CN114637026A - 一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，包括以下步骤：步骤1：选取已具备输电线路三维可视建模条件的输电线路，通过搭载激光雷达的无人机对其采集线路全通道激光点云数据，步骤2：采用渲染技术增强点云数据中杆塔、导线及通道地物的点云立体感和现场感，以逆向建模；步骤3：将点云数据与倾斜摄影数据相融合获得三维实景模型，并将三维实景模型数据叠加到地理信息系统；步骤4：将输电在线状态感知与诊断预警同三维场景的深度整合并展示。本发明实现输电线路巡检、检修、在线监测等全业务域数据的共享、分析和专业化展示。

Description

一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的 方法
技术领域
本发明涉及电网智能化领域，尤其涉及一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法。
背景技术
为适应国家和国网公司关于开展数字化转型建设的工作部署，充分应用“大云物移智链”等现代智能传感技术、通信技术、人工智能等技术，抓住 “智能化升级”和“数字化转型”的建设契机，开展对物联网技术与输变电设备运维管理工作的整合研究，达到泛在电力物联网的战略建设目标。其中，输电三维全景仿真技术的研究和应用是输电全景智慧监控平台建设的重要组成，可广泛应用在线路状态实时感知与智能诊断、自然灾害全景感知与预警决策、空天地多维融合与协同自主巡检、线路检修智能辅助与动态防护等典型场景应用中，实现输电线路巡检、检修、在线监测等全业务域数据的共享、分析和专业化展示，从而提高智慧线路综合监控系统的智能化应用和专业化水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，整合三维全景可视化技术来丰富和完善输电全景监控平台典型场景应用，以实现输电智能化集中监控。
本发明采用的技术方案是：
一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，包括以下步骤：
步骤1：选取已具备输电线路三维可视建模条件的输电线路，通过搭载激光雷达的无人机对其采集线路全通道激光点云数据，
步骤2：采用渲染技术增强点云数据中杆塔、导线及通道地物的点云立体感和现场感，以逆向建模；
步骤3：将点云数据与倾斜摄影数据相融合获得三维实景模型，并将三维实景模型数据叠加到地理信息系统；
步骤4：将输电在线状态感知与诊断预警同三维场景的深度整合并展示。
进一步地，对全通道激光点云数据作优化处理，包括以下步骤：
步骤1-1，采用空间数据库存储切片文件并建立空间索引；
具体地，采用空间数据库存储管理，建立空间索引，替代目前以文件方式发布的模式，提高数据的访问、移植及管理效率。
步骤1-2，优化点云数据处理算法：点云切片分层采用横向分块、纵向抽稀的方式。基于八叉树纵向抽稀，深入研究植被、地面、建筑物、杆塔等地物激光点云的抽稀模式，针对不同类型的点云数据采用不同的抽稀分层策略。
步骤1-3，优化点云数据加载策略：加载点云数据时，根据当前可视范围判断应加载的点云数据块，并判断点云数据块是否已经加载，避免多余的数据请求和加载，提高客户端内存的实用效率。
步骤1-4，建立缓存：在服务端建立端缓机制，客户端直接从服务器内存中读取信息，大幅减少文件检索和文件读取时间，提高数据加载效率。
步骤1-5，数据压缩传输：代理服务器通过开启文件压缩，将文件压缩传输，减少网络发送数据量，提高文件网络传输效率。
进一步地，步骤2中点云逆向建模包括数据预处理、矢量建模和添加纹理；
数据预处理包括点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、点云数据的分类、不同站点扫描数据的配准及融合；数据预处理为矢量建模提供可靠精确的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度；
矢量建模包括三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理和模型简化；
添加纹理包括模型构件勾勒、点云去除、构件映射。
进一步地，步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1，机载激光雷达航测与机载倾斜影像采集，同时获取激光雷达点云数据与倾斜影像；
步骤3-2，对激光雷达点云进行分层分离出不同的地物类型，以初步构建地物的三维模型；
地物类型包括线路导线、杆塔、建筑物、树木、道路。
步骤3-3，利用激光雷达点云与倾斜摄影中的垂直影像制作正摄影像图（DOM）；
步骤3-4，基于地面采集影像、地物三维模型，分别构建线路本体实物贴图模型、线路通道要素模型和树木模型。
进一步地，步骤4具体包括以下步骤：
步骤4-1，通过将输电线路杆塔上安装的视频装置实时视频画面投射进激光点云三维模型场景中加以融合，并通过相应姿态参数控制投影效果，实现更有效的进行视屏监控与管理，增加虚拟模型的信息承载量，实现虚拟现实模拟效果。
步骤4-2，利用数据融合技术实现对激光点云可视化管理相关重点业务信息的集中展示，
步骤4-3，利用数据分析技术结合预警规则知识库展开多主题综合分析，进行深度价值挖掘、特征分析，实现预测预警。
