CN112836352B - 一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，它包括采集电网设备建模标准、规范、模型样例及电网输电线路通用典型设计；建立输电线路三维设计GIM模型；检验生成的输电线路三维设计GIM模型，检验合格后存入标准模型库；利用激光雷达技术采集输电线路激光点云数据，建立输电线路激光点云模型；基于特征点对输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行差异化对比；融合输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型，得到融合三维设计和激光点云的输电线路模型；解决了现有技术不能真实的反映输电线路设备属性信息，实际运维过程中需查询大量原始设计资料，不能及时有效的指导运维单位对输电线路进行运维等技术问题。

Description

一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法

技术领域

本发明属于输电线路模型生成技术，尤其涉及一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法。

背景技术

三维激光扫描已在许多重大工程和典型领域里得到了广泛的应用，在高压输电线路运维领域，由于区域地理环境复杂，传统的人工巡检手段难以适应；机载三维激光扫描可以直接获取电力线及其附属设备的几何形态参数，为电力巡检提供了新的手段；现有技术中运维单位已经建立了完整的架空输电线路激光雷达扫描体系，掌握了大量电网工程的激光雷达数据，通过激光点云数据自动快速搭建架空输电线路三维模型，能够大幅提高输电线路三维可视化建模速度；但通过激光点云所建的输电线路三维模型存在的问题是对工程各类信息掌握不够全面，不能真实的反映输电线路设备属性信息，实际运维过程中需查询大量原始设计资料，不能及时有效的指导运维单位对输电线路进行运维。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，以解决现有技术中采用激光点云构建输电线路三维模型对输电线路运维进行指导存在的：对工程各类信息掌握不够全面，不能真实的反映输电线路设备属性信息，实际运维过程中需查询大量原始设计资料，不能及时有效的指导运维单位对输电线路进行运维等技术问题。

本发明技术方案：

一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，它包括：

步骤1、采集电网设备建模标准、规范、模型样例及电网输电线路通用典型设计；

步骤2、根据采集的电网设备建模标准、规范、模型样例及电网输电线路通用典型设计建立输电线路杆塔、基础、导地线、绝缘子、金具及附属设施GIM模型，得到输电线路三维设计GIM模型；

步骤3、根据《输变电工程三维设计建模规范》检验生成的输电线路三维设计GIM模型，检验合格后存入标准模型库；

步骤4、利用激光雷达技术采集输电线路激光点云数据，建立输电线路激光点云模型；

步骤5、基于特征点对输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行差异化对比，若判断结果无差异，则将输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行融合；若判断结果有差异，则先查出差异部分，并查找施工图图纸及施工现场资料，找出差异原因并修改相应模型；

步骤6、融合输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型，得到融合三维设计和激光点云的输电线路模型。

步骤3所述检验生成的输电线路三维设计GIM模型的方法包括：

步骤3.1、检验模型建立方法是否符合建模规范的要求；

步骤3.2、检验模型属性信息是否符合建模规范模型参数信息表的要求；

步骤3.3、步骤3.1和步骤3.2均满足要求，则检验合格。

步骤4所述利用激光雷达技术采集输电线路激光点云数据，建立输电线路激光点云模型的方法包括：

步骤4.1、根据输电线路的特点，制定无人机飞行技术路线，通过激光雷达对输电线路进行数据采集；

步骤4.2、待数据采集完成后，通过GNSS定位的位置信息和IMS采集的姿态信息解算出点云数据；通过点云数据建立输电线路激光点云模型。

步骤5所述基于特征点对输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行差异化对比，若判断结果无差异，则将输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行融合；若判断结果有差异，则先查出差异部分，并查找施工图图纸及施工现场资料，找出差异原因并修改相应模型的方法，包括：

步骤5.1特征范围定义，针对输电线路的结构及设备特点，根据现有输电设备及基础的三维模型和二维设计资料进行逆向建模所获取的GIM模型以及航飞采集的激光点云生成模型，提取塔型、挂点、基础特征、金具及绝缘子串和导地线特征；

