线的高度要比植被自然生长高度都要高，而电力线的点云密度要比杆塔、植被的点云密度小很多。

在进行架站作业时，先根据外业现场情况设计一条合适的扫描路线，确定恰当的采样密度，确定大致的扫描仪至扫描物体的距离、设站数与设站位置，保障电力线等场景点云数据扫描完整。确定设站位置后，架设仪器，新建工作文件，按设定的采样密度与扫描路径扫描获取场景点云数据。扫描结束后，现场分析采集到的数据是否符合要求，进行初步的质量分析和控制，点云数据输出格式为.bin。

在本发明提供的实施例中，所述三维扫描仪为三维激光扫描仪P40型，首先获取三维扫描仪架站扫描数据，通过统计原始点云数据各点的高程信息，获取点云的高程均值，地面点高程小于该均值，而电力线与树冠等信息要大于该均值。结合高等级电力线设计高度大于树木自然生长高度，自然高于树木实际高度的特点，可结合测区实际情况，多次计算均值线上的点云高程均值，以此作为提取阈值，平原地区一般两次运算即可得到结果。并用密度聚类运算找到铁塔或部分混在电力线点云中的树冠点云，在数据库中反向选择，得到最终的高压线点云，完成高等级电力线点云提取工作。

进一步地，所述高程均值公式为，

其中h'为高程均值，h_i为各点高程值。

针对其他电力线，结合铁塔、高大树木等地物，一般点云数据大，而电力线呈线性，单位面积点云数据不是很大，可通过类似(DBSCAN)的基于密度的聚类方法进行提取并去除。本专利根据电力线的空间分布特征(线性分布)与点云密度特征，提出了基于密度聚类筛出非电力线点云的方法。

本专利以每个点云数据为圆心，以一定的半径R为画圆，园内的点数就是点密度值。这里要根据测站区域的实际情况，首先确定半径R与密度阈值PS。

具体步骤如下：

1)、首先确定密度搜索的圆圈半径R和密度阈值PS，从任意点云数据开始，以其为中心，R为半径，搜索圆内点的密度值(数量)，若密度值大于或等于密度阈值PS，则圆圈内的点标记为非电力线点云(噪声)。

2)、重复1的步骤，直到遍历点云中所有点，发现所有非电力线点云，提取电力线点云数据。

这其中最重要的便是如何确定搜索圆圈半径R及密度阈值PS，本专利基于单根电力线点云成线性分别的特点，与铁塔、树冠等多层次面状分布的特点相比，点云数据明显较小，同时高等级电力线的导线间有相当大的间隔，可根据水平间隔、单根电力线单位直径的点云数据确定最终的搜索圆圈半径R及密度阈值PS。

通过研究地面三维扫描电力线点云分布的空间特性发现：单根电力线点云之间紧密相连，即两点间距离差很小，一般为cm级，而不属于一根电力线的点云距离差就比较大(一米以上)。通过这个特点，在上一步准确分类的基础上，首先根据线路路径选取交跨点作为种子点，循环遍历点云，通过计算各点云间的空间距离和密度关系(如下(2)公式)，采用点云自动跟踪的方法，跟踪聚类识别出每根电力线上的点云数据，获取电力线各单根导线、地线点云数据文件。

根据电力勘测三维设计要求，对提取出的点云进行赋予编码属性，实现其与三维道亨的衔接。本专利针对各单根电力线，每1.5米点间距选取一点，组成多点跨(钻)越电力线数据组，根据编码表，进行地物类型标识赋值与分类编码赋值等，(如220kV地物类型标识赋值K3，分类编码赋值7，即220KV电力线属于K3类，分类编码为7号，见表1)，自动生成道亨三维地物识别文件，实现道亨三维场景建模，完成与电力行业通用软件三维道亨的无缝衔接。

表1

本发明提供的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，操作简单，携带方便，不必接触被扫描体，测量精度高、速度快，数据准确。可实现与三维道亨软件的衔接，自动生成三维场景文件，方便快捷。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，其特征在于：通过地面三维扫描仪的扫描，自动提取电力线分布，具体包括以下步骤，

1)、利用高程均值获取高等级电力线数据；

2)、利用密度聚类算法剔除噪声；

3)、根据线路路径选取交跨点，自动跟踪搜寻每条电力线的点云数据，并实现单根电力线点云数据自动排序；

4)、对提取出的点云赋予编码属性，实现各单根电力线的地物类型标识赋值与分类编码赋值等属性编辑；

5)、完成与三维道亨软件的衔接，自动生成三维场景文件，实现电力线的三维设计。

2.根据权利要求1所述的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，其特征在于：所述三维扫描仪为三维激光扫描仪P40型。

3.根据权利要求1所述的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，其特征在于：步骤1)中高程均值获取过程操作如下，先获取三维扫描仪架站扫描数据，在通过统计原始点云数据各点的高程信息，获取点云的高程均值，高程均值公式为，其中h'为高程均值，h_i为各点高程值。

4.根据权利要求1一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法，其特征在于：步骤2)中利用密度聚类算法剔除噪声的方法是以每个点云数据为圆心，以一定的半径R画圆，园内的点数就是点密度值；根据测站区域的实际情况，确定半径R与密度阈值PS；具体步骤如下，首先，从任意点云数据开始，以其为中心，R为半径，搜索圆内点的密度值，若密度值大于或等于密度阈值PS，则圆圈内的点标记为非电力线点云即噪声点云；然后，重复1的步骤，直到遍历点云中所有点，发现所有非电力线点云，提取电力线点云数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于地面三维扫描仪的电力线自动提取方法其特征在于：步骤3)中获取电力线各单根导线、地线点云数据文件的过程如下，根据线路路径选取交跨点作为种子点，循环遍历点云，通过计算各点云间的空间距离和密度关系，采用点云自动跟踪的方法，跟踪聚类识别出每根电力线上的点云数据，获取电力线各单根导线、地线点云数据文件；各点云间的空间距离计算公式为，