CN113345094A - 基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法及系统，包括获取电力走廊带的三维点云数据，对点云进行格网划分，分析网格内点云高程分布，粗分类得到电线、电塔点和地面点，去除错误电线点；结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合，实现缺失电线点的补全；根据电线和电塔的空间关系进行错误电塔的剔除，实现电塔的精确提取；并以电塔为参考计算悬挂点，利用悬挂点对长距离输电线路进行分段，得到各单档电力走廊区域数据；基于提取得到的单档电力走廊点云，进行电线拟合，并计算分析走廊带地物点云与电线的安全距离。本发明对不同等级输电走廊安全距离计算分析所得结果均能具有较高的精度。
Description
技术领域
本发明属于输电线路巡检领域，更具体地，涉及一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法及系统。
背景技术
随着经济社会的高速发展，对电力需求的不断增加，越来越多的高压、特高压架空输电线路被建设用于传输、供应不同地区、不同产业的用电需求。对输电线路进行定期巡检，及时发现和排查潜在危险，保证输电线路安全、稳定的运行也越来越重要。传统的输电线路巡检主要依靠人工利用仪器或者肉眼观察，不仅作业条件危险，作业强度大、效率低下，并且有些输电线路跨越区域地形较为复杂，经过湖泊、山区等地带，作业人员很难到达。因此输电线路巡检需要开发更高效、安全、准确的方式。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法及系统，由此解决传统人工巡检劳动强度大，作业区域不易到达且效率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，包括以下步骤：
(1)获取电力走廊带的三维点云数据，对点云进行格网划分，分析网格内点云高程分布，粗分类得到电线、电塔点和地面点，去除错误电线点；
(2)结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合，实现缺失电线点的补全；
(3)根据电线和电塔的空间关系进行错误电塔的剔除，实现电塔的精确提取；并以电塔为参考计算悬挂点，利用悬挂点对长距离输电线路进行分段，得到各单档电力走廊区域数据；
(4)基于提取得到的单档电力走廊点云，进行电线拟合，并计算分析走廊带地物点云与电线的安全距离。
而且，步骤(1)包括以下子步骤，
(1.1)利用无人机搭载三维激光器对输电线路进行扫描，获取电力走廊带场景点云，并根据GPS和IMU参数对点云数据进行地理参考；根据点云的坐标计算点云对应网格，将点云水平投影到网格中；
(1.2)统计每个网格中点的高程分布直方图，对于格网高差小于预设阈值的直接分类为地面，高差超过该阈值的网格则统计是否存在断层，如果存在断层，断层以上的点分类为电线点，断层以下的点分类为地面，没有断层的网格则分类为电塔；
(1.3)基于网格邻域去除错误电线点，包括对每个网格取其邻域网格，将邻域网格内非电线点作为种子点，对中间网格的电线点进行空间区域生长；如果中间网格电线点和邻域非电线点生长到一起，则将中间网格内电线点剔除。
而且，步骤(2)中结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合包括以下子步骤，
(2.1)对于每个含有电线点的网格，取局部邻域网格内的电线点；
(2.2)将电线点绕Z轴旋转θ角度至与某一竖直坐标平面XOZ垂直，然后将电线点投影在该平面内；
(2.3)在平面内，以每个电线点为中心，计算其他点在该点处的高斯响应，对于投影到XOZ平面内的点
在点
处的高斯响应为
其中σ代表电线的半径；
(2.4)设置优化目标函数
利用黄金分割搜索算法解算G取最大值时对应的角度θ*，从而得到电线的水平方向；