S5.2基于球面投影的几何外形特征提取对三维模型进行球面投影，将模型的形状信息映射至相应的球面图像；利用球面SIFT特征提取算法对球面图像进行局部显著特征的提取，进而用作原三维模型的外形表征；提取得到基于输电线路三维设计GIM模型的输电线路几何外形；

步骤5.3、基于关键点检测的空间位置特征提取得到激光点云模型的输电线路空间位置的特征信息；

步骤5.4将点云数据与标准模型库或设计图纸生成的GIM进行比较，若点云数据与标准模型库或辅助类资料模型数据的差异满足数据检验要求，则说明数据符合标准，基于该点云融合GIM模型；若点云数据与标准模型库模型、设计或GIM资料模型数据的差异不满足要求，则说明数据不符合要求，采用地面激光雷达进行进一步的点云数据采集。

步骤5.1所述特征范围定义的具体方法包括：

步骤5.1.1、从塔型方面提取输电塔特征，提取输线路几何外形特征进行输电线路几何外形的匹配对比，输电塔按照杆塔外形分为猫头塔、酒杯塔、干字型塔、T型塔、羊角塔或鼓型塔，绝缘子串按外形分为I型串、V型串或U型串，绝缘子按材质为陶瓷、玻璃或复合材料；

步骤5.1.2、从挂点、基础特征方面提取输电塔特征，进行输电塔空间位置信息的校核对比，包括挂点坐标、输电塔中心坐标、塔脚坐标和输电塔架设方向。

S5.2所述基于球面投影的几何外形特征提取的方法包括：

步骤5.2.1、对于给定的球面图像构建相应的尺度空间：

式中，

表示卷积操作；S(k,x,y)为球面图像上当前处于(k,x,y)位置的球面像素的面积；G(d,σ)为高斯核函数，σ表示尺度参数，d表示当前的球面像素与位于其3σ-邻域内的其它球面像素之间的距离；

步骤5.2.2、在尺度空间中进行球面图像关键点的检测，设p为球面DoG图像上的一个球面像素，v为p的像素取值，ν∈R^n×1同时为球面像素的维度数量，对于p与周围相邻的t个球面像素，提取像素值，组成矩阵NEP＝[nep₁ nep₂…nep_tv]，nep∈R^n×1同时NEP∈R^n×1，如果p在某一像素维度i上的像素值分量ν(i)为同一维度上周边像素值分量的极大值或极小值，即满足如下条件：

v(i)＝max{NEP(i，：)}

或者v(i)＝min{NEP(i，：)}

则p被认为是一个关键点，此时p的位置坐标以及取得极值的像素值分量所对应的尺度和维度都将予以记录；

步骤5.2.3、提取局部特征，构建局部特征描述子；在完成对球面图像关键点的检测之后，围绕每一个关键点提取其邻域特征并构建相应的特征描述子。

步骤5.3所述基于关键点检测的空间位置特征提取得到激光点云模型的输电线路空间位置的特征信息的方法为:通过输电工程关键点识别定位方法，实现挂点、杆塔塔脚与杆塔基础的连接点、杆塔中心点的坐标定位，获取准确的三维坐标，并通过分析空间关系获取输电塔的整体空间位置及架设方向。

步骤5.4所述将点云数据与标准模型库或设计图纸生成的GIM进行比较，若点云数据与标准模型库或辅助类资料模型数据的差异满足数据检验要求的方法包括：

步骤5.4.1、基于所提取的表征输电线路几何外形的特征信息及表征输电线路空间位置的特征信息对GIM模型与处理后的点云数据进行差异化对比，判断设计阶段的GIM模型与竣工后的实际点云之间是否存在差异，对比内容包括杆塔坐标、档距、导地线参数及相同工况下的弧垂、金具及绝缘子串的材质、尺寸和形式；

