CN112308956A - 基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及倾斜摄影技术领域，更具体地，涉及一种基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，包括以下步骤：S1.通过倾斜摄影三维重建对监测区域的架空输电线路进行建模，得到输电线路三维实景模型；S2.对输电线路三维实景模型中的杆塔、导线与绝缘子进行特征提取；S3.将提取到的杆塔特征与杆塔模型库进行匹配，以及通过悬链方程对提取到的导线与绝缘子特征进行导线的拟合建模和绝缘子的套用建模，然后得到修正参数拟合模型；S4.将输电线路三维实景模型与修正参数拟合模型进行拟合，得到修正后的输电线路三维实景模型并显示。本发明能够使输电线路杆塔、导地线和附件的建模效果更佳，且能够有效减轻数据采集、处理和存储压力，提高运行效率。

Description

基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法

技术领域

本发明涉及倾斜摄影技术领域，更具体地，涉及一种基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法。

背景技术

目前对于架空输电线路的建模大多采用传统的倾斜摄影测量数据建模方案对杆塔和导线三维建模。

公开号为CN109978997A的中国专利文献，公开了一种基于倾斜影像的输电线路三维建模方法和系统，通过地形模型和杆塔模型分类处理后合成的方法实现了输电线路三维模型的建立，提高了杆塔模型的复用率，降低了飞行复杂度、测绘和建模工作量；同时，解决了多视影像倾斜影像存在的变形大、阴影和遮挡的问题，提高了匹配质量。

但由于杆塔和导线存在大量镂空结构，使得上述方案对于输电线路杆塔、导地线和附件的建模效果较差，建模后的杆塔结构不全，或是与地表物或天空背景粘连，使得模型所展示的效果图与实际架空输电线路的误差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服模型与实际架空输电线路之间误差较大的不足，提供一种基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，能够使输电线路杆塔、导地线和附件的建模效果更佳，且能够有效减轻数据采集、处理和存储压力，提高运行效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，包括以下步骤：

S1.通过倾斜摄影三维重建对监测区域的架空输电线路进行建模，得到输电线路三维实景模型；

S2.在步骤S1之后，对所述输电线路三维实景模型中的杆塔、导线与绝缘子进行特征提取；

S3.在步骤S2之后，将提取到的杆塔特征与杆塔模型库进行匹配，以及通过悬链方程对提取到的导线与绝缘子特征进行导线的拟合建模和绝缘子的套用建模，然后得到修正参数拟合模型；

S4.在步骤S3之后，将所述输电线路三维实景模型与所述修正参数拟合模型进行拟合，得到修正后的输电线路三维实景模型并显示。

本发明为一种基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，由于仅通过倾斜摄影三维重建对监测区域的架空输电线路进行建模而得到的输电线路三维实景模型，对于输电线路杆塔、导地线和附件的建模效果较差，因此通过对杆塔、导线与绝缘子进行特征提取并建立修正参数拟合模型，最后再将修正参数拟合模型与输电线路三维实景模型进行拟合，使得修正后的输电线路三维实景模型能够准确描述杆塔、导线与绝缘子，减少出现杆塔结构不全，或是与地表物或天空背景粘连的问题。

进一步地，在步骤S1中，所述输电线路三维实景模型是通过对无人机拍摄得到的影像数据依次进行影像连接点提取、影像密集匹配、区域网平差解算、空中三角测量的处理后得到。

进一步地，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11.对无人机拍摄得到的影像图通过尺度不变特征变换算法提取影像特征点；

S12.在步骤S11之后，通过拟合三维二次函数以及DOG算子得到位置数据，然后利用所述位置数据进行特征点匹配和连接，再将孤立的多张影像图对应关联起来形成带状的影像数据；

