CN116545122B - 一种输电线路防外破监测装置和防外破监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种输电线路防外破监测装置和防外破监测方法，包括：摄像头用于拍摄输电线路及周边环境的监拍图片；点云处理模块用于基于输电线路点云数据，利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面；数据融合模块用于将监拍图片和点云数据进行融合；定位测距模块用于从监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的点云数据确定施工机械的位置；基于导线所在的平面结合施工机械的位置确定施工机械与导线的距离；本发明将点云数据和监拍图片进行配准实现施工机械的精确定位，进而实现施工机械与导线的定量测距实现输电线路防外破监测；本装置利用已有的输电线路点云数据，不需定期进行动态激光扫描，功耗低，算力要求低，安装方便适合野外布设。

Description

一种输电线路防外破监测装置和防外破监测方法
技术领域
本发明属于输电线路运检领域，具体涉及一种输电线路防外破监测装置和防外破监测方法。
背景技术
在输电线路运检领域中，外力破坏（如施工机械、施工作业）是很重要的一个监测预警内容。研究发现，输电线路外破已经成为66kV及以上输电线路故障原因的第一诱发因素。
现有的输电线路外破检测方法大致可分为三种：可视化监拍、激光雷达和可视化监拍的结合以及星地协同监测。其中，可视化监拍具备清楚、直观、拍摄频次高等优点，但图像处理量大、无法定量测距，且误报率高。申请公布号为CN114578374A的发明专利，利用激光雷达结合可视化监拍技术进行外破监测，可实现毫米级高精度的三维建模和测距，但由于激光雷达扫描产生的高密度点云，产生了计算量大，算力要求高，功耗高，成本贵的缺点；此外，激光雷达工作时受天气和大气影响大，且激光雷达的波束极窄，只能在较小的范围内搜索、捕获目标，严重影响测量精度。“基于激光点云与图像融合的3D目标检测研究”的论文，通过将激光点云与图像融合进行外破监测，减少了计算量并提高了三维检测精度，但该论文对三维目标检测不同模态的数据融合存在一定困难，且不能充分利用视觉语义以及点云空间信息，数据融合方式和融合效率有待进一步提升。鉴于上述原因，至今没有一种可大范围推广的输电线路防外破监测方法。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种输电线路防外破监测装置，包括：通信连接的摄像头、点云处理模块、数据融合模块和定位测距模块；
所述摄像头，用于按设定时间间隔对输电线路及周边环境进行拍摄得到监拍图片；
所述点云处理模块，用于基于预先获取的输电线路点云数据，利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面；
所述数据融合模块，用于将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合；
所述定位测距模块，用于从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置；基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述输电线路点云数据，利用激光雷达技术对输电线路及周边环境进行扫描得到。
优选的，所述数据融合模块，包括：同名点单元和融合单元；
所述同名点单元分别与所述摄像头和点云处理模块通信连接，用于获取所述监拍图片和输电线路点云数据，并将所述监拍图片中的像素点和所述输电线路点云数据进行对应确定同名点；
所述融合单元，用于基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合。
优选的，所述融合单元具体用于：
分别确定所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中点的坐标；
基于预先获取的摄像头的内方位元素、外方位元素和所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，确定所述同名点在大地坐标系中的坐标；
基于所述同名点在大地坐标系中的坐标和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中的坐标，采用前后方交会法确定同名点在所述监拍图片和输电线路点云数据中的映射关系，作为所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系；
其中，所述输电线路点云数据坐标系为大地坐标系。
优选的，所述同名点为所述监拍图片中与所述输电线路点云数据对应的像素点的集合；
所述同名点包括：组成所述监拍图片中输电杆塔各横担角点、辅材交叉点、导线的连接点、输电杆塔塔基突出高点和输电线路附近建筑物角点的像素点的集合。
优选的，所述定位测距模块，包括：识别单元、定位单元和测距单元；
所述识别单元，用于利用图像识别模型识别所述监拍图片中的施工机械，得到所述监拍图片中施工机械的像素点；
所述定位单元，用于基于所述映射关系，通过像素匹配法将所述施工机械的像素点映射到输电线路点云数据中，得到所述施工机械在输电线路点云数据坐标系中的坐标作为所述施工机械的位置；
所述测距单元，用于基于所述导线所在的平面，计算所述施工机械的位置到所述导线平面的净空距离作为所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述图像识别模型包括卷积神经网络模型。
优选的，所述点云处理模块，包括：调优单元、导线坐标单元和导线平面单元；
所述调优单元，用于基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云；
所述导线坐标单元，用于利用双曲线模型和最小二乘法对所述导线调优点云进行拟合，得到调优的导线坐标；
所述导线平面单元，用于基于所述调优的导线坐标通过计算平面方程确定所述输电线路导线平面；
其中，所述差异系数，基于季节并结合气温、载流量和湿度中一种或多种的变化量设定。
优选的，所述点云处理模块，还包括：预处理单元；