步骤5.4.2、根据步骤5.4.1，若判断结果无差异，则将输电线路三维设计GIM模型与航飞激光点云进行融合；若判断结果有差异，先查出差异部分，并查找施工图图纸及施工现场资料，找出差异原因并修改相应模型并回到步骤5.1。

步骤6所述融合输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型，得到融合三维设计和激光点云的输电线路模型的方法为：根据步骤5满足融合的模型数据，检查提取的特征点，保证特征点经比较后欧氏距离为0；利用建模软件将两种模型根据每个特征点对应的几何特征信息进行融合；生成融合三维设计和激光点云的输电线路模型，添加并匹配生产运维的物料编码，并填入生产厂家和竣工投运时间。

本发明的有益效果：

本发明以输电线路三维设计GIM模型及竣工后采集的激光点云数据为依托，比较两个模型的差异，根据设计及施工资料修正融合两个模型，本发明采用激光雷达全线扫描，形成激光点云模型，与GIM模型融合生成新的既能反映输电线路运维场景，又能真实的反映输电线路设备属性信息的模型，方能更加方便有效的对输电线路运行维护；

解决了激光点云模型不能真实反映输电线路设备属性，三维设计GIM模型不能真实还原运维场景的问题，从而使得三维数字化设计模型数据与生产域贯通，提升了三维数字化设计模型的信息承载能力和对生产运维的实用价值，真正实现了工程项目全寿命周期的数据管理。

解决了现有技术中采用激光点云构建输电线路三维模型对输电线路运维进行指导存在的：对工程各类信息掌握不够全面，不能真实的反映输电线路设备属性信息，实际运维过程中需查询大量原始设计资料，不能及时有效的指导运维单位对输电线路进行运维等技术问题。

具体实施方式：

包括步骤如下

S1.收集国家电网或南方电网设备建模相关标准、规范、模型样例及国家电网或南方电网输电线路通用典型设计；

S2.根据上述标准及输电线路通用典型设计建立输电线路杆塔、基础、导地线、绝缘子、金具、附属设施GIM模型；

S3.根据《输变电工程三维设计建模规范》检验生成的GIM模型，检验合格后存入标准模型库；

检验GIM模型又包含如下步骤：

S3.1检验模型建立方法是否符合建模规范的要求

S3.2检验模型属性信息是否符合建模规范模型参数信息表的要求

S4.利用激光雷达技术采集输电线路激光点云数据，建立输电线路激光点云模型；

本步骤又分为以下部分：

S4.1根据输电线路的特点，制定相应的飞行技术路线，为保证对飞行数据的采集能够满足要求，需对无人机或载人机在数据采集时的飞行高度、速度及扫描视场角进行相应的要求及调整。

S4.2待数据采集完成后，通过GNSS(全球导航卫星系统)定位的位置信息和IMS(惯性导航系统)采集的姿态信息，解算出点云数据。

S5基于特征点对输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行差异化对比。本步骤又分为以下部分：

S5.1特征范围定义。针对输电线路的结构及设备特点，从对由根据现有输电设备及基础的三维模型、二维设计资料进行逆向建模所获取的GIM模型以及航飞采集的激光点云生成模型，提取塔型、挂点、基础特征、金具及绝缘子串、导地线等多个方面的特征。

S5.1.1从塔型方面提取输电塔特征。提取输线路几何外形特征，进行输电线路几何外形的匹配对比，输电塔按照杆塔外形可以分为猫头塔、酒杯塔、干字型塔、T型塔、羊角塔、鼓型塔等多种类型，绝缘子串按外形可以分为I型串、V型串、U型串等，绝缘子按材质可分为陶瓷、玻璃、复合等几种。

