CN112381944A - 一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4d观测方法 - Google Patents

一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4d观测方法 Download PDF

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CN112381944A CN202011292061.1A CN202011292061A CN112381944A CN 112381944 A CN112381944 A CN 112381944A CN 202011292061 A CN202011292061 A CN 202011292061A CN 112381944 A CN112381944 A CN 112381944A
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Abstract

本发明涉及一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，该方法包括如下步骤：S1、采集输电线路杆塔在时间维度上的三维点云数据；S2、选取输电线路杆塔上的用于点云配准的配准区域；S3、将配准区域点云作为公共特征点，对不同时间点采集的三维点云数据进行配准；S4、对配准后的三维点云数据进行全域比对，获取不同时间点下三维点云数据的三维偏移向量，所述的三维偏移向量表征不同时间点下输电线路杆塔的形变；S5、将不同时间点下三维点云数据的三维偏移向量采用色彩误差图展示，实现输电线路杆塔形变4D观测。与现有技术相比，本发明实现了输电线路杆塔形变的有效观测，观测效果好。

Description

一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法
技术领域
本发明涉及一种输电线路杆塔形变观测方法，尤其是涉及一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法。
背景技术
近年来，随着电网建设的不断加强，输电线路杆塔得到了前所未有的发展，在电网建设中，架空输电线路的杆塔结构作为架空高压输电线路重要组成部分，其几何结构的状况好坏直接影响输电线路的可靠性。输电线路杆塔分布广袤，地质条件复杂，受各类地质、气候灾害影响较大，例如冬季常见的冰灾会导致严重的倒塔事故，给整个电网带来极大的损失。传统的输电线路杆塔变形观测以几何水准线或光学几何观测为主，对输电线路杆塔的变形数据采集直观性不强，难以描述整体的三维变化信息。传统监测方法是定期的单点观测，对多期观测的输电线路杆塔倾斜数据进行对比分析，完成对输电线路杆塔安全性的确定，但是此种方法采样点数量十分有限，通过采样点计算的数据为二维度量数据，难以描述三维空间的形变。三维激光扫描技术凭借其独特的数据获取方式，方便、快速、全面地获取输电线路杆塔的三维数据，精度均匀、密度高，可以很明显地反映出几何结构的变化，便于整体从形态上分析和评价变形，是一种全新的三维测量方式，将这样的三维整体比对称之为三维全域比对。通过采集不同时间点下同一被测物数据，并将其配准后对比，寻找几何形态的变化量，这样的观测在三维测量上增加了时间的维度，即为4D测量，在输电线路杆塔变形监测方面具有广阔的应用前景，如何基于三维点云数据获取输电线路杆塔几何形态的变化并进行展示成为本领域研究的重点，也是本发明解决的主要技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，该方法包括如下步骤：
S1、采集输电线路杆塔在时间维度上的三维点云数据；
S2、选取输电线路杆塔上的用于点云配准的配准区域；
S3、将配准区域点云作为公共特征点，对不同时间点采集的三维点云数据进行配准；
S4、对配准后的三维点云数据进行全域比对，获取不同时间点下三维点云数据的三维偏移向量，所述的三维偏移向量表征不同时间点下输电线路杆塔的形变；
S5、将不同时间点下三维点云数据的三维偏移向量采用色彩误差图展示，实现输电线路杆塔形变4D观测。
优选地，步骤S2中选取输电线路杆塔的塔身本体根部主材作为配准区域。
优选地，步骤S3中配准前包括对配准区域的形变量测量，若配准区域的形变量小于设定阈值则进行配准，否则停止配准。
优选地，步骤S4中进行全域比对是将两个时间点下配准后的三维点云数据两两进行比对，包括前序时间三维点云数据和后序时间三维点云数据。
优选地，步骤S4进行全域比对获取三维偏移量的具体方式为：
S41、将三维点云数据的三维空间划分为若干子空间；
S42、以子空间内的点云作为观测单位，分别计算该子空间内前序时间三维点云数据与后序时间三维点云数据的质心点，然后以两个质心点作为三维偏移向量的端点，由前序时间三维点云数据的质心点指向后序时间三维点云数据的质心点作为三维偏移向量的方向，从而得到三维偏移向量；
