CN111337932A - 基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，实现了在高精度三维电网数字化场景中，根据灵活设置对电网基建建设中的房屋拆迁量自动校核、植被树木砍伐量自动校核、电网线路隐患自动校核以及工程预算自动校核，极大地提升了工作效率，其技术方案概况为，构建三维数字化电力杆塔模型，根据三维数字化电力杆塔模型进行杆塔之间导线弧垂拟合，生成输电线路数字高程模型DEM与输电线路数字正射影像数据DOM，将三维数字化电力杆塔模型、输电线路数字高程模型DEM以及输电线路数字正射影像数据DOM进行场景构建，得到高精度三维电网数字化场景，在高精度三维电网数字化场景中，根据设置自动校核需求，适用于基于三维数字化模型的电网基建建设校核方法。

Description

基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法
技术领域
本发明涉及电网建设领域，具体涉及机载激光雷达系统以及基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法。
背景技术
电网建设是一个跨越大区域的工程，输电线路作为电网的毛细血管，对电能输送起着不可代替的作用，而线路走廊的地形、地貌、地物等都对线路的设计、施工建设和安全运行产生重大的影响。在线路设计阶段，需要在初步选定线路的一定宽度范围内进行高精度三维测量，以进行线路路径和杆塔定位的优化，尽最大程度地降低建设投资。目前，国内电力线路走廊空间数据采集手段主要有人工测绘、可见光航测和遥感等，输电线路和部分高压线路在施工图设计阶段采用航空摄影。航空摄影测量相较于手工测量来说是一个大的突破，但只能获取线路的图片，易受遮挡影响，测量精度低，仍然存在数据不直观、外业工作量大、推广难度大、工作量估计难和预算资金准确率低等问题，因此如何快速获取输电线路走廊基础地理信息数据，并结合杆塔模型建立可交互的三维数字化场景，在该场景中实现动态交互的基建设计校核工作，是电网基建校核的迫切需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种机载激光雷达系统以及基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，实现了在高精度三维电网数字化场景中，对电网基建建设中的房屋拆迁量自动校核、植被树木砍伐量自动校核、电网线路隐患自动校核以及工程预算自动校核，极大地提升了工作效率。
本发明采取如下技术方案实现上述目的，机载激光雷达系统，包括飞行设备、激光雷达以及正射相机，所述飞行设备、激光雷达以及正射相机的相对位置固定不变；
所述飞行设备用于搭载激光雷达与正射相机航飞输电线路，激光雷达在航飞过程中扫描输电线路获取激光点云数据，正射相机在航飞过程中拍摄输电线路的正射影像图。
进一步的是，为了提高系统的灵活性，所述激光雷达与飞行设备固定电连接，正射相机与飞行设备固定电连接。
进一步的是，为了提高系统集成度，所述激光雷达与飞行设备固定电连接，正射相机与激光雷达固定连接，正射相机与飞行设备电连接。
基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，应用于上述任意一项所述机载激光雷达系统，包括以下步骤：
步骤(1)、建立常见杆塔类型的矢量化模板模型，确定呼高、横担长度、塔高以及塔基中心参数值，再通过基于横担的挂点偏移量及绝缘子长度自动化确定绝缘子串的长度，得到三维数字化电力塔杆模型；
步骤(2)、根据三维数字化电力杆塔模型，利用最小二乘方法建立其悬链线数学方程进行导线弧垂拟合，得到塔杆之间导线弧垂拟合；
步骤(3)、机载激光雷达系统航飞输电线路，扫描输电线路获取激光点云数据，然后对激光点云数据进行滤波处理，分类出地面点激光点云数据、植被激光点云数据以及建筑物激光点云数据，然后将地面点激光点云数据生成输电线路数字高程模型DEM，然后将正射相机在航飞过程中拍摄的输电线路正射影像图生成输电线路数字正射影像数据DOM；
步骤(4)、将导线弧垂拟合后的三维数字化电力杆塔模型、输电线路数字高程模型DEM以及输电线路数字正射影像数据DOM进行场景构建，得到高精度三维电网数字化场景；
步骤(5)、在高精度三维电网数字化场景中，根据设置自动对电网基建建设中房屋拆迁量、植被树木砍伐量、线路隐患以及工程预算进行动态校核并输出校核结果。
进一步的是，在步骤(1)中，为了提高电力杆塔适应性，所述常见杆塔类型为干字型杆塔或猫头型杆塔或V型杆塔。