所述预处理单元，用于在调用所述调优单元之前，对所述输电线路点云数据进行去冗余处理。
优选的，所述点云处理模块、数据融合模块和定位测距模块的通信方式为串行通信。
优选的，所述输电线路防外破监测装置还包括：告警模块；
所述告警模块与所述定位测距模块通信连接；所述告警模块用于获取并判断所述施工机械与所述导线的距离是否大于设定的告警距离；当判断所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时进行告警。
优选的，所述输电线路防外破监测装置还包括：4G天线；所述4G天线分别与所述点云处理模块和定位测距模块通信连接；
所述点云处理模块通过所述4G天线从监测后台获取所述输电线路点云数据；
所述定位测距模块通过所述4G天线将所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时对应的监拍图片发送至所述监测后台。
优选的，所述输电线路防外破监测装置还包括：控制模块；
所述控制模块用于控制所述点云处理模块、数据融合模块或定位测距模块单独进行工作。
优选的，所述输电线路防外破监测装置还包括：太阳能板；所述太阳能板用于为所述装置供电。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种输电线路防外破监测方法，包括：
通过输电线路防外破监测装置中的摄像头，按设定时间间隔对输电线路及周边环境进行拍摄得到监拍图片；
基于预先获取的输电线路点云数据，通过输电线路防外破监测装置中的点云处理模块利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面；
通过输电线路防外破监测装置中的数据融合模块，将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合；
通过输电线路防外破监测装置中的定位测距模块从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置；基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述输电线路点云数据，利用激光雷达技术对输电线路及周边环境进行扫描得到；
所述方法采用所述的输电线路防外破监测装置进行输电线路防外破监测。
优选的，所述通过输电线路防外破监测装置中的数据融合模块，将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合，包括：
通过所述数据融合模块，将所述监拍图片中的像素点和所述输电线路点云数据进行对应确定同名点；
基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合。
优选的，所述基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合，包括：
分别确定所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中点的坐标；
基于预先获取的摄像头的内方位元素、外方位元素和所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，确定所述同名点在大地坐标系中的坐标；
基于所述同名点在大地坐标系中的坐标和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中的坐标，采用前后方交会法确定所述监拍图片中同名点和所述输电线路点云数据中同名点的映射关系，作为所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系；
其中，所述输电线路点云数据坐标系为大地坐标系。
优选的，所述同名点为所述监拍图片中与所述输电线路点云数据对应的像素点的集合；
所述同名点包括：组成所述监拍图片中输电杆塔各横担角点、辅材交叉点、导线的连接点、输电杆塔塔基突出高点和输电线路附近建筑物角点的像素点的集合。
优选的，所述通过输电线路防外破监测装置中的定位测距模块从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置，包括：
通过所述定位测距模块利用图像识别模型识别所述监拍图片中的施工机械，得到所述监拍图片中施工机械的像素点；
基于所述映射关系，通过像素匹配法将所述施工机械的像素点映射到输电线路点云数据中，得到所述施工机械在输电线路点云数据坐标系中的坐标作为所述施工机械的位置；
其中，所述图像识别模型包括卷积神经网络模型。
优选的，所述基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离，包括：
基于所述导线所在的平面，通过所述定位测距模块计算所述施工机械的位置到所述导线平面的净空距离作为所述施工机械与所述导线的距离。
优选的，所述基于预先获取的输电线路点云数据，通过输电线路防外破监测装置中的点云处理模块利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面，包括：
基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过所述点云处理模块引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云；
利用双曲线模型和最小二乘法对所述导线调优点云进行拟合，得到调优的导线坐标；
基于所述调优的导线坐标通过计算平面方程确定所述输电线路导线平面；
其中，所述差异系数，基于季节并结合气温、载流量和湿度中一种或多种的变化量设定。
优选的，所述基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过所述点云处理模块引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云之前，还包括：
通过所述点云处理模块对所述输电线路点云数据进行去冗余处理。
优选的，所述基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离之后，还包括：