进一步地，步骤4-2中的集中展示包括：交跨管理、三跨管理、巡视管理、隐患缺陷管理、无人机航巡管理、大数据分析（热力分析、聚类分析、时空分析、归类分析）、故障测距定位管理、点云数据版本管理。
本发明采用以上技术方案，从实用化和创新性角度出发，通过研究并应用点云逆向建模、设备模型挂载、空间数据存储优化、点云数据处理算法、点云数据加载策略、数据压缩传输与缓存、点云效果增强、点云与倾斜摄影融合、三维空间数据融合展示等新技术，实现输电线路的三维可视化，并以此为基础实现三维仿真技术与输电在线监控技术的业务融合应用。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明通过无人机对输电通道激光点云数据的采集流程示意图；
图2：为本发明输电通道激光点云数据与三维倾斜的叠加建模结构示意图；
图3：为本发明三维仿真场景在线路巡检中的整合应用的使用状态图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1至3之一所示，本发明公开了基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，具体步骤如下：
步骤一：选取具备输电线路三维可视建模条件的输电线路，通过搭载激光雷达的无人机对其采集线路全通道激光点云数据，对已采集的点云数据进行效果增强，采用特殊的渲染技术，增强杆塔、导线及通道地物的点云立体感和现场感，用以提高激光点云三维可视化平台的易用性、提升三维模型数据的展示效率，以满足国网公司对输电线路三维可视化提出的智能化要求。
在此实施过程中，由于激光点云三维可视化系统需要实时交互展示地形、高清影像、激光点云及其它三维模型数据，在浏览器上利用WEBGL技术进行实时图形绘制，由于数据量大，对服务器文件读写效率、网络传输速度、本地显卡性能均有较高要求。为了提高平台的易用性，提升三维模型数据的展示效率，需要从网络、服务器、客户端、数据等方面加以优化：
（1）采用空间数据库存储切片文件，建立空间索引：采用空间数据库存储管理，建立空间索引，替代目前以文件方式发布的模式，提高数据的访问、移植及管理效率。
（2）优化点云数据处理算法：点云切片分层采用横向分块、纵向抽稀的方式。基于八叉树纵向抽稀，深入研究植被、地面、建筑物、杆塔等地物激光点云的抽稀模式，针对不同类型的点云数据采用不同的抽稀分层策略。
（3）优化点云数据加载策略：加载点云数据时，根据当前可视范围判断应加载的点云数据块，并判断点云数据块是否已经加载，避免多余的数据请求和加载，提高客户端内存的实用效率。
（4）建立缓存：在服务端建立端缓机制，客户端直接从服务器内存中读取信息，大幅减少文件检索和文件读取时间，提高数据加载效率。
（5）数据压缩传输：代理服务器通过开启文件压缩，将点云、地形等静态文件压缩传输，减少网络发送数据量，提高文件网络传输效率。
步骤二：对点云数据进行效果增强，采用特殊的渲染技术，增强杆塔、导线及通道地物的点云立体感和现场感。该过程主要对如何解决目前激光点云密度不足、点云易丢失等问题展开研究，通过研究点云逆向建模对点云数据开展预处理、矢量建模、添加纹理等技术处理，实现杆塔、绝缘子、金具等输电线路设备部件模型的精细化、立体化、纹理化。
在此过程中，综合应用前端渲染技术WebGL，为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型，创建复杂的数据视觉化，实现杆塔、导线及通道地物点云立体感和现场感更强。在点云逆向建模的过程中，整个建模过程包括数据预处理、矢量建模和添加纹理三个部分：
（1）数据预处理为矢量建模提供可靠精确的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。数据预处理阶段涉及的内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、点云数据的分类、不同站点扫描数据的配准及融合等。
（2）矢量建模阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理和模型简化等。
（3）添加纹理阶段涉及的内容有模型构件勾勒、点云去除、构件映射。
步骤三：将点云数据与倾斜摄影数据相融合，用于解决倾斜摄影几何精度低、三维点云无法精确表示地物纹理信息的问题。将两者融合可以获得更完美、逼真的三维实景模型。针对智慧线路、特殊区域线路等特殊线路的三维精细化需求，通过点云与倾斜摄影相融合，充分结合点云的几何高精度与倾斜摄影的三维模型高可视化效果的各自优势，构建更完美、逼真的输电线路三维实景模型，并将此模型数据叠加到地理信息系统（GIS），在GIS上的整个或部分地球表层空间中加以描述和呈现。在此过程中，可细分为以下几个子过程：
（1）机载激光雷达航测与机载倾斜影像采集，同时获取激光雷达点云数据与倾斜影像；
（2）对激光雷达点云进行分层，分离出其中的线路导线、杆塔、建筑物、树木、道路等地物类型，初步构建地物的三维模型；
（3）激光雷达点云与倾斜摄影中的垂直影像，制作正摄影像图（DOM）；
（4）地面采集影像、地物三维模型，分别构建线路本体实物贴图模型、线路通道要素模型和树木模型。
步骤四：将输电在线状态感知与诊断预警同三维场景的深度整合。具体过程如下：
（1）通过将输电线路杆塔上安装的视频装置实时视频画面投射进激光点云三维模型场景中加以融合，并通过相应姿态参数控制投影效果，实现更有效的进行视屏监控与管理，增加虚拟模型的信息承载量，实现虚拟现实模拟效果。
