CN114167203A - 一种基于激光点云的电力线快速提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于激光点云的电力线快速提取法，具体包括如下步骤：输电线路点云采集；目标杆塔标注；两端电力线挂点标定；电力线中点标定；利用)收集的点集合U1拟合建立XOY直线方程和XOZ抛物线方程；求相邻两点的中点坐标：根据步骤建立的方程求得电力线两端挂点O1、O2分别与电力线中点M连线之间的中点M1、M2坐标点，并加入点集合U1；在M1、M2附近搜索点云，把半径小于预设值R的点云加入到点集合U1中，并检查点集合U1是否有重复点云，若出现重复点云则电力线提取结束，若未出现重复点云则进入步骤(5)再次求相邻两点的中点坐标后进行循环直至电力线提取结束。

Description

一种基于激光点云的电力线快速提取方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光点云的电力线快速提取方法，属于输电线路运检技术领域。
背景技术
当前，随着三维激光扫描技术的快速发展，基于激光的三维建模技术大量应用于汽车自动驾驶、数字城市建设和电网运行与维护。对于电网运检来说，在架空送电线路工程与电力线、弱电线(指电话线、有线电视、光缆等通信线)以及地上地下构筑物交叉跨越时，都必须进行交叉跨越测量。目前，常用的线路交叉跨越测量一般采用经纬仪、全站仪、GPS-RTK定位技术、激光测距仪等技术，采用这些技术综合应用悬高测量法、GPS配合全站仪法、空中交会法等方法进行交叉跨越点的高程及交叉角的测量，在此基础上，选线人员设计架空送电线的高度、弧垂以及档距。三维激光扫描可精确显示输电线路与下方或者上方跨越物距离，对输电线路精准运维具有重要意义，如何快速准确提取电力线路点云模型是目前重要研究内容之一。
申请号为201210324684.1的中国专利“一种基于机载LiDAR数据的输电线路的电力线提取方法”，采用了对两个相邻电塔之间的输电线路进行横截面的点云采样；对每个横截面采样的点云进行聚类分析的方案极性电力线的提取，但是该专利中采用按高程进行聚类的方案，在山区特别是输电杆塔较为矮小，而周边树木较为茂密的情况下分类效果较差；申请号为201410344788.8的专利“基于无人机影像的电力线自动提取定位方法”采用图像处理方案对电力线进行提出，缺乏点云的处理方案；申请号为201510145070.0的专利“一种基于机载激光雷达点云的电力线三维重建方法”，充分利用了塔杆信息，具有对电力线的根数、电力线类型、电力线空间配置结构、粗差点、点云不规则断裂、线路长度等因素不敏感的优势，并且重建具有较高精度的模型，但是该方案需要激光雷达数据被正确分类才可进行重建工作，实际现场应用中效率较低。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于激光点云的电力线快速提取和弧垂测量方法，通过直接手动标记电力线两端挂点以及线路中部一点可快速进行电力线定位，相比传统方法速度更快，有效避免了电力线以外环境影响，同时采用的数学模型较为简单，在现场作业过程中可极大提升作业效率，对于生产实际条件下精度基本符合要求。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种基于激光点云的电力线快速提取方法，具体包括如下步骤：
(1)输电线路点云采集：利用无人机搭载高精度多线程激光雷达对输电线路进行扫描，得到激光点云数据；
(2)目标杆塔标注：在点云模型上获取目标杆塔坐标点；
(3)两端电力线挂点标定：在点云模型上手动标记电力线的两端挂点，获取两端电力线挂点的坐标点，将坐标点加入点集合U1；
(4)电力线中点标定：在点云模型上手动标记电力线的中点，获取电力线中点M的坐标点；
(5)将经过步骤(4)获取的坐标点加入点集合U1；
(6)建立方程：利用经过步骤(3)和(4)收集的点集合U1拟合XOY直线方程和XOZ抛物线方程；