通过所述输电线路防外破监测装置中的告警模块，判断所述施工机械与所述导线的距离是否大于设定的告警距离；当判断所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时进行告警。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
1．本发明提供了一种输电线路防外破监测装置和防外破监测方法，所述装置包括：通信连接的摄像头、点云处理模块、数据融合模块和定位测距模块；所述摄像头，用于按设定时间间隔对输电线路及周边环境进行拍摄得到监拍图片；所述点云处理模块，用于基于预先获取的输电线路点云数据，利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面；所述数据融合模块，用于将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合；所述定位测距模块，用于从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置；基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离；其中，所述输电线路点云数据，利用激光雷达技术对输电线路及周边环境进行扫描得到；本发明通过前后方交会法将点云数据中的点和监拍图片中的像素点进行对应，实现可视化监拍图像与激光点云数据的高效率融合；将监拍图片中的施工机械映射到融合后的点云数据中，可确定施工机械的位置，实现施工机械的精确定位；通过计算施工机械位置与导线所在平面间的距离，可实现施工机械与导线间高精度的定量测距；通过计算施工机械位置到导线所在平面的距离，确保施工机械与输电线路间的距离处于导线不发生外破的安全距离内，实现输电线路防外破的实时监测；
2．本发明提供的装置采用已有的输电线路点云数据进行输电线路防外破监测，不需定期进行动态激光扫描，降低了装置的运行功耗，降低了算力要求，节约了成本，且安装方便更适合野外布设。
附图说明
图1为本发明提供的一种输电线路防外破监测装置的设计思路示意图；
图2为本发明提供的一种输电线路防外破监测装置的基本结构示意图；
图3为本发明提供的一个输电线路防外破监测装置实施例的装置结构示意图；
图4为本发明提供的一个输电线路防外破监测装置实施例的装置安装位置示意图；
图5为本发明提供的一个输电线路防外破监测装置实施例的装置各组件数据通信关系示意图；
图6为本发明提供的一个输电线路防外破监测装置实施例中点云处理箱的组成示意图；
图7为本发明提供的一个输电线路防外破监测装置实施例中数据融合箱的组成示意图；
图8为本发明提供的一个输电线路防外破监测装置实施例中定位测距箱的组成示意图；
图9为本发明提供的一个输电线路防外破监测装置实施例中主控箱的组成示意图；
图10为本发明提供的一种输电线路防外破监测方法的流程示意图；
附图标号说明：1-可视化摄像头，2-点云处理箱，3-数据融合箱，4-定位测距箱，5-主控箱，6-喇叭告警器，7-太阳能板，8-杆塔主材，9-支柱，10-抱箍。
具体实施方式
根据2022年底的研究发现，输电线路外破已经成为66kV及以上输电线路故障原因的第一诱发因素（其比例占故障的35%），因此有必要研究一种输电线路防外破监测装置和方法。如图1所示为本发明所提装置的设计思路示意图，包括7个步骤：激光点云数据分块存取、激光点云数据预处理、可视化监拍与点云数据融合、可视化监拍快速检测、施工机械三维定位、施工机械净空距离量测和线路防外破自动告警。
本发明利用到的技术有三种：激光雷达技术、可视化监拍技术和摄影测量前后交会技术，下面分别对三种技术进行简介。
1.激光雷达技术
激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔乘以光速，再除以2，即可计算出发射器与物体的距离。
该技术的优势：可实现毫米级高精度的三维建模和测距；
该技术的劣势：激光雷达扫描产生的点云密度大，导致计算量大，要求算力高，功耗高，成本贵。
2.可视化监拍技术
即采用摄像头对物体进行监拍。
该技术的优势：清楚、直观、频次高（例如可以每10分钟拍摄一次）；研究发现，当安装有5.2万套输电线路可视化监拍装置时，日产生图片量超过80万张。2019年以来，对图片利用人工智能图像处理技术进行处理，累计发现紧急通道隐患900余处。对输电线路可视化远程巡检成果取得了显著的应用效果；
该技术的劣势：图片数据量大，只能定性监测，无法定量测距，误报率高。
3.摄影测量前后交会技术
空间前后方交会，是指恢复立体像对摄影时的光束和建立几何模型后，利用同名光线的交会确定模型点空间位置的方法。
该技术的优势：可实现高精度三维测距；
该技术的劣势：目前经常通过两张不同角度的图片实现定位，尚未开展图片和激光点云之间的前后方交互技术研究，技术手段较为单一。
通过比对现有资料发现，与本发明接近的方案之一为：基于激光雷达与可视化监拍的外破监测预警技术。
基于激光雷达与可视化监拍的外破监测预警技术中，最典型的是申请公布号为CN114578374A名为“一种输电线路激光雷达点云采集和防外破实时监测方法”的发明专利，和高压线防外破系统解决方案。
上述两个专利和研究包含了激光雷达扫描监测器、报警控制主机、高速智能球形网络摄像机、语音提示器、现场警示灯、太阳能电池板、后台计算机或管理员手机、配套的中心客户端软件等。
其中，激光监测器是靠激光为检测媒介进行实时监测，以一道不可见激光束为监测基准线。光源受激光腔的滤波效应，其光束细、功率密度高、光线叠加幅度稳定且在时间上和空间上周期一致，既能长期工作又能保证探测精度。
控制主机主要有4G全网通路由器、电源管理控制器等部分组成。4G路由器主要是将前端探测数据传送到后台计算机，后台管理人员通过操作计算机由4G路由器向前端发送数据，前端探测器接收指令并发出相应报警处理。4G全网通路由器保障在恶劣网络条件下保障视频流畅传输。
系统配备高速智能球形网络摄像机，是集网络远程监控功能、视频服务器功能和高清智能球功能为一体的新型网络智能球形摄像机。智能球除具有预置点、扫描等基础功能外，还基于无线网控制，可实现图像压缩并能通过4G网络传输给系统后台。智能球内置云台，精密电机驱动，设备反应灵敏、运转平稳，在任何情况下，实现图像无抖动。