S5.1.2从挂点、基础特征方面提取输电塔特征。进行输电塔空间位置信息的校核对比，包括挂点坐标、输电塔中心坐标、塔脚坐标、输电塔架设方向等。

S5.2研究基于球面投影的几何外形特征提取方法。通过研究模仿复眼视觉的观察机理，对三维模型进行球面投影，将模型的形状信息映射至相应的球面图像；在此基础上，利用球面SIFT特征提取算法对球面图像进行一系列局部显著特征的提取，进而用作原三维模型的外形表征。与应用于平面图像的SIFT算法相似，球面SIFT算法同样也是基于多尺度空间进行球面图像的局部特征提取。提取得到基于输电线路三维设计GIM模型的输电线路几何外形。

S5.2.1对于给定的球面图像构建相应的尺度空间。

式中，

表示卷积操作；S(k,x,y)为球面图像上当前处于(k,x,y)位置的球面像素的面积；G(d,σ)为高斯核函数，其中σ表示尺度参数，d表示当前的球面像素与位于其3σ-邻域内的其它球面像素之间的距离。

S5.2.2在尺度空间中进行球面图像关键点的检测。设p为球面DoG图像上的一个球面像素，v为p的像素取值，ν∈R^n×1同时为球面像素的维度数量。对于p与其周围相邻的t个球面像素(来自3个不同尺度：p自身所在尺度以及上下两个相邻尺度)，提取其像素值，组成矩阵NEP＝[nep₁ nep₂…nep_tv]，nep∈R^n×1同时NEP∈R^n×1。如果p在某一像素维度i上的像素值分量ν(i)为其同一维度上周边像素值分量的极大值或极小值，即满足如下条件：

v(i)＝max{NEP(i，：)}

或者v(i)＝max{NEP(i，：)}

则p被认为是一个关键点，此时，p的位置坐标，以及其取得极值的像素值分量所对应的尺度和维度都将予以记录。

S5.2.3提取局部特征，构建局部特征描述子。在完成对球面图像关键点的检测之后，围绕每一个关键点(即球面图像的局部特征点)，提取其邻域特征并构建相应的特征描述子。

S5.3研究基于关键点检测的空间位置特征提取方法，得到航飞激光点云模型的输电线路空间位置的特征信息。

通过研究输电工程关键点识别定位方法，实现挂点、杆塔塔脚与杆塔基础的连接点、杆塔中心点等的坐标定位，获取其准确的三维坐标，并通过分析其空间关系，获取输电塔的整体空间位置及架设方向。

S5.4将点云数据与标准模型库或设计图纸生成的GIM，若点云数据与标准模型库或其他辅助类资料模型数据的差异满足数据检验要求，则说明数据符合相关标准，可基于该点云融合GIM模型。若点云数据与标准模型库模型、设计或其他GIM资料模型数据的差异不满足要求，则说明数据不符合要求，应采用地面激光雷达进行进一步的点云数据采集。

本步骤又分为以下部分：

S5.4.1基于所提取的表征输电线路几何外形的特征信息及表征输电线路空间位置的特征信息对GIM模型与处理后的点云数据进行差异化对比，判断设计阶段的GIM模型与竣工后的实际点云之间是否存在差异，对比内容包括杆塔坐标、档距、导地线参数及相同工况下的弧垂、金具及绝缘子串的材质、尺寸、形式等。

S5.4.2根据步骤5.4.1，若判断结果无差异，则将输电线路三维设计GIM模型与航飞激光点云进行融合，移交运维单位运行；若判断结果有差异，需先查出差异部分，并查找施工图图纸及施工现场资料，找出差异原因并修改相应三维设计GIM模型或点云，回到步骤5.1。