S43、依次对所有子空间执行S42完成全域比对。
优选地，步骤S41具体为：
S41a、提取输电线路杆塔本体点云，利用本体点云的三维空间坐标信息求出三维点云数据的边界值，确定初始点云分布空间M0；
S41b、沿Z轴将输电线路杆塔的三维空间分层，每一层厚度为Δd，将XY平面划分为m×m大小的正方形，进而M0被划分为a×b×c个子空间，子空间记作Mi,j,k，i＝1，2，……，a，j＝1，2，……，b，k＝1，2，……，c，每个子空间的大小为m×m×Δd。
优选地，步骤S42具体为：
S42a、对于任意一个子空间Mi,j,k，采用下式计算该子空间中前序时间三维点云数据的质心点为Oi,j,k(xoi,j,k，yoi,j,k，zoi,j,k)，以及后序时间三维点云数据的质心点为O′i,j,k(x′oi,j,k，y′oi,j,k，z′oi,j,k)：
Figure BDA0002784069710000031
Figure BDA0002784069710000032
其中，ni,j,k、n′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中点的个数，∑xi,j,k、∑x′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点X轴坐标之和，∑yi,j,k、∑y′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点Y轴坐标之和，∑zi,j,k、∑z′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点Z轴坐标之和；
S42b、根据下式求取在子空间Mi,j,k中对应的前序时间三维点云数据和后序时间三维点云数据的三维偏移向量
Figure BDA0002784069710000033
Figure BDA0002784069710000034
优选地，步骤S5具体为：首先，前序时间点云的颜色RGB值设定为(200，200，200)，然后将每个子空间的三维偏移向量与颜色对应，最后将相应颜色赋予对应子空间内的每一后序时间三维点云，形成色彩误差图。
优选地，三维偏移向量的颜色采用RGB颜色值进行编码。
优选地，任意一个三维偏移向量
Figure BDA0002784069710000041
的三维偏移向量对应的颜色编码为(Ri,j,k,Gi,j,k,Bi,j,k)，具体编码方式为：
当
Figure BDA0002784069710000042
时：
Ri,j,k＝200
Gi,j,k＝200
Bi,j,k＝200
当
Figure BDA0002784069710000043
时：
Figure BDA0002784069710000048
Gi,j,k＝255
Bi,j,k＝0
当
Figure BDA0002784069710000044
时：
Ri,j,k＝255
Figure BDA0002784069710000045
Bi,j,k＝0
当
Figure BDA0002784069710000046
时：
Ri,j,k＝255
Gi,j,k＝0
Bi,j,k＝0
其中，下标i,j,k为子空间的编号，Ri,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应R通道的颜色编码，Gi,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应G通道的颜色编码，Bi,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应B通道的颜色编码，
Figure BDA0002784069710000047
表示向上取整。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)现有的三维几何形态比对一般需要标准模型作为比对参照物，而运行中的输电线路杆塔不可能存在标准模型，本发明通过人工判断选择可靠配准区域，采用“局部配准、整体比对”的策略，无需标准模型即可对不同时间下的同一被观测输电线路杆塔开展三维全域比对，从而使得对大尺寸的输电线路杆塔几何形态演变的观测成为可能。
(2)本发明采用子空间划分法实现几何形态变化的定量分析，实现了在三维空间下的全域比对，解决了传统测量只能通过长度、角度等二维特征量来描述三维空间的问题，通过“局部配准、整体比对“创新地实现了时间维度与三维全域测量的结合，实现了基于点云数据的输电线路杆塔几何形态4D观测。
附图说明
图1为本发明基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法的流程框图；
图2为输电线路杆塔配准区域选择示意图；
图3为选取配准区域的流程框图；
图4为利用子空间划分法将输电线路杆塔三维空间划分为子空间示意图；
图5为配准后的三维点云数据进行全域比对的流程框图；