进一步的是，在步骤(1)中，为了提高工作效率，所述确定呼高、横担长度、塔高以及塔基中心参数值可以通过人工制定或设计数据批量导入的方式来确定。
进一步的是，在步骤(3)中，所述将地面点激光点云数据生成数字高程模型DEM包括以下步骤：
A.点云剔除：去除激光点云数据中最高点云数据以及最低点云数据；
B.回波剔除：去除多次回波中的首次回波点云数据和中间次回波点云数据；
C.格网划分：根据点云数据在x、y方向的坐标范围，构建一个点云数据的最小包围核；
D.选择初始种子点：每个格网单元格中选取格网中高程最低的激光点，作为地面种子点；
E.构建初始种子点的不规则三角网：将具有分割好的激光点云和区域外包矩形的四个角点作为种子点，一起构建初始地形的不规则三角网；
F.地面点滤波：依次计算每一个点云数据，找到该点落入的三角形，计算该点到三角形构成的平面的距离及其该点到三角形三点的夹角。满足给定的高程差阈值或者角度阈值，则认为该点是地面点；
G.构建DEM:在不规则三角网的基础上进行线性内插，转换为栅格数字高程模型DEM文件。
进一步的是，在步骤(5)中，根据设置自动对电网基建建设中房屋拆迁量、植被树木砍伐量、线路隐患以及工程预算进行动态校核包括以下步骤：
A.以相邻电力杆塔为端点，连接相邻电力杆塔之间的导线构成输电线路线段，设置一个校核距离，到输电线路线段上任意一点的距离小于等于该校核距离的点所构成的区域为校核区域；
B.自动计算校核在校核区域内的房屋建筑面积、障碍物数量、以及超出电力杆塔接腿高度的植被树木的数量；
C.设置拆迁房屋建筑的单位面积赔偿价格，砍伐植被树木的单位赔偿价格；
D.自动计算出拆迁房屋建筑需要的工程预算，砍伐植被树木需要的工程预算；
E.输出校核后的房屋拆迁量、植被树木的砍伐量、障碍物数量以及工程预算。
本发明首先建立三维数字化电力杆塔模型，在根据三维数字化电力杆塔模型进行杆塔之间导线弧垂拟合，然后将机载激光雷达系统采集的激光点云数据经过处理生成输电线路数字高程模型DEM与输电线路数字正射影像数据DOM，然后将导线弧垂拟合后的三维数字化电力杆塔模型、输电线路数字高程模型DEM以及输电线路数字正射影像数据DOM进行场景构建，得到高精度三维电网数字化场景，在高精度三维电网数字化场景中，可以根据不同工程项目需求，灵活设置校核范围，动态校核在该设置范围内的房屋建筑面积、障碍物数量、以及超出电力杆塔接腿高度的植被树木的数量并输出校核结果，还根据当地具体情况，设置拆迁房屋建筑的赔偿价格，砍伐植被树木的价格，人工价格等，然后动态的输出相应的工程预算，极大地的提升了工作效率。
附图说明
图1是本发明机载激光雷达系统的一种结构框图。
图2是本发明的方法流程图。
图3是本发明导线弧垂拟合中受力分析图。
附图中，X为横坐标，Y为纵坐标，O为坐标原点，A、B两点为等高的悬挂点，C点为OB段导线任取一点，T0为导线最低点的张力，σx为导线任意一点的应力，Tx为导线任意一点张力，S为导线截面，g为导线比载，Lx为导线OC段导线的弧长，G为重力。
具体实施方式
为便于理解，首先对本发明中涉及的部分技术术语进行解释：
数字正射影像数据DOM(Digital Orthophoto Map)：是利用数字高程模型(DEM)对经过扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。
数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)：是一定范围内规则格网点的平面坐标(X，Y)及其高程(Z)的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据。
本发明机载激光雷达系统，其结构框图如图1，包括飞行设备、激光雷达以及正射相机，所述激光雷达与飞行设备固定电连接，正射相机与飞行设备固定连接，提高了系统灵活性；
所述飞行设备用于搭载激光雷达与正射相机航飞输电线路，激光雷达在航飞过程中扫描输电线路获取激光点云数据，正射相机在航飞过程中拍摄输电线路的正射影像图。
其连接方式还可以是激光雷达与飞行设备固定电连接，正射相机与激光雷达固定连接，正射相机与飞行设备电连接，能够提高系统集成度。选择的连接方式必须满足飞行设备、激光雷达以及正射相机的相对位置固定不变。飞行设备可以是无人机，也可以是能够搭载人员的飞机。
本发明基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，其方法流程图如图2，包括以下步骤：
步骤201：构建三维数字化电力杆塔模型；
步骤202：进行杆塔之间导线弧垂拟合；
步骤203：生成输电线路数字高程模型DEM与输电线路数字正射影像数据DOM；