(2.5)将所有电线点绕Z轴旋转θ*角度后投影到XOZ平面内，在平面内对投影后的电线点完成聚类。
而且，步骤(2.5)包括以下子步骤，
(2.5.1)将电线点根据平面坐标投影为平面图形，以落在每个像素的点数为灰度值，并将灰度图像二值化，灰度值为0则为0，灰度值不为0则为1；
(2.5.2)对图像进行遍历，以白色像素为种子点对其八邻域进行生长，生长在一起的像素对应的激光点则属于同一条电线的点，从而完成聚类过程，即把属于不同条电线的电线点分开。
而且，步骤(2)实现缺失电线点的补全包括以下操作，
对聚类得到的每一条电线点，拟合出其空间直线方程，将目标区域内的非电线点代入直线方程，距离直线方程小于电线半径的点记为电线点，从而将缺失的电线点找回。
而且，步骤(3)包括以下子步骤，
(3.1)对于每个含有电塔点的网格，统计3*3邻域的网格是否有电线点，如果没有电线点，将该电塔网格剔除；如果有则进入步骤(3.2)；
(3.2)如果周围存在电线点，进一步判断当前网格的几何中心是否在周围电线点水平投影构成的凸多边形中，如果不在多边形中则将该电塔网格剔除，对于网格几何中心在多边形中的电塔网格予以保留；
(3.3)计算电塔中心的水平投影和电塔附近的电线方向，确定经过电塔中心且与电线垂直的竖直平面作为初步区分左右两侧电线的分界面，根据此平面将电塔附近同一条电线的点分成左右两侧，分别对两侧的电线点进行直线拟合，求得两边直线的空间直线方程，进而计算两条空间直线的交点；若两条空间直线为异面直线，则以异面直线的最近点对的中点作为初步悬挂点；
(3.4)如果计算得到的悬挂点距离平面小于相应距离阈值则结束，否则将分界平面移到该点处，以该点所在垂直平面为左右分界面，重新划分左右两侧点，重新拟合左右两条直线，计算悬挂点，迭代求解，直到计算的悬挂点距离平面满足相应距离阈值或两次悬挂点距离变化小于相应变化阈值；
(3.5)根据悬挂点，将悬挂点两侧的电线点分属于不同档输电线路，实现电线分段，得到单档输电线路数据。
而且，步骤(4)中，如果一个网格不含有电线，且周围邻域的网格都没有电线点，说明其附近没有电线存在，直接视为安全；对于有电线点的网格或者邻域有电线点的网格，计算该网格中地面点与附近电线的距离，输出相应安全距离报告。
而且，对单档输电线路的所有地面点进行安全距离计算的实现方式包括以下子步骤，
(4.2.1)对于单档输电线路，首先利用PCA计算水平投影后的电线点的主方向向量(v1,v2,v3)，从而得到电线的水平方向向量(v1,v2,0)，则电线水平投影与YOZ平面的夹角θ可由
确定；
(4.2.2)将所有的点绕Z轴旋转θ角度，使得电线所在悬链线平面和坐标平面YOZ平行，计算电线所在竖直悬链线平面的平面方程，其中第i条电线对应的悬链线平面，由所属该条电线的所有电线点的x坐标的均值确定，表示为xi；
(4.2.3)在悬链线平面内对电线进行二维悬链线拟合，
利用最小二乘求解其中的参数a、b、c，得到电线的悬链线方程；
(4.2.4)计算地面点到电线的安全距离，包括首先计算地面点Pg(xg,yg,zg)到悬链线平面的距离，Δxg＝xg-xi，然后计算地面点投影到悬链线平面后，平面内点到曲线的距离
则点到第i条电线曲线的距离由
确定；
(4.2.5)对每个地面点计算到该走廊带内的多条电线的距离，把到电线距离最小的距离dg作为该点的安全距离。
另一方面，本发明提供一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析系统，用于实现如上所述的一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法。
而且，包括以下模块，
电线提取模块，用于获取电力走廊带的三维点云数据，对点云进行格网划分，分析网格内点云高程分布，粗分类得到电线、电塔点和地面点，去除错误电线点；
电线补全模块，用于结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合，实现缺失电线点的补全；