太阳能电池板选用大功率单晶硅板，其转换效率高，工作温度范围宽；电池板采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。
系统支持现场声光报警、提示音报警及远程对讲等功能，报警时系统启动现场声光报警器，用户可与现场远程对讲，通过大功率喇叭实现对现场喊话。
中心软件一款集成接警、视频复核、信息发布等功能于一体的综合大型平台软件。支持在线地图、支持视频复核，报警录像、移动客户端报警和信息发布。中心可以自动探测发生在监测高压线区域内的侵入破坏行为，产生报警信号并提示值班人员发生报警的区域部位。能够接入服务器平台且能够接入应急中心大屏幕，并支持该平台的所有视频智能分析功能、云台操作、预置位及各项联动报警功能。
而基于激光雷达与可视化监拍的外破监测预警技术的优势和劣势，均主要集中于激光雷达：
激光雷达分钟级监测虽可以实现毫米级高精度的三维建模和测距，但产生的点云密度大，导致计算量大，要求算力高，功耗高，成本贵。
此外，激光雷达工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远。而在坏天气里（如大雨、浓烟、浓雾等），衰减急剧加大，传播距离大受影响。如工作波长为10.6微米的二氧化碳激光，是所有激光中大气传输性能较好的，在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的二氧化碳激光雷达的作用距离，晴天为10—20公里，而坏天气则降至1公里以内。而且，大气环流还会使激光光束发生畸变、抖动，直接影响激光雷达的测量精度。
其次，由于激光雷达的波束极窄，在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率，只能在较小的范围内搜索、捕获目标。在通道外破监测场景下，要想实现500米标准档距范围监测，功耗将近30瓦。
与本发明接近的方案之二为：基于激光点云与图像融合的3D目标检测技术，其中的代表如名为“基于激光点云与图像融合的3D目标检测研究”的论文。
该论文研究激光雷达与摄像头融合的目标检测技术，得出大部分融合算法难以精确检测行人、骑行人等较小目标物体的缺陷，因此提出一种基于自注意力机制的点云特征融合网络。首先，改进Faster-RCNN目标检测网络以形成候选框，然后根据激光雷达和相机的投影关系提取出图像目标框中的视锥点云，减小点云的计算规模与空间搜索范围；其次，提出一种基于自注意力机制的Self-Attention PointNet网络结构，在视锥范围内对原始点云数据进行实例分割；然后，利用边界框回归PointNet网络和轻量级T-Net网络来预测目标点云的3D边界框参数，同时在损失函数中添加正则化项以提高检测精度；最后，在KITTI数据集上进行验证。结果表明，所提方法明显优于广泛应用的F-Point Net，在简单、中等和困难任务下，汽车、行人和骑行人的检测精度均得到较大的提升，其中骑行人的检测精度提升最为明显。同时，与许多主流的三维目标检测网络相比具有更高的准确率，有效地提高了3D目标检测的精度。
此方向的研究主要关注通过融合激光点云和图像，实现小、细目标的识别检测。不仅融合方式和融合效率有待进一步提升，而且三维目标检测不同模态的数据融合存在一定困难，不能充分第利用视觉语义以及点云空间信息，没有提高不同模态的融合效率并充分利用各模态数据的优势。
从技术关注点而言，本发明与现有基于激光点云与图像融合的3D目标检测技术侧重点不同。现有技术侧重于深度融合检测小尺度目标。本技术发明是通过可视化图像提取目标后，与静态激光点云配准，实现目标快速三维定位。
和本技术发明最类似的是激光雷达+可视化监拍的技术/装置。但现有激光雷达+可视化监拍是将激光雷达安装于杆塔，通过定期扫描激光点云，结合摄像头开展外力破坏（施工机械）的距离定量测算。优势是解决了单纯利用可视化监拍造成的误报率高、无法测距、只能定性识别、误报率高的问题。劣势在于激光点云定期扫描功耗大、算力要求高，成本贵，在野外输电线路无市电情况下大范围使用很难。
本发明不用定期激光点云扫描。通过利用前期无人机扫描的激光点云（静态的、已有的），结合可视化监拍，利用前后方交互将点云和图片进行高精度配准融合，实现融合静态点云和动态图片的输电通道外力破坏（施工机械）分钟级拍摄与定量测距。当施工机械进入通道保护区，触发告警，降低防外破监测的误报率和量化告警水平。本技术发明由于不采用动态激光点云，所以功耗、算力要求大幅度降低，更适合野外布设。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明提供了一种输电线路防外破监测装置，其基本结构示意图如图2所示，包括：
通信连接的摄像头、点云处理模块、数据融合模块和定位测距模块；
所述摄像头，用于按设定时间间隔对输电线路及周边环境进行拍摄得到监拍图片；
所述点云处理模块，用于基于预先获取的输电线路点云数据，利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面；
所述数据融合模块，用于将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合；
所述定位测距模块，用于从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置；基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述输电线路点云数据，利用激光雷达技术对输电线路及周边环境进行扫描得到。
依据设计思路的激光点云数据分块存取步骤，利用激光雷达或无人机航拍对输电线路及其周边环境进行航拍得到所述输电线路点云数据（为历史数据），并将输电线路点云数据分杆塔区段逐基杆塔分块；随后将输电线路点云数据的坐标转化为大地坐标系下的三维坐标。
依据设计思路中的激光点云数据预处理步骤，设计了点云处理模块；
激光点云数据预处理步骤包括：冗余信息剔除、输电导线状况调优和输电导线平面计算；
（1）冗余信息剔除。将输电线路点云数据进行定制化预处理。一方面，仅保留输电线路本体（杆塔、导线、金具等）点云信息；另一方面，结合最新的可视化监拍图像，筛选输电通道部门永久性/半永久性地面目标（如裸土、长时间不变的建筑物）点云信息，其余点云数据全部去掉；