步骤204：将三维数字化电力杆塔模型、输电线路数字高程模型DEM以及输电线路数字正射影像数据DOM进行场景构建，得到高精度三维电网数字化场景；
步骤205：在高精度三维电网数字化场景中，根据设置自动对电网基建建设中房屋拆迁量、植被树木砍伐量、线路隐患以及工程预算进行动态校核并输出校核结果。
步骤201中，构建三维数字化电力杆塔模型的具体实现手段包括：建立常见杆塔类型的矢量化模板模型，确定呼高、横担长度、塔高以及塔基中心参数值，再通过基于横担的挂点偏移量及绝缘子长度自动化确定绝缘子串的长度，得到三维数字化电力塔杆模型。
其中，常见杆塔类型可以是干字型杆塔或猫头型杆塔或V型杆塔，提高了杆塔的适应性；为了提高工作效率，确定呼高、横担长度、塔高以及塔基中心参数值可以通过人工制定或设计数据批量导入的方式来确定。
步骤202中，进行杆塔之间导线弧垂拟合的具体实现手段包括：根据三维数字化电力杆塔模型，利用最小二乘方法建立其悬链线数学方程进行导线弧垂拟合，得到塔杆之间导线弧垂拟合。
为构建电力线方程的数学模型,我们对导线受力情况进行了分析。如图3所示，对于悬挂于等高A、B两点间的一根电力线，以导线的最低点O点为原点建立直角坐标系，同时假定电力线固定在其所在的平面，并且该平面可随电力线一起摆动，显然这是一个平面力系。在这个坐标中，可按照力学理论的悬链线关系进行导线的局部受力分析，首先在导线上任取一点C，然后分析OC段导线的受力关系，此OC段导线受三个力而保持平衡，其中C点承受拉力与导线曲线相切，为Tx＝σxS，O点承载拉力为T0＝σ0S(σ0为导线最低点应力)与导线O点相切，导线OC段自身荷载为G＝gSLx。
从整个受力情况分析，OC段受两个拉力与一个自身重力而保持平衡。根据力学受力平衡关系，可建立导线的受力方程等价式，垂直方向：gSLx＝Tx sinα，水平方向：σ0S＝Txcosα，α为C点切线方向和水平方向的夹角。
基于上述受力分析建立的悬链线数学方程进行导线弧垂拟合，即可得到塔杆之间导线弧垂拟合。
步骤203中，生成输电线路数字高程模型DEM与输电线路数字正射影像数据DOM的具体实现手段包括：机载激光雷达系统航飞输电线路，扫描输电线路获取激光点云数据，然后对激光点云数据进行滤波处理，分类出地面点激光点云数据、植被激光点云数据以及建筑物激光点云数据，然后将地面点激光点云数据生成输电线路数字高程模型DEM，然后将正射相机在航飞过程中拍摄的输电线路正射影像图生成输电线路数字正射影像数据DOM。
其中，所述将地面点激光点云数据生成数字高程模型DEM可具体采用以下步骤实现：
H.点云剔除：去除激光点云数据中最高点云数据以及最低点云数据；
I.回波剔除：去除多次回波中的首次回波点云数据和中间次回波点云数据；
J.格网划分：根据点云数据在x、y方向的坐标范围，构建一个点云数据的最小包围核；
K.选择初始种子点：每个格网单元格中选取格网中高程最低的激光点，作为地面种子点；
L.构建初始种子点的不规则三角网：将具有分割好的激光点云和区域外包矩形的四个角点作为种子点，一起构建初始地形的不规则三角网；
M.地面点滤波：依次计算每一个点云数据，找到该点落入的三角形，计算该点到三角形构成的平面的距离及其该点到三角形三点的夹角。满足给定的高程差阈值或者角度阈值，则认为该点是地面点；
N.构建DEM:在不规则三角网的基础上进行线性内插，转换为栅格数字高程模型DEM文件。
步骤I中，多次回波指激光束发生多次反射，并使得机载激光雷达系统接收到多个反射信号即多次回波；对于多次回波，接收到的第一个回波信号被称为首次回波，接收到的最后一个回波信号被称为尾次(末次)回波，除首次和尾次回波外的中间的回波信号被顺序编号，称为中间次回波。
步骤205中，根据设置自动对电网基建建设中房屋拆迁量、植被树木砍伐量、线路隐患以及工程预算进行动态校核包括以下步骤：
A.以相邻电力杆塔为端点，连接相邻电力杆塔之间的导线构成输电线路线段，设置一个校核距离，到输电线路线段上任意一点的距离小于等于该校核距离的点所构成的区域为校核区域；
B.自动计算校核在校核区域内的房屋建筑面积、障碍物数量、以及超出电力杆塔接腿高度的植被树木的数量；
C.设置拆迁房屋建筑的单位面积赔偿价格，砍伐植被树木的单位赔偿价格；
D.自动计算出拆迁房屋建筑需要的工程预算，砍伐植被树木需要的工程预算；
E.输出校核后的房屋拆迁量、植被树木的砍伐量、障碍物数量以及工程预算。
综上所述，本发明建立了高精度三维电网数字化场景，利用所述高精度三维电网数字化场景，可以根据各种灵活的设置对电网基建建设中的房屋拆迁量、植被树木砍伐量、电网线路隐患以及工程预算进行动态校核并输出校核结果，极大地提升了工作效率。