（2）利用数据融合技术，实现对激光点云可视化管理相关重点业务信息的集中展示，主要包括：交跨管理、三跨管理、巡视管理、隐患缺陷管理、无人机航巡管理、大数据分析（热力分析、聚类分析、时空分析、归类分析）、故障测距定位管理、点云数据版本管理等。
（3）借助数据分析技术、结合预警规则知识库，开展多主题综合分析，进行深度价值挖掘、特征分析，实现预测预警。
在实现输电在线监测与三维场景深度整合的基础上，扩展模拟无人机第一视角的沿线巡检功能，该功能是输电线路智能巡检应用的重要组成，可以自主设定飞行高度和飞行速度。选择一条线路、飞行的起始杆塔和终止杆塔读取飞行路线，根据给定的速度沿着杆塔线路飞行，同时将画面最近的一基杆塔的所有实时业务数据融合展示到三维场景画面中，辅助漫游巡视人员查阅所有数据，判断杆塔健康状态，业务数据主要包括最新人工巡视数据、存在的隐患缺陷、检测到期预警、检修实时开展的业务数据、在线监测实时数据（如：微拍最新图片、外破预警、视频实时画面、山火预警、覆冰舞动、微气象等），如遇需要详细查阅资料时，可以暂停飞行（巡视）。
本发明应用三维全景可视化技术来丰富和完善输电全景监控平台典型场景应用，通过激光点云技术与智慧线路智能监控系统的集成和数据融合，实现输电线路巡检、检修、在线监测等全业务域数据的共享、分析和专业化展示，从而提高智慧线路综合监控系统的智能化应用和专业化水平。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤1：选取已具备输电线路三维可视建模条件的输电线路，通过搭载激光雷达的无人机对其采集线路全通道激光点云数据，
步骤2：采用渲染技术增强点云数据中杆塔、导线及通道地物的点云立体感和现场感，以逆向建模；
步骤3：将点云数据与倾斜摄影数据相融合获得三维实景模型，并将三维实景模型数据叠加到地理信息系统；
步骤4：将输电在线状态感知与诊断预警同三维场景的深度整合并展示。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，其特征在于：步骤1中对全通道激光点云数据作优化处理，包括以下步骤：
步骤1-1，采用空间数据库存储切片文件并建立空间索引；
步骤1-2，优化点云数据处理算法：点云切片分层采用横向分块、纵向抽稀的方式；基于八叉树纵向抽稀，针对不同类型的点云数据采用不同的抽稀分层策略；
步骤1-3，优化点云数据加载策略：加载点云数据时，根据当前可视范围判断应加载的点云数据块，并判断点云数据块是否已经加载，避免多余的数据请求和加载；
步骤1-4，建立缓存：在服务端建立端缓机制，客户端直接从服务器内存中读取信息，减少文件检索和文件读取时间；
步骤1-5，数据压缩传输：代理服务器通过开启文件压缩以将文件压缩传输，减少网络发送数据量并提高文件网络传输效率。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，其特征在于：步骤2中点云逆向建模包括数据预处理、矢量建模和添加纹理。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，其特征在于：数据预处理包括点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、点云数据的分类、不同站点扫描数据的配准及融合；
矢量建模包括三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理和模型简化；
添加纹理包括模型构件勾勒、点云去除、构件映射。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，其特征在于：步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1，机载激光雷达航测与机载倾斜影像采集，同时获取激光雷达点云数据与倾斜影像；
步骤3-2，对激光雷达点云进行分层分离出不同的地物类型，以初步构建地物的三维模型；
步骤3-3，利用激光雷达点云与倾斜摄影中的垂直影像制作正摄影像图（DOM）；
步骤3-4，基于地面采集影像、地物三维模型，分别构建线路本体实物贴图模型、线路通道要素模型和树木模型。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，其特征在于：步骤3-2中地物类型包括线路导线、杆塔、建筑物、树木、道路。
7.根据权利要求1所述的一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，其特征在于：步骤4具体包括以下步骤：
步骤4-1，通过将输电线路杆塔上安装的视频装置实时视频画面投射进激光点云三维模型场景中加以融合，并通过相应姿态参数控制投影效果，实现更有效的进行视屏监控与管理，增加虚拟模型的信息承载量，实现虚拟现实模拟效果；
步骤4-2，利用数据融合技术实现对激光点云可视化管理相关重点业务信息的集中展示，
步骤4-3，利用数据分析技术结合预警规则知识库展开多主题综合分析，进行深度价值挖掘、特征分析，实现预测预警。
8.根据权利要求7所述的一种基于三维仿真技术实现输电线路在线监测与智能巡检的方法，其特征在于：步骤4-2中的集中展示包括：交跨管理、三跨管理、巡视管理、隐患缺陷管理、无人机航巡管理、大数据分析、故障测距定位管理、点云数据版本管理。
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