电线分段模块，用于根据电线和电塔的空间关系进行错误电塔的剔除，实现电塔的精确提取；并以电塔为参考计算悬挂点，利用悬挂点对长距离输电线路进行分段，得到各单档电力走廊区域数据；
走廊安全分析模块，用于基于提取得到的单档电力走廊点云，进行电线拟合，并计算分析走廊带地物点云与电线的安全距离。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：首先利用无人机搭载激光器沿电力走廊带扫描获取电力走廊场景的三维点云数据，将点云格网化，分析格网内点的高程分布直方图实现电线、电塔和地面的粗提取。结合邻域信息对错误电线点进行剔除。结合邻域网格对电线点进行空间线聚类，然后对每条电线进行拟合实现电线点补全。在电线引导下实现电塔的精确提取，并以电塔为参照提取悬挂点，利用悬挂点对电线分段得到单档输电线路。最后以单档输电线路为单位，实现电线拟合和走廊安全距离计算分析。本发明对不同等级输电走廊安全距离计算分析所得结果均能具有较高的精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的电线、电塔和地面三种地物网格典型的高程分布直方图示意图，其中，第一行为电线网格高程分布直方图，第二行为电塔网格高程分布直方图，第三行为地面高程分布直方图；
图3是本发明实施例提供的电线点聚类示意图，其中图3(a)为3*3网格电线点分布示意图，图3(b)为电线点旋转后在XOZ平面内的投影示意图；
图4是本发明实施例提供的一种错误电塔剔除示意图，其中，图4(a)为电线和电塔水平投影简化示意图，图4(b)为正确提取和错误提取的电塔网格周围电线分布示意图；
图5是本发明实施例提供的一种地面点安全距离计算示意图；
图6是本发明实施例提供的一种系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，具体包括以下步骤：
(1)电线提取：获取电力走廊带的三维点云数据，对点云进行格网划分，分析网格内点云高程分布，粗分类得到电线、电塔点和地面点，去除错误电线点。
由于长距离电线走廊场景的地形通常比较复杂，地形起伏较大，点云数据量庞大，因此采用格网化的方式，将大范围点云转换为小范围格网区域进行分析，既方便数据组织，又可以有效减少地形的影响。由于电线、电塔和地面三者在垂直方向点云分布有较大的区别，因此利用高程分布直方图对三者进行分类，并利用邻域网格信息对错误提取的电线进行剔除。
在本发明实施例中，步骤(1)优选可以通过以下方式实现：
(1.1)格网化：利用无人机搭载三维激光器对输电线路进行扫描，获取电力走廊带场景点云，并根据GPS和IMU参数对点云数据进行地理参考。根据点云的XY坐标计算点云对应网格，将点云水平投影到网格中。其中，GPS表示全球卫星定位系统，IMU表示惯性测量单元。
由于野外输电线场景比较复杂，地形起伏较大，点云数据量较大且无规则，因此可以对点云格网化，有利于组织点云并且可以减少地形的影响。根据点的XY坐标计算点对应的网格，将点云投影到对应的网格中。
(1.2)直方图分析：在步骤(1.1)根据点云的XY坐标计算点云对应网格，将点云水平投影到网格中之后，本步骤统计每个网格中点的高程分布直方图。对于格网高差小于一定阈值的直接分类为地面，高差超过一定阈值的网格则统计是否存在断层，即中间某些高度层没有点。如果存在断层，断层以上的点分类为电线点，断层以下的点分类为地面。没有断层的网格则分类为电塔。完成粗分类过程。
因为电线、电塔和地面三者在高程方向上，点云分布存在明显的不同，所以利用高程分布直方图对点云进行分类。如图2所示从上到下分别为电线、电塔和地面三者对应的高程分布直方图示意图。格网高差小于一定预设阈值的直接分类为地面，高差超过该预设阈值的网格如果存在断层，断层以上的点分类为电线点，断层以下的点分类为地面。没有断层的网格则分类为电塔。具体实施时，阈值设置和输电线路有关，一般设为20米。
