CN115841568B - 一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，包括以下步骤：输入输电杆塔的Lidar点云数据，分离输电杆塔的塔头和塔身，提取塔头部分点云；将分割出的塔头部分按照点云数目和杆塔高度进行分层，将塔头部分的横担分离出来；输入台账信息，提取台账数据中绝缘子的安装侧信息和姿态信息；依据安装侧信息对横担下方的点云进行网格划分，提取点云轮廓，获取点云的坐标信息，将点云按照竖直方向坐标的大小进行排序，得到绝缘子挂点；提取输入台账数据中的绝缘子建模信息和导线信息构建绝缘子模型；依据绝缘子姿态信息和绝缘子挂点信息得到绝缘子空间变换矩阵；依照空间变换矩阵将绝缘子模型挂接到输电杆塔上。

Description

一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法

技术领域

本发明属于绝缘子三维重建技术领域，尤其涉及一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法。

背景技术

随着遥感技术的快速发展，多种遥感技术应用于电力巡检。相比于其他遥感技术手段机载Lidar作为一种主动遥感技术，能够直接快速的获取高精度、密集的三维点云，且不受光照和地形的限制。智能电网平台需要高精度、精细化、可视化三维空间地理信息的支撑，但基础点云数据体量大且结构离散，不能直接进行仿真模拟分析和模型可视化，需要将点云转化为高精度和精细化的三维模型。因此基于机载Lidar点云实现高压输电线路三维重建成为当前研究的热点。

公开号为CN107154075A的中国专利申请，公开了基于点云数据对变电站绝缘子进行建模的方法，其主要是通过对绝缘子点云数据进行处理，用二维多义线勾勒绝缘子的二维轮廓线，对绝缘子以中心线旋转进行三维建模；公告号为CN112884723B的中国专利，公开了一种三维激光点云数据中绝缘子串检测方法，其利用基于混合体素网格的绝缘子串点云检测方法检测出绝缘子串点云；公开号为CN112991303A的中国专利申请，公开了一种基于三维点云的电塔绝缘子串自动提取方法，对杆塔按照高度进行分层，对不同的绝缘子串分别处理，并通过投影的方法，将三维问题转化为二维图像。通过以上方案所得到的建模图像，尽管效率高但是其成本较高，同时其方法较复杂。

杆塔的台账数据中包含着很多信息，例如绝缘子的材质，绝缘子串的数量，绝缘子的位姿，导线的走向，杆塔性质等。合理的利用台账数据结合Lidar点云可以帮助我们更加精确、快速的实现对输电杆塔的重建，基于这一现状本文提出了一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，充分利用台账数据以及Lidar点云信息实现输电杆塔绝缘子部分的建模。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于结构光条纹的自动曝光控制方法，以解决现有绝缘子建模成本较高、效率低、准确率不高的问题。

为了解决以上问题，本发明公开了一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，包括以下步骤：

S1、输入输电杆塔的Lidar点云数据，分离输电杆塔的塔头和塔身,提取塔头部分点云；

S11、将杆塔点云按照∆h进行等距离划分，统计每个∆h区间内点云数目，形成点云数目和杆塔高度的直方图；

S12、分别对点云数目和杆塔高度直方图使用大小为L×1的可以移动的窗口求解局部最大点云数目和局部最低高度；

S13、将同时符合局部最大点云数目和局部最低高度的区间定义为该杆塔塔头与塔身的交接平面，按照交接平面的高度分离杆塔的塔头和塔身。

S2、将步骤S1分割出的塔头部分按照点云数目和杆塔高度进行分层，将塔头部分的横担分离出来；继续向上寻找点云数目最多的区域，将该区域定义为杆塔与横担的交界面，将塔头部分按照交界面进行分割，将横担分离出来。

S3、输入台账信息，提取台账数据中绝缘子的安装侧信息和姿态信息；

S31、从台账数据中获取绝缘子的相序信息可确定绝缘子所在的横担，得到绝缘子所在高度信息；

S32、从台账数据中获取绝缘子的安装侧信息，绝缘子安装侧的信息主要有三种，分别为中间、大号侧、小号侧。中间位置指的是绝缘子位于杆塔内部，与横担的中心线处于同一位置，大号侧指的是绝缘子的安装位置面向送电的一端，小号侧指的是绝缘子的安装位置为送电的一端；此处也就是确定绝缘子位于中间位置、大号侧、小号侧；