修改相应三维设计GIM模型或点云的具体步骤包括：

S5.4.2.1根据三维设计GIM模型与航飞激光点云数据对比结果，找出差异模型

S5.4.2.2查找原始设计资料及施工资料，找出差异原因及需修改的模型

S5.4.2.3根据找出的差异原因修改相应模型。

S6.融合输电线路三维设计GIM模型与航飞激光点云模型，生成满足运维要求的新模型。

根据步骤5整理满足融合的模型数据，检查提取的特征点，保证特征点经比较后欧氏距离为0。利用建模软件将两种模型根据每个特征点对应的几何特征信息进行融合。生成融合后的符合线路生产运维要求的GIM模型，添加并匹配生产运维的物料编码，并填入生产厂家、竣工投运时间。将融合后的激光点云数据模型提交给生产运维单位，配合生产运维单位的自动巡检运维任务，验证融合后数据模型的实用价值。

Claims (8)

1.一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，它包括：

步骤1、采集电网设备建模标准、规范、模型样例及电网输电线路通用典型设计；

步骤2、根据采集的电网设备建模标准、规范、模型样例及电网输电线路通用典型设计建立输电线路杆塔、基础、导地线、绝缘子、金具及附属设施GIM模型，得到输电线路三维设计GIM模型；

步骤3、根据《输变电工程三维设计建模规范》检验生成的输电线路三维设计GIM模型，检验合格后存入标准模型库；

步骤4、利用激光雷达技术采集输电线路激光点云数据，建立输电线路激光点云模型；

步骤5、基于特征点对输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行差异化对比，若判断结果无差异，则将输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行融合；若判断结果有差异，则先查出差异部分，并查找施工图图纸及施工现场资料，找出差异原因并修改相应模型；步骤5所述基于特征点对输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行差异化对比，若判断结果无差异，则将输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型进行融合；若判断结果有差异，则先查出差异部分，并查找施工图图纸及施工现场资料，找出差异原因并修改相应模型的方法，包括：

步骤5.1特征范围定义，针对输电线路的结构及设备特点，根据现有输电设备及基础的三维模型和二维设计资料进行逆向建模所获取的GIM模型以及航飞采集的激光点云生成模型，提取塔型、挂点、基础特征、金具及绝缘子串和导地线特征；

S5.2基于球面投影的几何外形特征提取对三维模型进行球面投影，将模型的形状信息映射至相应的球面图像；利用球面SIFT特征提取算法对球面图像进行局部显著特征的提取，进而用作原三维模型的外形表征；提取得到基于输电线路三维设计GIM模型的输电线路几何外形；

步骤5.3、基于关键点检测的空间位置特征提取得到激光点云模型的输电线路空间位置的特征信息；

步骤5.4将点云数据与标准模型库或设计图纸生成的GIM进行比较，若点云数据与标准模型库或辅助类资料模型数据的差异满足数据检验要求，则说明数据符合标准，基于该点云融合GIM模型；若点云数据与标准模型库模型、设计或GIM资料模型数据的差异不满足要求，则说明数据不符合要求，采用地面激光雷达进行进一步的点云数据采集；

步骤6、融合输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型，得到融合三维设计和激光点云的输电线路模型。

2.根据权利要求1所述的一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，其特征在于：步骤3所述检验生成的输电线路三维设计GIM模型的方法包括：

步骤3.1、检验模型建立方法是否符合建模规范的要求；

步骤3.2、检验模型属性信息是否符合建模规范模型参数信息表的要求；

步骤3.3、步骤3.1和步骤3.2均满足要求，则检验合格。

3.根据权利要求1所述的一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，其特征在于：步骤4所述利用激光雷达技术采集输电线路激光点云数据，建立输电线路激光点云模型的方法包括：

步骤4.1、根据输电线路的特点，制定无人机飞行技术路线，通过激光雷达对输电线路进行数据采集；

步骤4.2、待数据采集完成后，通过GNSS定位的位置信息和IMS采集的姿态信息解算出点云数据；通过点云数据建立输电线路激光点云模型。

4.根据权利要求1所述的一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，其特征在于：步骤5.1所述特征范围定义的具体方法包括：