S13.在步骤S12之后，通过光束法区域网平差模型对一次飞行连续摄取或多次飞行摄取的具有一定重叠的航摄相片进行三角解算，得到输电线路的影像位置和姿态数据；

S14.在步骤S13之后，将所述影像位置和姿态数据进行渲染，得到输电线路三维实景模型。

进一步地，在步骤S2中，所述特征提取具体包括：对所述输电线路三维实景模型中的杆塔、导线与绝缘子进行分解建模，得到杆塔定义图和导线与绝缘子定义图。

进一步地，所述杆塔定义图包括用于描述内环塔的线段和用于描述外环塔的线段。

进一步地，所述导线与绝缘子定义图中的导线部分为将导线的挂线点和两侧的导线点作为整体进行建模得到。

进一步地，所述步骤S3具体包括：将所述杆塔定义图与杆塔模型库进行匹配，并通过悬链方程对所述导线与绝缘子定义图进行导线的拟合建模以及绝缘子的套用建模，然后得到修正参数拟合模型。

进一步地，在步骤S3中，所述悬链方程为：

式中，σ₀表示架空线路的水平应力，γ表示架空线路的比载，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点等高时架空线路的长度，h表示假设的架空线路的两个悬挂点的高度差，l表示假设的架空线路的两个悬挂点间的水平距离。

进一步地，在步骤S3中，当假设的架空线路的两个悬挂点等高时，得到：

式中，σ₀表示架空线路的水平应力，γ表示架空线路的比载，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点等高时架空线路的长度，h表示假设的架空线路的两个悬挂点的高度差；

令

得到悬链化简方程为：

式中，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点等高时架空线路的长度，h表示假设的架空线路的两个悬挂点的高度差，l表示假设的架空线路的两个悬挂点间的水平距离；

对所述悬链化简方程进行泰勒公式线性化：

其中，

式中，Δk表示参数k的变化量，y(k)表示x＝k时的纵坐标。

进一步地，在步骤S3中，参数k通过架空线路的斜抛物线近似方程进行求解，所述架空线路的斜抛物线近似方程为：

令

则可得：

设已知有n个精确测量的控制点(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，…，(x_i,y_i)，…，(x_n,y_n)，通过最小二乘法可得a₀的值为：

设参数k的初始值为k₀，然后可得：

将点(x_i,y_i)代入泰勒公式线性化后的悬链化简方程，得到关于参数k的变化量Δk的第j次迭代线性方程为：

式中，x_i表示第i个精确测量的控制点的横坐标，y_i表示第i个精确测量的控制点的纵坐标，k_j表示第j个精确测量的控制点的参数k值，Δk_j表示第j个精确测量的控制点的参数k的变化量；0(Δk)表示待定参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于仅通过倾斜摄影三维重建对监测区域的架空输电线路进行建模而得到的输电线路三维实景模型，对于输电线路杆塔、导地线和附件的建模效果较差，因此通过对杆塔、导线与绝缘子进行特征提取并建立修正参数拟合模型，最后再将修正参数拟合模型与输电线路三维实景模型进行拟合，使得修正后的输电线路三维实景模型能够准确描述杆塔、导线与绝缘子，减少出现杆塔结构不全，或是与地表物或天空背景粘连的问题。

附图说明

图1为本发明一种基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法的流程图。

图2为本发明输电线路三维实景模型的示意图。

图3为本发明酒杯型杆塔的杆塔定义图的示意图。

图4为本发明酒杯型杆塔的导线与绝缘子定义图的示意图。

图5为本发明悬链方程的近似示意图。

图6为本发明修正后的酒杯塔三维模型图。

图7为本发明修正后的输电线路三维实景模型应用效果图。

图示标记说明如下：

1-导线入点，2-绝缘子串，3-挂线点，4-导线出点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1至图7所示为本发明一种基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法的实施例，包括以下步骤：

S1.通过倾斜摄影三维重建对监测区域的架空输电线路进行建模，得到输电线路三维实景模型。

其中，输电线路三维实景模型是通过对无人机拍摄得到的影像数据依次进行影像连接点提取、影像密集匹配、区域网平差解算、空中三角测量的处理后得到。

具体地，步骤S1包括如下步骤：

S11.对无人机拍摄得到的影像图通过尺度不变特征变换(SIFT)算法提取影像特征点；

S12.在步骤S11之后，通过拟合三维二次函数以及DOG算子，产生较强的边缘响应以精确确定位置数据，然后利用位置数据进行特征点匹配和连接，再将孤立的多张影像图对应关联起来形成带状的影像数据；