(7)求相邻两点的中点坐标：根据步骤(6)建立的XOY直线方程求得电力线两端挂点O1、O2分别与电力线中点M连线之间的中点M1、M2坐标点，同时结合XOZ抛物线方程求重两中点的三维坐标；
(8)在两中点M1、M2半径R内搜索点云，把半径小于预设值R的点云加入到点集合U1中，并检查点集合U1是否有重复点云，若出现重复点云则电力线提取结束，若未出现重复点云则进入步骤(5)再次进行拟合直至电力线提取结束。
进一步的，所述步骤(1)中激光雷达采集的点云数据使用WGS 1984坐标系的墨卡托投影坐标系，X轴方向为正东方向，Y轴为正北方向，Z轴方向为地心指向地面方向，其中，电力线的激光点云的z值为绝对海拔高度。
进一步的，所述步骤(6)中XOY直线方程拟合模型为y＝kx+d；XOZ抛物线方程拟合模型为y＝ax2+bx+c。
进一步的，所述步骤(8)中预设值R为0.5～1.0m。
进一步的，根据所述步骤(3)得到电力线两挂点的坐标后，进行关于电力线上任意弧垂的计算，任意点的弧垂计算根据电力线的两端挂点O1、O2在XOZ平面确定两挂点O1O2的直线方程后进行求解弧垂。
进一步的，所述两挂点O1O2的直线方程为z＝k’x+d’，弧垂求解方程为h＝k’x+d’-ax2-bx-c。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明在电力线的提取中通过直接手动标记电力线两端挂点，及线路中部一点可快速进行电力线定位，相比传统方法效率更好，有效避免了电力线以外的环境因素影响；同时本发明中采用的数学模型较为简单，在现场作业过程中可极大提升作业效率，对于生产实际条件下精度基本符合要求。
附图说明
图1为本发明基于激光点云的电力线快速提取和弧垂测量方法的流程图；
图2为本发明中电力线点云在XOY、XOZ和三维空间上的投影图；
图3为本发明中电力线在XOY、XOZ及三维空间下三个平面的投影提取和拟合效果图；
图4为使用本发明提供的方法进线电力线提取效果的俯视图和侧视图，其中4(a)为俯视图，4(b)为侧视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种基于激光点云的电力线快速提取和弧垂测量方法，具体包括如下步骤：
(1)输电线路点云采集：利用无人机搭载高精度多线程激光雷达对输电线路进行扫描，得到激光点云数据；
(2)目标杆塔标注：打开激光点云数据，能够获得点云模型，在点云模型上获取目标杆塔坐标点；
(3)两端电力线挂点标定：在点云模型上手动标记电力线的两端挂点，获取两端电力线挂点的坐标点O1(x1,y1,z1)，O2(x2,y2,z2)将坐标点加入点集合U1；
(4)电力线中点标定：在点云模型上手动标记电力线的中点，获取电力线中点M的坐标点M(x3,y3,z3)；
(5)将经过步骤(4)获取的坐标点加入点集合U1；
(6)建立方程：利用经过步骤(3)和(4)收集的点集合U1{O1,O2,M}拟合建立XOY直线方程和XOZ抛物线方程，其中，XOY直线方程拟合模型为y＝kx+d；直线模型有两个参数，理论上只要两个已知点就可以求出k，d两个参数；XOZ抛物线方程拟合模型为y＝ax2+bx+c；抛物线模型有三个参数，理论上只要有三个已知点就可以求出a，b和c三个参数；；利用U1{O1,O2,M}拟合出抛物线方程y＝ax2+bx+c和直线方程y＝kx+d，得到初始抛物线参数a，b，c和直线参数k，d；
(7)求相邻两点的中点坐标：根据步骤(5)建立的方程求得电力线两端挂点O1、O2分别与电力线中点M连线之间的中点M1、M2坐标点M1(x1,y1,z1)，M2(x2,y2,z2)，同时结合XOZ抛物线方程求重两中点的三维坐标，并加入点集合U1；
(8)在M1、M2半径R内搜索点云，把半径小于预设值R的点云加入到点集合U1中，并检查点集合U1是否有重复点云，若出现重复点云则电力线提取结束，此时U1即为电力线点云集合，导线点云分割结束；若未出现重复点云则返回步骤(5)再次进行拟合循环直至电力线提取结束。