图6为形成三维偏移向量的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，该方法包括如下步骤：
S1、利用机载激光雷达采集输电线路杆塔在时间维度上的三维点云数据；
S2、选取输电线路杆塔上的用于点云配准的配准区域；
S3、将配准区域点云作为公共特征点，对不同时间点采集的三维点云数据进行配准；
S4、对配准后的三维点云数据进行全域比对，获取不同时间点下三维点云数据的三维偏移向量，三维偏移向量表征不同时间点下输电线路杆塔的形变；
S5、将不同时间点下三维点云数据的三维偏移向量采用色彩误差图展示，实现输电线路杆塔形变4D观测。
步骤S1中，观测对象的点云数据指输电线路杆塔本体的三维空间点云数据；4D观测概念的核心是同一三维空间在不同时间的比对，因此用于比对的基础数据应包含至少一个前序时间三维点云数据和一个后序时间三维点云数据。。
步骤S2具体为：根据输电线路杆塔的材料材质、几何结构、所处环境、受力情况等多因素综合判断，选择配准区域：
a)输电线路杆塔由等边角钢或组合角钢组成；
b)各种塔型均属空间桁架结构，杆件间连接采用粗制螺栓，靠螺栓受剪力连接，整个塔由角钢、连接钢板和螺栓组成，个别部件如塔脚等由几块钢板焊接成一个组合件；
c)输电线路杆塔分布广泛，所处地质环境多样性极高；
d)主要受自身重力、输电线路拉力等影响。
受到输电线路杆塔分布所限制，其点云的采集一般依靠机载激光雷达或大场景激光雷达远距离采集，因此一般无法获取杆塔混凝土基座点云。杆塔结构简单，其本体最佳配准部位应为塔身本体根部主材，这一区域作为最基础的支撑材料坚固，不易发生形变。运行经验表明，输电线路杆塔形变较大部位位于杆塔上部牵拉结构，因此选择输电线路杆塔塔身本体根部主材作为配准区域，如图2所示。需要说明的是：配准区域重叠率应尽量高，即前序时间点云与后序时间点云数据中分别选择同一区域的点云，所选择的区域重叠率最好能达到90％以上，以提高配准精度。
步骤S3中配准前包括对配准区域的形变量测量，若配准区域的形变量小于设定阈值则进行配准，否则停止配准。具体地，如图3所示：
测量前、后序点云中杆塔根部主材倾斜角，记前、后序点云中同一主材倾斜角分别为θ与θ′。
当前、后序点云中主材倾斜角的变化量小于配准系数时，该主材可作为配准区域，进行配准：
|θi-θ′i|＜δ
杆塔一般有四根主材，式中i取1、2、3、4，δ一般应在1～5度之间，根据杆塔实际情况选择，配准要求至少应有三根主材作为配准区域。
步骤S4中进行全域比对是将两个时间点下配准后的三维点云数据两两进行比对，包括前序时间三维点云数据和后序时间三维点云数据。
步骤S4进行全域比对获取三维偏移量的具体方式为：
S41、将三维点云数据的三维空间划分为若干子空间；
S42、以子空间内的点云作为观测单位，分别计算该子空间内前序时间三维点云数据与后序时间三维点云数据的质心点，然后以两个质心点作为三维偏移向量的端点，由前序时间三维点云数据的质心点指向后序时间三维点云数据的质心点作为三维偏移向量的方向，从而得到三维偏移向量；
S43、依次对所有子空间执行S42完成全域比对。
步骤S41具体为：
S41a、提取输电线路杆塔本体点云，利用本体点云的三维空间坐标信息求出三维点云数据的边界值，确定初始点云分布空间M0，如下所示：
Figure BDA0002784069710000071
其中，xmin、xmax、ymin、ymax、zmin、zmax分别为初始点云分布空间M0在X、Y、Z轴方向的边界值，下标min表示最小值，下标max表示最大值；
S41b、沿Z轴将输电线路杆塔的三维空间分层，每一层厚度为Δd，将XY平面划分为m×m大小的正方形，进而M0被划分为a×b×c个子空间，子空间记作Mi,j,k，i＝1，2，……，a，j＝1，2，……，b，k＝1，2，……，c，每个子空间的大小为m×m×Δd，其中a、b、c、m、Δd的取值如下：
Figure BDA0002784069710000072
其中k为细分系数，可取5～50的正整数，对于输电线路杆塔，本实施例中取50；
Figure BDA0002784069710000073
其中，H为输电线路杆塔高度；
Figure BDA0002784069710000074
Figure BDA0002784069710000075
Figure BDA0002784069710000076
通过上述方法将输电线路杆塔三维空间划分为子空间示意图如图4所示。
如图5所示，步骤S42具体为：
S42a、对于任意一个子空间Mi,j,k，采用下式计算该子空间中前序时间三维点云数据的质心点为Oi,j,k(xoi,j,k，yoi,j,k，zoi,j,k)，以及后序时间三维点云数据的质心点为O′i,j,k(x′oi,j,k，y′oi,j,k，z′oi,j,k)：
Figure BDA0002784069710000084
Figure BDA0002784069710000081