S13.在步骤S12之后，通过光束法区域网平差模型对一次飞行连续摄取或多次飞行摄取的具有一定重叠的航摄相片进行三角解算，得到输电线路的影像位置和姿态数据；

S14.在步骤S13之后，将影像位置和姿态数据进行渲染，得到输电线路三维实景模型。

S2.在步骤S1之后，对输电线路三维实景模型中的杆塔、导线与绝缘子进行分解建模，得到杆塔定义图和导线与绝缘子定义图。

其中，杆塔定义图上包括用于描述内环塔的线段和用于描述外环塔的线段；如图3所示为以酒杯型杆塔为例的杆塔定义图，其中，黑色虚线表示内环塔的线段，黑色实线表示外环塔的线段。导线与绝缘子定义图中的导线部分为将导线的挂线点3和挂线点3两侧的导线点作为整体进行建模得到；而导线与绝缘子定义图中的绝缘子部分，由于绝缘子串2为国网规定的典型绝缘子串，因此根据绝电压等级、绝缘子长度和绝缘子片数便能够进行匹配，在建模过程中，对绝缘子串2的影响特征进行测量即可获取。如图4所示为以B相绝缘子和二分裂导线为例的导线与绝缘子定义图，其中，绝缘子串2下挂接两根导线，挂线点3表示导线与绝缘子串2连接处的点，导线入点1、导线出点4为分别位于挂线点3两侧的导线点。

S3.在步骤S2之后，将杆塔定义图与杆塔模型库进行匹配，并通过悬链方程对导线与绝缘子定义图进行导线的拟合建模以及绝缘子的套用建模，然后得到修正参数拟合模型。需要说明的是，杆塔模型库为现有的模型库。

其中，如图5所示，悬链方程为：

式中，σ₀表示架空线路的水平应力，γ表示架空线路的比载，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点AB等高时架空线路的长度，h表示表示假设的架空线路的两个悬挂点AB间的高度差，l表示假设的架空线路的两个悬挂点AB间的水平距离。

当假设的架空线路的两个悬挂点AB等高时，得到：

式中，σ₀表示架空线路的水平应力，γ表示架空线路的比载，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点AB等高时架空线路的长度，h表示假设的架空线路的两个悬挂点AB的高度差；

令

得到悬链化简方程为：

式中，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点AB等高时架空线路的长度，h表示假设的架空线路的两个悬挂点AB的高度差，l表示假设的架空线路的两个悬挂点AB间的水平距离；

对所述悬链化简方程进行泰勒公式线性化：

其中，

式中，Δk表示参数k的变化量，y(k)表示x＝k时的纵坐标。

参数k通过架空线路的斜抛物线近似方程进行求解，所述架空线路的斜抛物线近似方程为：

令

则可得：

设已知有n个精确测量的控制点(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，…，(x_i,y_i)，…，(x_n,y_n)，通过最小二乘法可得a₀的值为：

设参数k的初始值为k₀，然后可得：

将点(x_i,y_i)代入泰勒公式线性化后的悬链化简方程，可得到关于参数k的变化量Δk的第j次迭代线性方程为：

式中，x_i表示第i个精确测量的控制点的横坐标，y_i表示第i个精确测量的控制点的纵坐标，k_j表示第j个精确测量的控制点的参数k值，Δk_j表示第j个精确测量的控制点的参数k的变化量；0(Δk)表示待定参数。0(Δk)作为待定参数，通过最小二乘法原理计算得到Δk_j，再通过不断地最小二乘迭代计算得到满足精度要求的k值，从而得到满足要求的悬链方程。需要说明的是，控制点指的是架空线路的斜抛物线近似方程上对应的测量的点；精确测量的控制点指的是通过固定视角的影像进行反向测算距离，同时通过多视角影像进行对比来提高精度，以获取精确测量的控制点。

S4.在步骤S3之后，将所述输电线路三维实景模型与所述修正参数拟合模型进行拟合，主要是通过特征线段提取和自动匹配完成，得到修正后的输电线路三维实景模型并显示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.通过倾斜摄影三维重建对监测区域的架空输电线路进行建模，得到输电线路三维实景模型；