S33、根据绝缘子的相序信息和安装侧信息，初判绝缘子在输电杆塔中的位置；

S34、从台账数据中获取绝缘子的安装类型信息，安装类型信息包括悬垂串、耐张串和跳线串。悬垂串、耐张串、跳线串结合绝缘子的安装位置信息即绝缘子与导线相连或与跳线相连即可完成对绝缘子姿态信息的提取。

S4、依据步骤S3提取的绝缘子安装侧信息对在步骤S2分离出的横担下方的点云进行网格划分，提取点云轮廓，获取轮廓内所有点云的坐标信息，将点云按照竖直方向坐标的大小进行排序，得到点云竖直方向坐标极大值和极小值所对应的点，即为绝缘子的挂点；

S41、依据对绝缘子姿态粗提取的结果，遍历粗提取区域中的所有点，得到Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，建立数据点集的最小包围盒，获取最小包围盒内点云之间的平均间距为给定间隔；对包围盒及进行网格划分，分配完网格后按照其内是否拥有数据点将网格划分为两类：一类为“实孔”，一类为“空孔”，需要对此类空孔进行填充，来避免部分数据被误判为边界点；寻找“粗边界”，寻求边界网格一般采用如下原则：对于每一个“实孔”网格，判断其相邻网格中“空孔”网格的数目，若其8个相邻网格中有一个以上是“空孔”，则当前网格是边界网格，否则不是；

S42、用以给定间隔为边长的矩形网格将最小包围盒进行分割,网格的边长为：

分别计算X和Y方向上的网格数为：

遍历所有网格，寻找边界网格，将这些边界网格按顺序连接起来形成一条由边界网格组成的粗边界；

S43、对每个边界网格判断其内的点是否为边界点，将所有边界点按顺序连接形成初始边界线，得到点云轮廓，提取点云轮廓内的所有点得到绝缘子点云；

S44、遍历所有绝缘子点云，获取其三维坐标信息，将所有点云按照Z值的大小进行排序，将Z值最大的点和最小的点提取出来即为绝缘子的挂点。

S5、提取步骤S3输入台账数据中的绝缘子建模信息和导线信息构建绝缘子模型；

S51、从台账数据中获取待重建绝缘子的材料及绝缘子片的半径，依照材料信息和半径信息在已有绝缘子模型库中选择符合条件的绝缘子最小片模型；

S52、从台账数据的导线部分中获取绝缘子顶端挂点数以及末端分裂根数，从已有的模型库中获取金具部件模型实现绝缘子金具模型的构建；

S53、从台账数据中获绝缘子串型、每串的片数、端部结构信息，按照获取到的信息将绝缘子最小盘模型进行组装，获得绝缘子串模型，在绝缘子串模型上安装上金具模型，实现绝缘子模型的构建。

S6、依据步骤S3获取的绝缘子姿态信息和步骤S4获取的绝缘子挂点信息得到绝缘子空间变换矩阵；所述的步骤S6中通过获取到的绝缘子在横担上的挂点坐标，表达为平移向量，以及从台账数据中获取到的绝缘子的姿态，表达为旋转向量，构建绝缘子在杆塔坐标系中的空间矩阵。

S7、依照步骤S6获取的空间变换矩阵将步骤S5的绝缘子模型挂接到输电杆塔上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，具有建模效率高、全过程自动实现、建模后的绝缘子位置及位姿准确率高等特点，可在输变电工程对输电杆塔三维模型重建中使用，提高对输电杆塔中绝缘子部分重建的效率。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明将塔头与塔身分离的结果示意图；

图3为本发明横担提取的结果示意图；

图4为本发明最终绝缘子重建的结果示意图。

实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例对一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法进行详细说明。

步骤S1：输入输电杆塔的Lidar点云数据，将输电杆塔的点云数据进行塔头分割,将塔头部分点云提取出来，如图2所示，包括以下具体步骤：

首先将杆塔点云按照∆h进行等距离划分，计算每个∆h区间内点云密度，形成点云密度和长度直方图，∆h的取值必须保证包含足够多的点云，能够完整的保留杆塔的形状。分别对点云密度和长度直方图使用大小为L×1的可以移动的窗口求解局部最大密度和局部最小长度，将同时符合这两种特征的区间定义为该杆塔的横隔面，按照该横隔面的高度对杆塔进行塔头和塔身的分割。