由此步骤设计了所述点云处理模块的预处理单元，所述预处理单元，用于对所述输电线路点云数据进行去冗余处理。
（2）输电导线状况调优。由于输电线路激光点云为历史数据，需要结合历史和当下季节、气温、载流量、湿度等因素差异，乘以经验系数m（0.9≤m≤1.2），对输电线路导线弧垂进行调优，通过双曲线模型和最小二乘法拟合得到当下的输电线路导线三维坐标；此过程主要考虑载流量，还有气候对导线弧垂的影响，具体来说主要是季节的影响，因此调优的频率可以设定为一个月甚至一个季度（比如夏天和冬天）调优一次；
由此步骤设计了所述点云处理模块的调优单元和导线坐标单元；
所述调优单元，用于基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云；其中，所述差异系数，基于季节并结合气温、载流量和湿度中一种或多种的变化量设定；
所述导线坐标单元，用于利用双曲线模型和最小二乘法对所述导线调优点云进行拟合，得到调优的导线坐标。
（3）输电导线平面计算。选择输电导线两端挂点以及导线上任选的两个点，假设导线两端挂点的坐标为（x 1，y 1，z 1）和（x 2，y 2，z 2），导线上任选的两个点的坐标为（x 3，y 3，z 3）和（x 4，y 4，z 4），基于上述四个坐标利用平面方程计算导线所在平面Ax+By+Cz+D=0，并求解出A、B、C、D；
由此步骤设计了所述点云处理模块的导线平面单元，所述导线平面单元，用于基于所述调优的导线坐标通过计算平面方程确定所述输电线路导线平面。
依据设计思路中的可视化监拍与点云数据融合步骤，设计了摄像头和数据融合模块；
可视化监拍与点云数据融合步骤包括：获取可视化监拍图片及内外方位元素、同名点选取和高精度配准；
（1）获取可视化监拍图片及内外方位元素。通过摄像头（可以为枪机），获取可视化监拍图片（简称为监拍图片），同时获取枪机的内外方位元素。内方位元素包括摄影中心到照片的垂距（焦距F）及像主点在框标坐标系中的坐标（x,y）。外方位元素包括摄影中心在某一空间直角坐标系中的三维坐标值（Xs,Ys,Zs）和确定摄影光束空间方位的三个角定向元素（航向倾角Φ、旁向倾角Ω和像片旋角α）共6个数据。依据上述六个外方位元素，就能恢复照片与被摄地面之间的相互关系，重建地面立体模型，利用地面立体模型提取目标的几何和物理信息确定具体位置；
由此步骤设计了摄像头，并设置摄像头的拍摄时间间隔为5分钟。
（2）同名点选取。所述同名点为所述监拍图片中与所述输电线路点云数据对应的像素点的集合，将输电线路点云数据和监拍图片进行同名点选取，关键在于人工选取的同名点样本库，样本库中的同名点包括组成所述监拍图片中输电杆塔各横担角点、辅材明显交叉点、输电导线的连接点、输电线路附近的半永久建筑物角点和输电杆塔塔基突出高点的像素点的集合；
根据若干次试验得出，可以不使用全部的同名点，而仅需选取不少于12个同名点即可实现监拍图片和输电线路点云数据的融合，且选取的同名点中输电杆塔本身的点的数量不低于四分之一；
由此步骤设计了所述数据融合模块的同名点单元，所述同名点单元分别与所述摄像头和点云处理模块通信连接，用于获取所述监拍图片和输电线路点云数据，并将所述监拍图片中的像素点和所述输电线路点云数据进行对应确定同名点。
（3）高精度配准。确定选取的同名点在监拍图片的可视化图像局域坐标系中的像素坐标（x i ，y i ）(i=1,2,...,n)，n≥12，式中i为同名点序号，n为选取的同名点总数；确定选取的同名点在点云数据坐标系（即大地坐标系）中的三维坐标（x i ，y i ，z i ）(i=1,2,...,n)，n≥12；基于同名点在监拍图片中的像素坐标、同名点在点云数据坐标系中的坐标和内外方位元素，根据现有前后方交会方法计算得到监拍图片和点云数据之间的映射关系，实现可视化图像和激光点云的高精度配准；
由此步骤设计了所述数据融合模块的融合单元；所述融合单元，用于基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合。
具体来说，所述融合单元用于：分别确定所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中点的坐标；
基于预先获取的摄像头的内方位元素、外方位元素和所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，确定所述同名点在大地坐标系中的坐标；
基于所述同名点在大地坐标系中的坐标和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中的坐标，采用前后方交会法确定同名点在所述监拍图片和输电线路点云数据中的映射关系，作为所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系。
由设计思路中的可视化监拍快速检测步骤、施工机械三维定位步骤和施工机械净空距离量测步骤设计了所述定位测距模块；
设计思路中的可视化监拍快速检测步骤包括：利用现有的图像识别模型（如FastCNN卷积神经网络模型等），对监拍图片中的施工机械进行检测识别，并将施工机械用外接最小矩形框框出；
由此步骤设计了所述定位测距模块的识别单元，所述识别单元，用于利用图像识别模型识别所述监拍图片中的施工机械，得到所述监拍图片中施工机械的像素点。
设计思路中的施工机械三维定位步骤包括：根据可视化监拍快速检测结果，通过像素匹配的方法标注出最小矩形框中对应的像素点在点云数据中的三维空间位置；
由此步骤设计了所述定位测距模块的定位单元，所述定位单元，用于基于所述映射关系，通过像素匹配法将所述施工机械的像素点映射到输电线路点云数据中，得到所述施工机械在输电线路点云数据坐标系中的坐标作为所述施工机械的位置。
设计思路中的施工机械净空距离量测步骤包括：基于施工机械的三维位置，结合导线平面方程Ax+By+Cz+D=0，计算施工机械与导线平面的三维净空距离L；
由此步骤设计了所述定位测距模块的测距单元，所述测距单元，用于基于所述导线所在的平面，计算所述施工机械的位置到所述导线平面的净空距离作为所述施工机械与所述导线的距离；通过计算所述施工机械与所述导线的距离进行输电线路防外破检测。