(1.3)错误电线点去除：基于网格邻域去除错误电线点，对每个网格取其邻域网格，将邻域网格内非电线点作为种子点，对中间网格的电线点进行空间区域生长。如果中间网格电线点和邻域非电线点生长到一起，则将中间网格内电线点剔除。
由于格网化会导致树木或者电塔被划分到不同的格子，导致其外侧点有可能误分类为电线点，因此需要进行错误电线点的剔除。以周围邻域网格内的非电线点为种子点，对中间网格的电线点进行生长，生长到一起则为非电线点，将其进行剔除。
(2)电线补全：结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合，实现缺失电线点的补全。
基于网格分类电线、电塔和地面，对于树木离电线特别近的区域以及电线跨越较大的水面的区域，会存在电线漏提取情况。由于电线在局部范围内可以近似认为直线分布，所以可以利用电线的直线特征进行缺失电线的补全。
在本发明实施例中，步骤(2)可以通过以下方式实现：
1)电线点空间线聚类：
由于电线下面树木距离电线过近或者电线经过大面积水域的时候，会导致电线提取缺失，因此需要对缺失电线进行补全。由于局部电线点存在稀疏导致属于同一条电线的点可能会大于电线间点的距离，给常规聚类方法造成困难。根据电线近似水平的特点，可以将电线沿电线方向进行投影，这样属于一条电线的点分布更加聚集，属于不同条电线的点分布更加分散。如图3所示，图3(a)为3*3网格内的电线点分布示意图，例如其中有电线点P1、P2、P3；图3(b)为将电线点绕z轴旋转后在XOZ平面的投影，在投影平面内，属于同一条电线的点分布较为聚集，属于不同条电线的点分布较为分散，有助于聚类。
而上述旋转角度的计算可通过构造优化函数，通过黄金搜索算法进行求解，将旋转角度设为未知数θ，构造优化目标函数：
通过结算优化目标函数获取旋转角度，
θ*＝argmax G (2)
将投影后的电线点根据其平面坐标投影为平面图形，以落在每个像素的点数为其灰度值，并将灰度图像二值化(灰度值为0则为0，灰度值不为0则为1)。对图像进行遍历，以白色像素为种子点对其八邻域进行生长，生长在一起的像素对应的激光点则属于同一条电线的点，从而完成聚类过程，即把电线点属于不同条的电线分开。
2)局部电线点拟合：
对聚类得到的每一条电线点，拟合出其空间直线方程，计算目标区域内的非电线点与直线距离，距离直线方程小于一定阈值(电线半径)的点分类为电线点，从而将缺失的电线点找回。对聚类好的电线进行拟合，从而将缺失的电线点进行了补全。
优选地，实施例的步骤2中电线点空间线聚类具体实现分以下子步骤：
(2.1)对于每个含有电线点的网格，取其局部邻域网格内的电线点。
(2.2)将电线点绕Z轴旋转θ角度至与某一竖直坐标平面(如XOZ平面)垂直，然后将电线点投影在该平面内。
(2.3)在平面内，以每个电线点为中心，计算其他点在该点处的高斯响应。对于投影到XOZ平面内的点
在点
处的高斯响应为
其中，函数g()中的σ代表电线的半径，e为自然对数。
(2.4)设置优化目标函数
利用黄金分割搜索算法解算G取最大值时对应的角度θ*，从而得到电线的水平方向。其中，n为点的数目，i、j为点的标号。
(2.5)将所有电线点绕Z轴旋转θ*角度后投影到XOZ平面内，在平面内对投影后的电线点完成聚类。步骤(2.5)包括：
(2.5.1)将电线点根据其平面坐标投影为平面图形，以落在每个像素的点数为其灰度值，并将灰度图像二值化(灰度值为0则为0，灰度值不为0则为1)。
(2.5.2)对图像进行遍历，以白色像素为种子点对其八邻域进行生长，生长在一起的像素对应的激光点则属于同一条电线的点，从而完成聚类过程，即把属于不同条电线的电线点分开。
(3)电线分段：因为不同段的电线属于不同的悬链线方程，所以要对电线进行分段，以电塔为间隔将每两相连电塔之间的输电线路存为一档。本步骤根据电线和电塔的空间关系进行错误电塔的剔除，实现电塔的精确提取；并以电塔为参考计算悬挂点，利用悬挂点对长距离输电线路进行分段，得到单档电力走廊区域数据。