步骤S2：如图3所示，将步骤S1分割出的塔头部分按照点云数目和杆塔高度进行分层，将塔头部分的横担分离出来，在S1基础上继续向上寻找点云数目最多的区域，将该区域定义为杆塔与横担的交界面，将塔头部分按照交界面进行分割，将横担分离出来。

步骤S3：输入台账信息，提取台账数据中绝缘子的安装侧信息和姿态信息。包括以下方法：

获取台账数据中关于绝缘子的安装相别A、B、C可以确定绝缘子所在的横担。提取安装侧的信息，为中间、大号侧、小号侧的一种。中间主要指的是绝缘子位于杆塔的内部，处于横担的中间部分。大号侧指的是绝缘子的安装位置面向送电的一端，小号侧指的是绝缘子的安装位置为送电的一端。根绝绝缘子的安装侧信息可以去初步的估计绝缘子在输电杆塔横担中的位置，如表1所示；

表1

绝缘子编码	安装侧	安装相别
			11M00001622829035	中间	A
11M32000256110870	大号侧	B
			11M32000256114954	小号侧	C

（2）从台账数据中获取绝缘子的安装类型信息，绝缘子的安装类型主要分为三种：悬垂串、耐张串、跳线串结合绝缘子的安装位置信息即绝缘子与导线相连或与跳线相连即可完成对绝缘子姿态信息的提取。

步骤S4：依据步骤S3提取的绝缘子安装侧信息对在步骤S2分离出的横担下方的点云进行网格划分，提取点云轮廓，获取轮廓内所有点云的坐标信息，将点云按照竖直方向坐标的大小进行排序，得到点云竖直方向坐标极大值和极小值所对应的点即为绝缘子的挂点，如图4所示。包括以下方法：

（1）依据对绝缘子姿态粗提取的结果，对粗提取区域中的点云建立数据点集的最小包围盒，对包围盒及进行网格划分，分配完网格后按照其内是否拥有数据点将网格划分为两类：一类为“实孔”，一类为“空孔”，需要对此类空孔进行填充，来避免部分数据被误判为边界点；

（2）寻找“粗边界”，寻求边界网格一般采用如下原则：对于每一个“实孔”网格，判断其相邻网格中“空孔”网格的数目，若其8个相邻网格中有一个以上是“空孔”，则当前网格是边界网格，否则不是；

（3）粗网格只能粗略地表现出点云轮廓的大致形状，并不能满足工程中精度的要求，需要得到精确的边界，需要对粗糙的网孔边界进行细化处理，需要提取出每个边界网孔中的边界点，将所有边界点按照顺序连接形成初始边界线，每个边界线经过平滑处理得到最终的点云边界，将点云边界内的点提取出来得到绝缘子点云；

（4）遍历所有绝缘子点云，获取其三维坐标信息，将点集按照Z坐标值的大小进行排序，将Z值最大的点和最小的点提取出来为绝缘子的挂点。

步骤S5：提取步骤S3输入台账数据中关于绝缘子模型的信息如表2所示构建绝缘子模型。包括以下方法：

表2

绝缘子编码	绝缘子材料	绝缘子片半径（mm）	端部结构	挂点形式
					11M00001622829035	瓷质	360	内楔式	双挂点
11M32000256110870	合成	360	内楔式	双挂点
					11M32000256114954	玻璃	360	压接式	双挂点

（1）从台账数据中获取待重建绝缘子的材料及绝缘子片的半径，依照材料信息和半径信息在绝缘子模型库中选择符合条件的最小片模型；

（2）从台账数据的导线部分中获取绝缘子顶端挂点数以及末端分裂根数，从模型库中获取金具部件模型实现绝缘子金具模型的构建；

（3）从台账数据中获绝缘子串型、每串的片数、端部结构信息，按照获取到的信息将绝缘子最小片模型进行组装，获得绝缘子串模型，在绝缘子串模型上安装上金具模型，实现绝缘子模型的构建。

步骤S6：依据步骤S3获取的绝缘子姿态信息和步骤S4获取的绝缘子挂点信息得到绝缘子空间变换矩阵。包括以下方法：

通过获取到的绝缘子在横担上的挂点坐标，以及从台账数据中获取到的绝缘子的姿态，可准确的得到绝缘子在输电杆塔中的位置以及姿态，依照绝缘子的位姿信息可以确定绝缘子的输电杆塔的坐标系下的空间矩阵。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、输入输电杆塔的Lidar点云数据，分离输电杆塔的塔头和塔身，提取塔头部分点云；