本发明还根据设计思路中的线路防外破自动告警步骤设计了告警模块；
设计思路中的线路防外破自动告警步骤包括：比较所述三维净空距离和告警距离的大小关系（依据施工机械导致线路外破的经验，将告警距离设定为20米）；若三维净空距离L>20米，结束；若三维净空距离L≤20米，则进行告警，并将此时的监拍图片传回后台；
由此步骤设计了所述告警模块，所述告警模块与所述定位测距模块通信连接；所述告警模块用于获取并判断所述施工机械与所述导线的距离是否大于设定的告警距离；当判断所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时进行告警。
本发明为减少各模块间的数据传输线路、降低输电线路防外破监测成本，将所述点云处理模块、数据融合模块和定位测距模块之间的通信方式设为串行通信。
为降低输电线路防外破监测装置的能耗，设计了控制模块；所述所述控制模块用于控制所述点云处理模块、数据融合模块或定位测距模块不同时工作，保障整个装置的瞬时功率不超过10瓦。
所述输电线路防外破监测装置还包括：4G天线；所述4G天线分别与所述点云处理模块和定位测距模块通信连接；
所述点云处理模块通过所述4G天线从监测后台获取所述输电线路点云数据；
所述定位测距模块通过所述4G天线将所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时对应的监拍图片发送至所述监测后台。
优选的，所述输电线路防外破监测装置还包括：太阳能板；所述太阳能板用于为所述装置供电。
本实施例提出的输电线路防外破监测装置具有如下效果：
本装置通过将点云数据和监拍图片进行配准，可实现施工机械的精确定位，进而实现每5分钟或更高频率的施工机械与导线间高精度的定量测距，通过定量测距实时进行输电线路防外破监测；通过前后方交会法将静态的点云数据和动态的监拍图片进行配准融合，克服了现有激光点云与图像融合的研究中数据融合效率低的问题；
本发明提供的装置采用已有的输电线路点云数据进行输电线路防外破监测，不需定期进行动态激光扫描，解决了需要定期采集点云数据导致的装置运行功耗高，算力要求高的问题；
本发明提供的装置将获取的监拍图片和点云数据进行就地处理，实现边缘计算，进而实现施工机械的三维定位实现防外破实时告警；
本发明提出的装置只需在现有设备的基础上增加点云处理模块、定位测距模块和数据融合模块并安装在输电线路杆塔主材上任何不妨碍输电线路正常工作的地方，其他的模块和设备可以复用现有设备，改造起来非常方便，节约了成本，且安装方便更适合野外布设；
通过设定各模块间的通信方式为串行通信减少了凌乱布线，提高设备的稳定性和可靠性。
实施例2 ：
本实施例依据如图1所示的设计思路设计了一个输电线路防外破监测装置，如图4所示所述一个输电线路防外破监测装置安装于输电线路杆塔上，所述一个输电线路防外破监测装置的结构示意图如图3所示，包括：可视化摄像头1、点云处理箱2、数据融合箱3、定位测距箱4、主控箱5、喇叭告警器6和太阳能板7等组件。其中，所述一个输电线路防外破监测装置通过支柱9、抱箍10（或活动卡扣）等与输电线路杆塔主材8连接。为保证现场连线的便捷性，同时兼顾设备安装可靠性，将数据融合箱3、主控箱5和喇叭告警器6通过抱箍10安装在杆塔主材8上。支柱安装于杆塔主材8上，且支柱9为中空结构，所有线路均从支柱9内部走线。定位测距箱4则装在支柱9上。太阳能板7安装于支柱9的顶端。可视化摄像头1安装于支柱9的底端，朝向对侧杆塔。点云处理箱2则通过磁铁和抱箍10直接安装在可视化摄像头1上。
上述图3和图4为本实施例提供一个输电线路防外破监测装置的一种安装位置，定位测距箱4、数据融合箱3和点云处理箱2也可以一起置于主控箱5内。进一步说，一个输电线路防外破监测装置各组件的重点在于功能而不是具体形状、结构、尺寸和安装位置，因此本实施例的一个输电线路防外破监测装置可安装于输电线路杆塔上任何不妨碍输电线路正常运行的位置。
如图5所示，为所述一个输电线路防外破监测装置各组件的数据通信关系示意图，下面结合图5的通信关系对一个输电线路防外破监测装置各组件的功能进行具体介绍：
（1）可视化摄像头1，负责以5分钟的时间间隔采集输电线路和周边环境现场的可视化图片，并通过可视化摄像头1中植入的图像识别模型对可视化图片中的施工机械进行检测，得到施工机械检测结果。
（2）如图6所示为点云处理箱2的组成示意图，包括：数据收发单元、4G天线、点云数据存储单元和点云数据处理单元；点云处理箱2负责接收、存储及处理无人机激光点云数据（无人机激光点云数据，通过无人机采用激光雷达技术对输电线路及周边环境进行扫描得到，并已事先进行去冗余等预处理）；本实施例中点云处理箱2的大小不超过10厘米×10厘米×10厘米，重量不超过1千克，平均功耗不超过5瓦；
（2-1）4G天线内置或外置于点云处理箱2；通过4G天线配合数据收发单元，接收后台传送的无人机激光点云数据，实现无人机激光点云数据的远程定期更新；4G天线不仅为点云处理箱2提供远程数据双向传输功能，还同时为现场各组件局域网提供备份通信，及配合主控箱5的数据收发单元将测距结果≤20米时的可视化图片和测距结果回传至后台；
（2-2）点云数据存储单元用于存储无人机激光点云数据；存储数据量不低于1 GB；
（2-3）点云数据处理单元用于对无人机激光点云数据进行坐标系转换等处理，最终坐标系为大地2000坐标系，并确定导线平面；
（2-4）通过数据收发单元将坐标转换后的无人机激光点云数据发送至数据融合箱3。
（3）如图7所示为数据融合箱3的组成示意图，包括：数据收发单元、点云数据存储单元、图片存储单元、坐标系转换处理卡和数据配准处理板卡；数据融合箱3负责接收并将可视化图片和无人机激光点云数据进行融合；和将可视化图片和无人机激光点云数据的融合结果（或称为配准结果，其中包含施工机械检测结果和无人机激光点云数据中的导线平面）发送至定位测距箱4；本实施例中数据融合箱3大小不超过20厘米×20厘米×20厘米，重量不超过1千克，平均功耗不超过5瓦；
（3-1）数据收发单元接收点云处理箱2发送的无人机激光点云数据，和从可视化摄像头1获取可视化图片；并将可视化图片和无人机激光点云数据的配准结果发送至定位测距箱4；
（3-2）点云数据存储单元用于存储无人机激光点云数据；
（3-3）图片存储单元用于存储可视化图片；