其中，ni,j,k、n′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中点的个数，∑xi,j,k、∑x′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点X轴坐标之和，∑yi,j,k、∑y′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点Y轴坐标之和，∑zi,j,k、∑z′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点Z轴坐标之和；
S42b、根据下式求取在子空间Mi,j,k中对应的前序时间三维点云数据和后序时间三维点云数据的三维偏移向量
Figure BDA0002784069710000082
Figure BDA0002784069710000083
上述过程可用图6所示的示意图来表示，图中1为任意一个子空间，3为该子空间中的前序时间三维点云数据中的点云簇，4为该子空间中的后序时间三维点云数据中的点云簇，5为前序时间点云簇的质心点，6为后序时间点云簇的质心点，进而形成图中2所示的三维偏移向量。本发明三维偏移量的测量是采用类似微积分的概念，将整体的三维空间按一定方式微分为一个个小空间，然后在这一个个小空间内，分别计算前序、后序点云的质心坐标，得到的两个质心坐标的偏差，就认为是该小空间内被观测物体结构的位移向量。微分后的小空间数量大，虽然得到了测量结果但是无法展示，因此发明了一种将测量结果图形化的方式来展现整体空间的位移，体现为上述步骤S5。
步骤S5具体为：首先，前序时间点云的颜色RGB值设定为(200，200，200)，然后将每个子空间的三维偏移向量与颜色对应，最后将相应颜色赋予对应子空间内的每一后序时间三维点云，形成色彩误差图。
三维偏移向量的颜色采用RGB颜色值进行编码。
任意一个三维偏移向量
Figure BDA0002784069710000091
的三维偏移向量对应的颜色编码为(Ri,j,k,Gi,j,k,Bi,j,k)，具体编码方式为：
当
Figure BDA0002784069710000092
时：
Ri,j,k＝200
Gi,j,k＝200
Bi,j,k＝200
当
Figure BDA0002784069710000093
时：
Figure BDA0002784069710000094
Gi,j,k＝255
Bi,j,k＝0
当
Figure BDA0002784069710000095
时：
Ri,j,k＝255
Figure BDA0002784069710000096
Bi,j,k＝0
当
Figure BDA0002784069710000097
时：
Ri,j,k＝255
Gi,j,k＝0
Bi,j,k＝0
其中，下标i,j,k为子空间的编号，Ri,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应R通道的颜色编码，Gi,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应G通道的颜色编码，Bi,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应B通道的颜色编码，
Figure BDA0002784069710000098
表示向上取整。此处，三维偏移向量的颜色采用RGB颜色值进行编码的含义为：偏移量小于1mm时，后序时间点云的颜色为默认颜色，偏移量极小，认为没有偏移。当偏移量达到1mm时，开始赋色，随着偏移量的增加，颜色逐渐由纯绿色(0，255，0)过度到纯红色(255，0，0)，其中20mm为中间值，颜色为黄色(255，255，0)。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、采集输电线路杆塔在时间维度上的三维点云数据；
S2、选取输电线路杆塔上的用于点云配准的配准区域；
S3、将配准区域点云作为公共特征点，对不同时间点采集的三维点云数据进行配准；
S4、对配准后的三维点云数据进行全域比对，获取不同时间点下三维点云数据的三维偏移向量，所述的三维偏移向量表征不同时间点下输电线路杆塔的形变；
S5、将不同时间点下三维点云数据的三维偏移向量采用色彩误差图展示，实现输电线路杆塔形变4D观测。
2.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，步骤S2中选取输电线路杆塔的塔身本体根部主材作为配准区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，步骤S3中配准前包括对配准区域的形变量测量，若配准区域的形变量小于设定阈值则进行配准，否则停止配准。