在本发明实施例中，步骤(3)可以通过以下方式实现：
1)定位电塔：
电塔是依附于电线存在的，电塔塔体位于两侧电线中间，用于架设支撑电线。根据这些上下文特征，本发明提出可以进行错误电塔的剔除。如图4所示，图4(a)是简化的电线电塔分布水平投影示意图，P1和P2所在的网格为粗提取得到的电塔网格，P1、P2分别为对应网格的几何中心，P1对应的是正确的电塔网格，P2对应的是错误提取的电塔网格。取P1的3*3邻域网格里的电线，虚线框区域表示3*3邻域，对应的电线为框内的线段，P1的3*3邻域网格区域内的电线点在水平面投影所确定的凸外接多边形顶点分别为A0、A1、A2、…、A7。同理，P2的3*3邻域网格得到的电线确定的区域对应的外接多边形在水平面投影分别为B0、B1、B2、B3。如图4(b)所示，凸多边形A0A1A2A3A4A5A6A7和B0B1B2B3分别为P1和P2周围电线确定的凸多边形。
判断电塔网格几何中心P是否在逆时针A0A1A2...Ai确定的凸多边形内，可由下式(3)确定：
其中，
表示相应点之间的向量。其中，凸多边形的节点总数为i+1。
将电塔网格中心在其周围邻域电线点所确定凸多边形内的进行保留，完成错误电塔剔除工作。
2)定位悬挂点：
以电塔为间隔进行电线分段，需要精确的确定每段电线在电塔处的悬挂点，以悬挂点为界限对电塔两侧的电线点进行分段。在电塔指引下，迭代拟合电塔两侧电线点所在的直线方程，得到准确的悬挂点。具体做法如下：
首先根据电塔的投影中心和电塔附近的电线方向，计算出电塔中心所在的垂直平面。电塔中心所在的平面作为初步区分左右两侧电线的界限，根据此平面对电塔附近同一条电线的点分成左右两侧，分别对两侧的电线点进行直线拟合，求得两边直线的空间直线方程，进而计算两条空间直线的交点。由于存在激光点误差的影响以及直线拟合误差的影响，可能导致两条空间直线为异面直线，则以异面直线的最近点的中点作为初步悬挂点。
如果计算得到的悬挂点距离平面小于阈值则结束，否则将电塔所在垂直平面移到该点处，以该点所在垂直平面为左右分界点，重新划分左右两侧点，重新拟合左右两条直线，计算悬挂点，迭代求解，直到计算的悬挂点距离平面满足相应距离阈值或两次悬挂点距离变化小于相应变化阈值。具体实施时，距离阈值和变化阈值可根据实际精度要求来定，也可采用默认的值，例如距离阈值一般可设为0.5米。
优选地，实施例的步骤3具体实现分以下子步骤：
(3.1)对于每个含有电塔点的网格，统计其3*3邻域的网格是否有电线点，如果没有电线点，将该电塔网格剔除，如果有则进入步骤(3.2)。
(3.2)如果其周围存在电线点，进一步判断当前网格的几何中心是否在周围电线点水平投影构成的凸多边形中。如果不在多边形中，将该电塔网格剔除。对于网格几何中心在多边形中的电塔网格予以保留。
(3.3)计算电塔中心的水平投影和电塔附近的电线方向，确定经过电塔中心且与电线垂直的竖直平面作为初步区分左右两侧电线的分界面，根据此平面将电塔附近同一条电线的点分成左右两侧，分别对两侧的电线点进行直线拟合，求得两边直线的空间直线方程，进而计算两条空间直线的交点。若两条空间直线为异面直线，则以异面直线的最近点的中点作为初步悬挂点。
(3.4)如果计算得到的悬挂点距离平面小于相应距离阈值则结束，否则将分界平面移到该点处，以该点所在垂直平面为左右分界面，重新划分左右两侧点，重新拟合左右两条直线，计算悬挂点，迭代求解，直到计算的悬挂点距离平面满足相应距离阈值或两次悬挂点距离变化小于相应变化阈值。
(3.5)根据悬挂点，将悬挂点两侧的电线点分属于不同档输电线路，实现电线分段，得到单档输电线路数据。
(4)走廊安全距离分析：基于提取得到的单档电力走廊点云，进行电线拟合，并计算走廊带地物点云与电线的安全距离。即在上述分类和分段的基础上，计算地物点到电线点的距离。由于点云的数量巨大，逐点计算地面点到电线点的距离，计算量特别大，因此可以对电线进行拟合，从而计算地面点到曲线的距离。