（3-4）坐标系转换处理卡用于对可视化图片做坐标系转换等处理，转换坐标系为大地2000坐标系（与坐标转换后的无人机激光点云数据的坐标系一致）；
（3-5）数据配准处理板卡用于对点云数据和可视化图片利用现有算法（前后方交会法）做高精度配准。
（4）如图8所示为定位测距箱4的组成示意图，包括：三维定位单元、距离计算单元和数据收发单元；定位测距箱4用于通过配准结果，并结合施工机械检测结果，确定施工机械三维位置和对导线净空距离进行测距；和将测距结果发送至主控箱5；本实施例中定位测距箱4的大小不超过10厘米×10厘米×10厘米，重量不超过1千克，平均功耗不超过5瓦；
（4-1）数据收发单元接收数据融合箱3发送的配准结果，和将测距结果发送至主控箱5；
（4-2）三维定位单元用于依据配准结果并结合施工机械检测结果，采用像素匹配法确定施工机械的三维位置；
（4-3）距离计算单元用于基于施工机械的三维位置和导线平面，计算施工机械与导线的净空距离（即测距结果）。
（5）如图9所示为主控箱5的组成示意图，包括：数据告警单元、能耗监控单元和数据收发单元；主控箱5用于接收测距结果，如果测距结果≤20米，唤醒喇叭告警器；和对各组件进行能耗监测和控制；和实现太阳能板的能源供应；
（5-1）数据收发单元接收定位测距模块4的测距结果；和将主控箱告警信号发送至喇叭告警器6；和配合点云处理箱2的4G天线将测距结果≤20米时的可视化图片和测距结果回传至后台；
（5-2）数据告警单元用于基于测距结果判断是否需要告警，当测距结果≤20米时生成主控箱告警信号；
（5-3）能源监控单元用于对各组件的能耗控制与唤醒休眠控制等基本操作；能耗控制，包括监测点云处理箱2、数据融合箱3和定位测距箱4的能耗，控制点云处理箱2、数据融合箱3和定位测距箱4不同时进行工作、串行工作，保障整个装置的瞬时功率不超过10瓦，以不超过10瓦的低功耗实现输电线路附近施工机械的定量测距；唤醒休眠控制包括控制太阳能板为所述一个输电线路防外破监测装置供电。
（6）喇叭告警器：接收主控箱告警信号，开展防外破监测告警。
（7）太阳能板：为一个输电线路防外破监测装置供电。
本实施例提供的装置通过将点云数据和监拍图片进行配准，可实现施工机械的精确定位，进而实现每5分钟或更高频率的施工机械与导线间高精度的定量测距，通过定量测距实时进行输电线路防外破监测；通过前后方交会法将静态的点云数据和动态的监拍图片进行配准融合，克服了现有激光点云与图像融合的研究中数据融合效率低的问题；
本实施例提供的装置采用已有的输电线路点云数据进行输电线路防外破监测，不需定期进行动态激光扫描，解决了需要定期采集点云数据导致的装置运行功耗高，算力要求高的问题；
本实施例提供的装置将获取的监拍图片和点云数据进行就地处理，实现边缘计算，进而实现施工机械的三维定位实现防外破实时告警；
本实施例提供的装置只需在现有设备的基础上增加点云处理模块、定位测距模块和数据融合模块并安装在输电线路杆塔主材上任何不妨碍输电线路正常工作的地方，其他的模块和设备可以复用现有设备，改造起来非常方便，节约了成本，且安装方便更适合野外布设；
本实施例提供的装置减少了凌乱布线，提高设备的稳定性和可靠性。
实施例3：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种输电线路防外破监测方法，所述方法采用如实施例1所述的输电线路防外破监测装置进行输电线路防外破监测，其流程示意图如图10所示，包括：
步骤1：通过输电线路防外破监测装置中的摄像头，按设定时间间隔对输电线路及周边环境进行拍摄得到监拍图片；
步骤2：基于预先获取的输电线路点云数据，通过输电线路防外破监测装置中的点云处理模块利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面；
步骤3：通过输电线路防外破监测装置中的数据融合模块，将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合；
步骤4：通过输电线路防外破监测装置中的定位测距模块从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置；基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述输电线路点云数据，利用激光雷达技术对输电线路及周边环境进行扫描得到。
步骤2具体包括：
基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过所述点云处理模块引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云；
利用双曲线模型和最小二乘法对所述导线调优点云进行拟合，得到调优的导线坐标；
基于所述调优的导线坐标通过计算平面方程确定所述输电线路导线平面；
其中，所述差异系数，基于季节并结合气温、载流量和湿度中一种或多种的变化量设定。
所述基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过所述点云处理模块引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云之前，还包括：
通过所述点云处理模块对所述输电线路点云数据进行去冗余处理。
步骤3具体包括：
通过所述数据融合模块，将所述监拍图片中的像素点和所述输电线路点云数据进行对应确定同名点；
基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合。
所述基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合，包括：
分别确定所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中点的坐标；
基于预先获取的摄像头的内方位元素、外方位元素和所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，确定所述同名点在大地坐标系中的坐标；