S2.在步骤S1之后，对所述输电线路三维实景模型中的杆塔、导线与绝缘子进行特征提取；

S3.在步骤S2之后，将提取到的杆塔特征与杆塔模型库进行匹配，以及通过悬链方程对提取到的导线与绝缘子特征进行导线的拟合建模和绝缘子的套用建模，然后得到修正参数拟合模型；

S4.在步骤S3之后，将所述输电线路三维实景模型与所述修正参数拟合模型进行拟合，得到修正后的输电线路三维实景模型并显示。

2.根据权利要求1所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，在步骤S1中，所述输电线路三维实景模型是通过对无人机拍摄得到的影像数据依次进行影像连接点提取、影像密集匹配、区域网平差解算、空中三角测量的处理后得到。

3.根据权利要求2所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11.对无人机拍摄得到的影像图通过尺度不变特征变换算法提取影像特征点；

S12.在步骤S11之后，通过拟合三维二次函数以及DOG算子得到位置数据，然后利用所述位置数据进行特征点匹配和连接，再将孤立的多张影像图对应关联起来形成带状的影像数据；

S13.在步骤S12之后，通过光束法区域网平差模型对一次飞行连续摄取或多次飞行摄取的具有一定重叠的航摄相片进行三角解算，得到输电线路的影像位置和姿态数据；

S14.在步骤S13之后，将所述影像位置和姿态数据进行渲染，得到输电线路三维实景模型。

4.根据权利要求1所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，在步骤S2中，所述特征提取具体包括：对所述输电线路三维实景模型中的杆塔、导线与绝缘子进行分解建模，得到杆塔定义图和导线与绝缘子定义图。

5.根据权利要求4所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，所述杆塔定义图包括内环塔线段和外环塔线段。

6.根据权利要求4所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，所述导线与绝缘子定义图中的导线部分为将导线的挂线点和两侧的导线点作为整体进行建模得到。

7.根据权利要求1所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：将所述杆塔定义图与杆塔模型库进行匹配，并通过悬链方程对所述导线与绝缘子定义图进行导线的拟合建模以及绝缘子的套用建模，然后得到修正参数拟合模型。

8.根据权利要求1所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，在步骤S3中，所述悬链方程为：

式中，σ₀表示架空线路的水平应力，γ表示架空线路的比载，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点等高时架空线路的长度，h表示假设的架空线路的两个悬挂点的高度差，l表示假设的架空线路的两个悬挂点间的水平距离。

9.根据权利要求8所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，在步骤S3中，当假设的架空线路的两个悬挂点等高时，得到：

式中，σ₀表示架空线路的水平应力，γ表示架空线路的比载，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点等高时架空线路的长度，h表示假设的架空线路的两个悬挂点的高度差；

令

得到悬链化简方程为：

式中，L_h＝0表示假设的架空线路的两个悬挂点等高时架空线路的长度，h表示假设的架空线路的两个悬挂点的高度差，l表示假设的架空线路的两个悬挂点间的水平距离；

对所述悬链化简方程进行泰勒公式线性化：

其中，

式中，Δk表示参数k的变化量，y(k)表示x＝k时的纵坐标。

10.根据权利要求9所述的基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模方法，其特征在于，在步骤S3中，参数k通过架空线路的斜抛物线近似方程进行求解，所述架空线路的斜抛物线近似方程为：

令

则可得：

设已知有n个精确测量的控制点(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，…，(x_i,y_i)，…，(x_n,y_n)，通过最小二乘法可得a₀的值为：

设参数k的初始值为k₀，然后可得：

将点(x_i,y_i)代入泰勒公式线性化后的悬链化简方程，得到关于参数k的变化量Δk的第j次迭代线性方程为：

式中，x_i表示第i个精确测量的控制点的横坐标，y_i表示第i个精确测量的控制点的纵坐标，k_j表示第j个精确测量的控制点的参数k值，Δk_j表示第j个精确测量的控制点的参数k的变化量；0(Δk)表示待定参数。

Images