在本发明实施例中，步骤(4)可以通过以下方式实现：
(4.1)电线拟合：
由于点云的数量巨大，逐点计算地面点到电线点的距离，计算量特别大，因此可以对电线进行拟合，从而计算地面点到曲线的距离。计算点到三维空间曲线的距离是复杂的，但由于电线曲线在一个竖直平面内，因此可以将电线进行旋转，使其平行于坐标轴平面，从而将点到空间三维曲线的距离转化为点到平面的距离和平面内点到二维曲线的距离。
首先利用PCA(主成分分析)计算电线的水平方向，然后将电线平面旋转至与YOZ面平行，对电线平面进行拟合：
然后利用最小二乘拟合电线曲线方程：
(4.2)安全距离计算：
对于距离电线较远的网格，其安全距离明显符合要求，我们直接视为安全。即如果网格不含有电线，且其周围邻域的网格都没有电线点，说明其附近没有电线存在，可直接视为安全。二是电线附近的网格，对于有电线点的网格或者其邻域有电线点的网格，需要计算该网格中地面点与附近电线(电力曲线)的距离，输出其安全距离报告。如图5所示，为安全距离计算示意图，首先计算地面点到电线平面的距离：
Δxg＝xg-xi (6)
然后将点投影在平面内，计算点到二维曲线的距离：
则点到曲线的距离可通过勾股定理计算得：
点到电线的安全距离可通过取距离所有电线的最小值来确定。
优选地，实施例的步骤4.2具体实现分以下子步骤：
(4.2.1)对于单档输电线路，首先利用PCA计算水平投影后的电线点的主方向向量，设记为(v1,v2,v3)，从而得到电线的水平方向向量(v1,v2,0)。设点云所处的坐标系记为O-XYZ，原点O由点云坐标系确定，则电线水平投影与YOZ平面的夹角θ可由
确定。
(4.2.2)将所有的点绕Z轴旋转θ角度，使得电线所在平面(悬链线平面)和坐标平面(YOZ平面)平行。计算电线所在竖直悬链线平面的平面方程。其中第i条电线对应的悬链线平面，由所属该条电线的所有电线点的x坐标的均值确定，表示为
其中x′ij表示旋转后的第i条电线的第j个点。
(4.2.3)在悬链线平面内对电线进行二维悬链线拟合，
利用最小二乘求解其中的参数a、b、c，即可得到电线的悬链线方程。
(4.2.4)计算地面点到电线的安全距离。首先计算地面点Pg(xg,yg,zg)到电线平面(即悬链线)的距离，Δxg＝xg-xi，然后计算地面点投影到悬链线平面后，平面内点到曲线的距离
则点到第i条电线曲线lg的距离dg_i，由
确定。
(4.2.5)对每个地面点计算到该走廊带内的多条电线的距离，把到电线距离最小的距离作为该点的安全距离，dg＝min(dg_1,dg_2,…,dg_N)，其中N表示该段走廊电线条数。
对该档输电线路的所有地面点进行上述安全距离计算。
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
如图6所示是本发明实施例提供的一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析系统结构示意图，包括：
电线提取模块201，用于获取电力走廊带的三维点云数据，对点云进行格网划分，分析网格内点云高程分布，粗分类得到电线、电塔点和地面点，去除错误电线点；
电线补全模块202，用于结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合，实现缺失电线点的补全；
电线分段模块203，用于根据电线和电塔的空间关系进行错误电塔的剔除，实现电塔的精确提取；并以电塔为参考计算悬挂点，利用悬挂点对长距离输电线路进行分段，得到各单档电力走廊区域数据；
走廊安全分析模块204，用于基于提取得到的单档电力走廊点云，进行电线拟合，并计算分析走廊带地物点云与电线的安全距离。
其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本发明实施例将不再复述。
在一些可能的实施例中，提供一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法。