Claims (8)

1.机载激光雷达系统，其特征在于：包括飞行设备、激光雷达以及正射相机，所述飞行设备、激光雷达以及正射相机的相对位置固定不变；
所述飞行设备用于搭载激光雷达与正射相机航飞输电线路，激光雷达在航飞过程中扫描输电线路获取激光点云数据，正射相机在航飞过程中拍摄输电线路的正射影像图。
2.根据权利要求1所述的机载激光雷达系统，其特征在于：所述激光雷达与飞行设备固定电连接，正射相机与飞行设备固电定连接。
3.根据权利要求1所述的机载激光雷达系统，其特征在于：所述激光雷达与飞行设备固定电连接，正射相机与激光雷达固定连接，正射相机与飞行设备电连接。
4.基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，应用于如权利要求1-3任意一项所述机载激光雷达系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、建立常见杆塔类型的矢量化模板模型，确定呼高、横担长度、塔高以及塔基中心参数值，再通过基于横担的挂点偏移量及绝缘子长度自动化确定绝缘子串的长度，得到三维数字化电力塔杆模型；
步骤(2)、根据三维数字化电力杆塔模型，利用最小二乘方法建立其悬链线数学方程进行导线弧垂拟合，得到塔杆之间导线弧垂拟合；
步骤(3)、机载激光雷达系统航飞输电线路，扫描输电线路获取激光点云数据，然后对激光点云数据进行滤波处理，分类出地面点激光点云数据、植被激光点云数据以及建筑物激光点云数据，然后将地面点激光点云数据生成输电线路数字高程模型DEM，然后将正射相机在航飞过程中拍摄的输电线路正射影像图生成输电线路数字正射影像数据DOM；
步骤(4)、将导线弧垂拟合后的三维数字化电力杆塔模型、输电线路数字高程模型DEM以及输电线路数字正射影像数据DOM进行场景构建，得到高精度三维电网数字化场景；
步骤(5)、在高精度三维电网数字化场景中，根据设置自动对电网基建建设中房屋拆迁量、植被树木砍伐量、线路隐患以及工程预算进行动态校核并输出校核结果。
5.根据权利要求4所述的基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述常见杆塔类型为干字型杆塔或猫头型杆塔或V型杆塔。
6.根据权利要求4所述的基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述确定呼高、横担长度、塔高以及塔基中心参数值可以通过人工制定或设计数据批量导入的方式来确定。
7.根据权利要求4所述的基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述将地面点激光点云数据生成数字高程模型DEM包括以下步骤：
A.点云剔除：去除激光点云数据中最高点云数据以及最低点云数据；
B.回波剔除：去除多次回波中的首次回波点云数据和中间次回波点云数据；
C.格网划分：根据点云数据在x、y方向的坐标范围，构建一个点云数据的最小包围核；
D.选择初始种子点：每个格网单元格中选取格网中高程最低的激光点，作为地面种子点；
E.构建初始种子点的不规则三角网：将具有分割好的激光点云和区域外包矩形的四个角点作为种子点，一起构建初始地形的不规则三角网；
F.地面点滤波：依次计算每一个点云数据，找到该点落入的三角形，计算该点到三角形构成的平面的距离及其该点到三角形三点的夹角。满足给定的高程差阈值或者角度阈值，
则认为该点是地面点；
G.构建DEM:在不规则三角网的基础上进行线性内插，转换为栅格数字高程模型DEM文件。
8.根据权利要求4所述的基于机载激光雷达系统的电网基建建设校核方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述根据设置自动对电网基建建设中房屋拆迁量、植被树木砍伐量、线路隐患以及工程预算进行动态校核包括以下步骤：
A.以相邻电力杆塔为端点，连接相邻电力杆塔之间的导线构成输电线路线段，设置一个校核距离，到输电线路线段上任意一点的距离小于等于该校核距离的点所构成的区域为校核区域；
B.自动计算校核在校核区域内的房屋建筑面积、障碍物数量、以及超出电力杆塔接腿高度的植被树木的数量；
C.设置拆迁房屋建筑的单位面积赔偿价格，砍伐植被树木的单位赔偿价格；
D.自动计算出拆迁房屋建筑需要的工程预算，砍伐植被树木需要的工程预算；
E.输出校核后的房屋拆迁量、植被树木的砍伐量、障碍物数量以及工程预算。
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