4.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，步骤S4中进行全域比对是将两个时间点下配准后的三维点云数据两两进行比对，包括前序时间三维点云数据和后序时间三维点云数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，步骤S4进行全域比对获取三维偏移量的具体方式为：
S41、将三维点云数据的三维空间划分为若干子空间；
S42、以子空间内的点云作为观测单位，分别计算该子空间内前序时间三维点云数据与后序时间三维点云数据的质心点，然后以两个质心点作为三维偏移向量的端点，由前序时间三维点云数据的质心点指向后序时间三维点云数据的质心点作为三维偏移向量的方向，从而得到三维偏移向量；
S43、依次对所有子空间执行S42完成全域比对。
6.根据权利要求5所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，步骤S41具体为：
S41a、提取输电线路杆塔本体点云，利用本体点云的三维空间坐标信息求出三维点云数据的边界值，确定初始点云分布空间M0；
S41b、沿Z轴将输电线路杆塔的三维空间分层，每一层厚度为Δd，将XY平面划分为m×m大小的正方形，进而M0被划分为a×b×c个子空间，子空间记作Mi,j,k，i＝1，2，……，a，j＝1，2，……，b，k＝1，2，……，c，每个子空间的大小为m×m×Δd。
7.根据权利要求6所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，步骤S42具体为：
S42a、对于任意一个子空间Mi,j,k，采用下式计算该子空间中前序时间三维点云数据的质心点为Oi,j,k(xoi,j,k，yoi,j,k，zoi,j,k)，以及后序时间三维点云数据的质心点为O′i,j,k(x′oi,j,k，y′oi,j,k，z′oi,j,k)：
Figure FDA0002784069700000021
其中，ni,j,k、n′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中点的个数，∑xi,j,k、∑x′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点X轴坐标之和，∑yi,j,k、∑y′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点Y轴坐标之和，∑zi,j,k、∑z′i,j,k分别对应为子空间Mi,j,k中前序时间三维点云数据以及后序时间三维点云数据中各点Z轴坐标之和；
S42b、根据下式求取在子空间Mi,j,k中对应的前序时间三维点云数据和后序时间三维点云数据的三维偏移向量
Figure FDA0002784069700000031
Figure FDA0002784069700000032
8.根据权利要求5所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，步骤S5具体为：首先，前序时间点云的颜色RGB值设定为(200，200，200)，然后将每个子空间的三维偏移向量与颜色对应，最后将相应颜色赋予对应子空间内的每一后序时间三维点云，形成色彩误差图。
9.根据权利要求8所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，三维偏移向量的颜色采用RGB颜色值进行编码。
10.根据权利要求9所述的一种基于点云数据的输电线路杆塔形变4D观测方法，其特征在于，任意一个三维偏移向量
Figure FDA0002784069700000033
的三维偏移向量对应的颜色编码为(Ri,j,k,Gi,j,k,Bi,j,k)，具体编码方式为：
当
Figure FDA0002784069700000034
时：
Ri,j,k＝200
Gi,j,k＝200
Bi,j,k＝200
当
Figure FDA0002784069700000035
时：
Figure FDA0002784069700000036
Gi,j,k＝255
Bi,j,k＝0
当
Figure FDA0002784069700000037
时：
Ri,j,k＝255
Figure FDA0002784069700000038
Bi,j,k＝0
当
Figure FDA0002784069700000039
时：
Ri,j,k＝255
Gi,j,k＝0
Bi,j,k＝0
其中，下标i,j,k为子空间的编号，Ri,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应R通道的颜色编码，Gi,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应G通道的颜色编码，Bi,j,k为i,j,k子空间的三维偏移向量对应B通道的颜色编码，
Figure FDA0002784069700000041
表示向上取整。
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