在一些可能的实施例中，提供一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取电力走廊带的三维点云数据，对点云进行格网划分，分析网格内点云高程分布，粗分类得到电线、电塔点和地面点，去除错误电线点；
(2)结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合，实现缺失电线点的补全；
(3)根据电线和电塔的空间关系进行错误电塔的剔除，实现电塔的精确提取；并以电塔为参考计算悬挂点，利用悬挂点对长距离输电线路进行分段，得到各单档电力走廊区域数据；
(4)基于提取得到的单档电力走廊点云，进行电线拟合，并计算分析走廊带地物点云与电线的安全距离。
2.根据权利要求1所述的基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，其特征在于：步骤(1)包括以下子步骤，
(1.1)利用无人机搭载三维激光器对输电线路进行扫描，获取电力走廊带场景点云，并根据GPS和IMU参数对点云数据进行地理参考；根据点云的坐标计算点云对应网格，将点云水平投影到网格中；
(1.2)统计每个网格中点的高程分布直方图，对于格网高差小于预设阈值的直接分类为地面，高差超过该阈值的网格则统计是否存在断层，如果存在断层，断层以上的点分类为电线点，断层以下的点分类为地面，没有断层的网格则分类为电塔；
(1.3)基于网格邻域去除错误电线点，包括对每个网格取其邻域网格，将邻域网格内非电线点作为种子点，对中间网格的电线点进行空间区域生长；如果中间网格电线点和邻域非电线点生长到一起，则将中间网格内电线点剔除。
3.根据权利要求1所述的基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，其特征在于：步骤(2)中结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合包括以下子步骤，
(2.1)对于每个含有电线点的网格，取局部邻域网格内的电线点；
(2.2)将电线点绕Z轴旋转θ角度至与某一竖直坐标平面XOZ垂直，然后将电线点投影在该平面内；
(2.3)在平面内，以每个电线点为中心，计算其他点在该点处的高斯响应，对于投影到XOZ平面内的点
在点
处的高斯响应为
其中σ代表电线的半径；
(2.4)设置优化目标函数
利用黄金分割搜索算法解算G取最大值时对应的角度θ*，从而得到电线的水平方向；
(2.5)将所有电线点绕Z轴旋转θ*角度后投影到XOZ平面内，在平面内对投影后的电线点完成聚类。
4.根据权利要求3所述的基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，其特征在于：步骤(2.5)包括以下子步骤，
(2.5.1)将电线点根据平面坐标投影为平面图形，以落在每个像素的点数为灰度值，并将灰度图像二值化，灰度值为0则为0，灰度值不为0则为1；
(2.5.2)对图像进行遍历，以白色像素为种子点对其八邻域进行生长，生长在一起的像素对应的激光点则属于同一条电线的点，从而完成聚类过程，即把属于不同条电线的电线点分开。
5.根据权利要求1所述的基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，其特征在于：步骤(2)实现缺失电线点的补全包括以下操作，
对聚类得到的每一条电线点，拟合出其空间直线方程，将目标区域内的非电线点代入直线方程，距离直线方程小于电线半径的点记为电线点，从而将缺失的电线点找回。
6.根据权利要求1所述的基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，其特征在于：步骤(3)包括以下子步骤，
(3.1)对于每个含有电塔点的网格，统计3*3邻域的网格是否有电线点，如果没有电线点，将该电塔网格剔除；如果有则进入步骤(3.2)；