进一步的，激光雷达采集的点云数据使用WGS 1984坐标系的墨卡托投影坐标系，X轴方向为正东方向，Y轴为正北方向，Z轴方向为地心指向地面方向，其中，电力线的激光点云的z值为绝对海拔高度；其中，电力线点云在XOY上的投影为直线，在XOZ上投影轨迹近似抛物线，如图2所示，电力线在三维空间的解析式近似为
Figure BDA0003357763660000041
由此可将z表达为x或者y的函数即z＝f(x)，f(x)为二次函数。
进一步的，所述步骤(8)中预设值R为0.5～1.0m。
进一步的，根据所述步骤(3)得到电力线两挂点的坐标后，进行关于电力线上任意弧垂的计算，任意点的弧垂计算根据电力线的两端挂点O1、O2在XOZ平面确定两挂点O1O2的直线方程后进行求解弧垂；计算任意点(xi,yi,zi)弧垂hi时，选取提取的电力线的端点O1、O2，相关坐标点代入后求得两端点O1O2的直线方程为z1＝k’x+d’，弧垂的求解方程为hi＝z(xi)-z(xi)＝k’x+d’-ax2-bx-c，x∈(x1,x2)。
采用真实的点云数据进行验证分析，通过导入电力线点云数据，采用标注导线挂点的方法，设置R值为0.5米，可得XOY，XOZ及三维空间下三个平面的投影提取和拟合效果，如图3所示，使用该方法显示和提取点云进行分类显示如图4所示。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于激光点云的电力线快速提取方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)输电线路点云采集：利用无人机搭载高精度多线程激光雷达对输电线路进行扫描，得到激光点云数据；
(2)目标杆塔标注：在点云模型上获取目标杆塔坐标点；
(3)两端电力线挂点标定：在点云模型上手动标记电力线的两端挂点，获取两端电力线挂点的坐标点，将坐标点加入点集合U1；
(4)电力线中点标定：在点云模型上手动标记电力线的中点，获取电力线中点M的坐标点；
(5)将经过步骤(4)获取的坐标点加入点集合U1；
(6)建立方程：利用经过步骤(3)和(4)收集的点集合U1拟合XOY直线方程和XOZ抛物线方程；
(7)求相邻两点的中点坐标：根据步骤(5)建立的XOY直线方程求得电力线两端挂点O1、O2分别与电力线中点M连线之间的中点M1、M2坐标点，同时结合XOZ抛物线方程求重两中点的三维坐标；
(8)在两中点M1、M2半径R内搜索点云，把半径小于预设值R的点云加入到点集合U1中，并检查点集合U1是否有重复点云，若出现重复点云则电力线提取结束，若未出现重复点云则进入步骤(5)再次进行拟合直至电力线提取结束。
2.如权利要求1所述的一种基于激光点云的电力线快速提取方法，其特征在于：所述步骤(1)中激光雷达采集的点云数据使用WGS 1984坐标系的墨卡托投影坐标系，X轴方向为正东方向，Y轴为正北方向，Z轴方向为地心指向地面方向，其中，电力线的激光点云的z值为绝对海拔高度。
3.如权利要求1所述的一种基于激光点云的电力线快速提取方法，其特征在于：所述步骤(6)中XOY直线方程拟合模型为y＝kx+d；XOZ抛物线方程拟合模型为y＝ax2+bx+c。
4.如权利要求1所述的一种基于激光点云的电力线快速提取方法，其特征在于：所述步骤(8)中预设值R为0.5～1.0m。
5.如权利要求1的一种基于激光点云的电力线快速提取方法，其特征在于：根据所述步骤(3)得到电力线两挂点的坐标后，进行关于电力线上任意弧垂的计算，任意点的弧垂计算根据电力线的两端挂点O1、O2在XOZ平面确定两挂点O1O2的直线方程后进行求解弧垂。
6.如权利要求1所述的一种基于激光点云的电力线快速提取方法，其特征在于：所述两挂点O1O2的直线方程为z＝k’x+d’，弧垂求解方程为h＝k’x+d’-ax2-bx-c。
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