步骤5.1.1、从塔型方面提取输电塔特征，提取输线路几何外形特征进行输电线路几何外形的匹配对比，输电塔按照杆塔外形分为猫头塔、酒杯塔、干字型塔、T型塔、羊角塔或鼓型塔，绝缘子串按外形分为I型串、V型串或U型串，绝缘子按材质为陶瓷、玻璃或复合材料；

步骤5.1.2、从挂点、基础特征方面提取输电塔特征，进行输电塔空间位置信息的校核对比，包括挂点坐标、输电塔中心坐标、塔脚坐标和输电塔架设方向。

5.根据权利要求1所述的一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，其特征在于：S5.2所述基于球面投影的几何外形特征提取的方法包括：

步骤5.2.1、对于给定的球面图像构建相应的尺度空间：

式中，

表示卷积操作；S(k,x,y)为球面图像上当前处于(k,x,y)位置的球面像素的面积；G(d,σ)为高斯核函数，σ表示尺度参数，d表示当前的球面像素与位于3σ-邻域内的其它球面像素之间的距离；

步骤5.2.2、在尺度空间中进行球面图像关键点的检测，设p为球面DoG图像上的一个球面像素，v为p的像素取值，ν∈R^n×1同时为球面像素的维度数量，对于p与周围相邻的t个球面像素，提取像素值，组成矩阵NEP＝[nep₁ nep₂ … nep_tν]，nep∈R^n×1同时NEP∈R^n×1，如果p在某一像素维度i上的像素值分量ν(i)为同一维度上周边像素值分量的极大值或极小值，即满足如下条件：v(i)＝max{NEP(i，：)}或者v(i)＝min{NEP(i，：)}

则p被认为是一个关键点，此时p的位置坐标以及取得极值的像素值分量所对应的尺度和维度都将予以记录；

步骤5.2.3、提取局部特征，构建局部特征描述子；在完成对球面图像关键点的检测之后，围绕每一个关键点提取其邻域特征并构建相应的特征描述子。

6.根据权利要求1所述的一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，其特征在于：步骤5.3所述基于关键点检测的空间位置特征提取得到激光点云模型的输电线路空间位置的特征信息的方法为:通过输电工程关键点识别定位方法，实现挂点、杆塔塔脚与杆塔基础的连接点、杆塔中心点的坐标定位，获取准确的三维坐标，并通过分析空间关系获取输电塔的整体空间位置及架设方向。

7.根据权利要求1所述的一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，其特征在于：步骤5.4所述将点云数据与标准模型库或设计图纸生成的GIM进行比较，若点云数据与标准模型库或辅助类资料模型数据的差异满足数据检验要求的方法包括：

步骤5.4.1、基于所提取的表征输电线路几何外形的特征信息及表征输电线路空间位置的特征信息对GIM模型与处理后的点云数据进行差异化对比，判断设计阶段的GIM模型与竣工后的实际点云之间是否存在差异，对比内容包括杆塔坐标、档距、导地线参数及相同工况下的弧垂、金具及绝缘子串的材质、尺寸和形式；

步骤5.4.2、根据步骤5.4.1，若判断结果无差异，则将输电线路三维设计GIM模型与航飞激光点云进行融合；若判断结果有差异，先查出差异部分，并查找施工图图纸及施工现场资料，找出差异原因并修改相应模型并回到步骤5.1。

8.根据权利要求1所述的一种融合三维设计和激光点云的输电线路模型生成方法，其特征在于：步骤6所述融合输电线路三维设计GIM模型与激光点云模型，得到融合三维设计和激光点云的输电线路模型的方法为：根据步骤5满足融合的模型数据，检查提取的特征点，保证特征点经比较后欧氏距离为0；利用建模软件将两种模型根据每个特征点对应的几何特征信息进行融合；生成融合三维设计和激光点云的输电线路模型，添加并匹配生产运维的物料编码，并填入生产厂家和竣工投运时间。