(3.2)如果周围存在电线点，进一步判断当前网格的几何中心是否在周围电线点水平投影构成的凸多边形中，如果不在多边形中则将该电塔网格剔除，对于网格几何中心在多边形中的电塔网格予以保留；
(3.3)计算电塔中心的水平投影和电塔附近的电线方向，确定经过电塔中心且与电线垂直的竖直平面作为初步区分左右两侧电线的分界面，根据此平面将电塔附近同一条电线的点分成左右两侧，分别对两侧的电线点进行直线拟合，求得两边直线的空间直线方程，进而计算两条空间直线的交点；若两条空间直线为异面直线，则以异面直线的最近点对的中点作为初步悬挂点；
(3.4)如果计算得到的悬挂点距离平面小于相应距离阈值则结束，否则将分界平面移到该点处，以该点所在垂直平面为左右分界面，重新划分左右两侧点，重新拟合左右两条直线，计算悬挂点，迭代求解，直到计算的悬挂点距离平面满足相应距离阈值或两次悬挂点距离变化小于相应变化阈值；
(3.5)根据悬挂点，将悬挂点两侧的电线点分属于不同档输电线路，实现电线分段，得到单档输电线路数据。
7.根据权利要求1所述的基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，其特征在于：步骤(4)中，如果一个网格不含有电线，且周围邻域的网格都没有电线点，说明其附近没有电线存在，直接视为安全；对于有电线点的网格或者邻域有电线点的网格，计算该网格中地面点与附近电线的距离，输出相应安全距离报告。
8.根据权利要求7所述的基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法，其特征在于：对单档输电线路的所有地面点进行安全距离计算的实现方式包括以下子步骤，
(4.2.1)对于单档输电线路，首先利用PCA计算水平投影后的电线点的主方向向量(v1,v2,v3)，从而得到电线的水平方向向量(v1,v2,0)，则电线水平投影与YOZ平面的夹角θ可由
确定；
(4.2.2)将所有的点绕Z轴旋转θ角度，使得电线所在悬链线平面和坐标平面YOZ平行，计算电线所在竖直悬链线平面的平面方程，其中第i条电线对应的悬链线平面，由所属该条电线的所有电线点的x坐标的均值确定，表示为xi；
(4.2.3)在悬链线平面内对电线进行二维悬链线拟合，
利用最小二乘求解其中的参数a、b、c，得到电线的悬链线方程；
(4.2.4)计算地面点到电线的安全距离，包括首先计算地面点Pg(xg,yg,zg)到悬链线平面的距离，Δxg＝xg-xi，然后计算地面点投影到悬链线平面后，平面内点到曲线的距离
则点到第i条电线曲线的距离由
确定；
(4.2.5)对每个地面点计算到该走廊带内的多条电线的距离，把到电线距离最小的距离dg作为该点的安全距离。
9.一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析系统，其特征在于：用于实现如权利要求1-8任一项所述的一种基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法。
10.根据权利要求9所述基于三维点云的电力走廊安全距离分析系统，其特征在于：包括以下模块，
电线提取模块，用于获取电力走廊带的三维点云数据，对点云进行格网划分，分析网格内点云高程分布，粗分类得到电线、电塔点和地面点，去除错误电线点；
电线补全模块，用于结合邻域网格对局部电线点进行空间线聚类和拟合，实现缺失电线点的补全；
电线分段模块，用于根据电线和电塔的空间关系进行错误电塔的剔除，实现电塔的精确提取；并以电塔为参考计算悬挂点，利用悬挂点对长距离输电线路进行分段，得到各单档电力走廊区域数据；
走廊安全分析模块，用于基于提取得到的单档电力走廊点云，进行电线拟合，并计算分析走廊带地物点云与电线的安全距离。
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