S2、将步骤S1分割出的塔头部分按照点云数目和杆塔高度进行分层，将塔头部分的横担分离出来；

S3、输入台账信息，提取台账数据中绝缘子的安装侧信息和姿态信息；

S4、依据步骤S3提取的绝缘子安装侧信息对在步骤S2分离出的横担下方的点云进行网格划分，提取点云轮廓，获取轮廓内所有点云的坐标信息，将点云按照竖直方向坐标的大小进行排序，得到点云竖直方向坐标极大值和极小值所对应的点，即为绝缘子的挂点；

S5、提取步骤S3输入台账数据中的绝缘子建模信息和导线信息构建绝缘子模型；

S6、依据步骤S3获取的绝缘子姿态信息和步骤S4获取的绝缘子挂点信息得到绝缘子空间变换矩阵；

S7、依照步骤S6获取的空间变换矩阵将步骤S5的绝缘子模型挂接到输电杆塔上。

2.根据权利要求1所述的基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、将杆塔点云按照∆h进行等距离划分，统计每个∆h区间内点云数目，形成点云数目和杆塔高度的直方图；

S12、分别对点云数目和杆塔高度直方图使用大小为L×1的可以移动的窗口求解局部最大点云数目和局部最低高度；

S13、将同时符合局部最大点云数目和局部最低高度的区间定义为该杆塔塔头与塔身的交接平面，按照交接平面的高度分离杆塔的塔头和塔身。

3.根据权利要求2所述的基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：按照权利要求2所述的方法，继续向上寻找点云数目最多的区域，将该区域定义为杆塔与横担的交界面，将塔头部分按照交界面进行分割，将横担分离出来。

4.根据权利要求1所述的基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、从台账数据中获取绝缘子的相序信息可确定绝缘子所在的横担，得到绝缘子所在高度信息；

S32、从台账数据中获取绝缘子的安装侧信息，确定绝缘子位于中间位置、大号侧、小号侧，中间位置指的是绝缘子位于杆塔内部，与横担的中心线处于同一位置，大号侧指的是绝缘子的安装位置面向送电的一端，小号侧指的是绝缘子的安装位置为送电的一端；

S33、根据绝缘子的相序信息和安装侧信息，初判绝缘子在输电杆塔中的位置；

S34、从台账数据中获取绝缘子的安装类型信息，安装类型信息包括悬垂串、耐张串和跳线串。

5.根据权利要求1所述的基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41、依据对绝缘子姿态粗提取的结果，遍历粗提取区域中的所有点，得到Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，建立数据点集的最小包围盒，获取最小包围盒内点云之间的平均间距为给定间隔；

S42、用以给定间隔为边长的矩形网格将最小包围盒进行分割，网格的边长为：

分别计算X和Y方向上的网格数为：

遍历所有网格，寻找边界网格，将这些边界网格按顺序连接起来形成一条由边界网格组成的粗边界；

S43、对每个边界网格判断其内的点是否为边界点，将所有边界点按顺序连接形成初始边界线，得到点云轮廓，提取点云轮廓内的所有点得到绝缘子点云；

S44、遍历所有绝缘子点云，获取其三维坐标信息，将所有点云按照Z值的大小进行排序，将Z值最大的点和最小的点提取出来即为绝缘子的挂点。

6.根据权利要求1所述的基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51、从台账数据中获取待重建绝缘子的材料及绝缘子片的半径，依照材料信息和半径信息在已有绝缘子模型库中选择符合条件的绝缘子最小片模型；

S52、从台账数据的导线部分中获取绝缘子顶端挂点数以及末端分裂根数，从已有的模型库中获取金具部件模型实现绝缘子金具模型的构建；

S53、从台账数据中获绝缘子串型、每串的片数、端部结构信息，按照获取到的信息将绝缘子最小盘模型进行组装，获得绝缘子串模型，在绝缘子串模型上安装上金具模型，实现绝缘子模型的构建。

7.根据权利要求1所述的基于台账数据的输电杆塔绝缘子重建的方法，其特征在于，所述的步骤S6中通过获取到的绝缘子在横担上的挂点坐标，表达为平移向量，以及从台账数据中获取到的绝缘子的姿态，表达为旋转向量，构建绝缘子在杆塔坐标系中的空间矩阵。

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