基于所述同名点在大地坐标系中的坐标和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中的坐标，采用前后方交会法确定所述监拍图片中同名点和所述输电线路点云数据中同名点的映射关系，作为所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系；
其中，所述输电线路点云数据坐标系为大地坐标系。
所述同名点为所述监拍图片中与所述输电线路点云数据对应的像素点的集合；
所述同名点包括：组成所述监拍图片中输电杆塔各横担角点、辅材交叉点、导线的连接点、输电杆塔塔基突出高点和输电线路附近建筑物角点的像素点的集合。
步骤4具体包括：
通过所述定位测距模块利用图像识别模型识别所述监拍图片中的施工机械，得到所述监拍图片中施工机械的像素点；
基于所述映射关系，通过像素匹配法将所述施工机械的像素点映射到输电线路点云数据中，得到所述施工机械在输电线路点云数据坐标系中的坐标作为所述施工机械的位置；
基于所述导线所在的平面，通过所述定位测距模块计算所述施工机械的位置到所述导线平面的净空距离作为所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述图像识别模型包括卷积神经网络模型。
在步骤4之后，还包括：
通过所述输电线路防外破监测装置中的告警模块，判断所述施工机械与所述导线的距离是否大于设定的告警距离；当判断所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时进行告警。
本实施例提出的输电线路防外破监测方法具有如下效果：
本方法通过将点云数据和监拍图片进行配准，可实现施工机械的精确定位，进而实现每5分钟或更高频率的施工机械与导线间高精度的定量测距，通过定量测距实时进行输电线路防外破监测；通过前后方交会法将静态的点云数据和动态的监拍图片进行配准融合，克服了现有激光点云与图像融合的研究中数据融合效率低的问题；
本方法采用已有的输电线路点云数据进行输电线路防外破监测，不需定期进行动态激光扫描，解决了需要定期采集点云数据导致的功耗高，算力要求高的问题；
本方法将获取的监拍图片和点云数据进行就地处理，实现边缘计算，进而实现施工机械的三维定位实现防外破实时告警。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (18)

1.一种输电线路防外破监测装置，其特征在于，包括：通信连接的摄像头、点云处理模块、数据融合模块和定位测距模块；
所述摄像头，用于按设定时间间隔对输电线路及周边环境进行拍摄得到监拍图片；
所述点云处理模块，用于基于预先获取的输电线路点云数据，利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面；
所述点云处理模块，包括：调优单元、导线坐标单元和导线平面单元；
所述调优单元，用于基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云；
所述导线坐标单元，用于利用双曲线模型和最小二乘法对所述导线调优点云进行拟合，得到调优的导线坐标；
所述导线平面单元，用于基于所述调优的导线坐标通过计算平面方程确定所述输电线路导线平面；
所述差异系数，基于季节并结合气温、载流量和湿度中一种或多种的变化量设定；
所述数据融合模块，用于将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合；所述数据融合模块，包括：同名点单元和融合单元；
所述同名点单元分别与所述摄像头和点云处理模块通信连接，用于获取所述监拍图片和输电线路点云数据，并将所述监拍图片中的像素点和所述输电线路点云数据进行对应确定同名点；
所述融合单元，用于基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合；
所述融合单元具体用于：
分别确定所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中点的坐标；
基于预先获取的摄像头的内方位元素、外方位元素和所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，确定所述同名点在大地坐标系中的坐标；
基于所述同名点在大地坐标系中的坐标和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中的坐标，采用前后方交会法确定同名点在所述监拍图片和输电线路点云数据中的映射关系，作为所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系；
所述输电线路点云数据坐标系为大地坐标系；
所述定位测距模块，用于从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置；基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述输电线路点云数据，利用激光雷达技术对输电线路及周边环境进行扫描得到。
2.如权利要求1所述的输电线路防外破监测装置，其特征在于，所述同名点为所述监拍图片中与所述输电线路点云数据对应的像素点的集合；
所述同名点包括：组成所述监拍图片中输电杆塔各横担角点、辅材交叉点、导线的连接点、输电杆塔塔基突出高点和输电线路附近建筑物角点的像素点的集合。
3.如权利要求1所述的输电线路防外破监测装置，其特征在于，所述定位测距模块，包括：识别单元、定位单元和测距单元；
所述识别单元，用于利用图像识别模型识别所述监拍图片中的施工机械，得到所述监拍图片中施工机械的像素点；
所述定位单元，用于基于所述映射关系，通过像素匹配法将所述施工机械的像素点映射到输电线路点云数据中，得到所述施工机械在输电线路点云数据坐标系中的坐标作为所述施工机械的位置；
所述测距单元，用于基于所述导线所在的平面，计算所述施工机械的位置到所述导线平面的净空距离作为所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述图像识别模型包括卷积神经网络模型。
4.如权利要求1所述的输电线路防外破监测装置，其特征在于，所述点云处理模块，还包括：预处理单元；
所述预处理单元，用于在调用所述调优单元之前，对所述输电线路点云数据进行去冗余处理。
5.如权利要求1所述的输电线路防外破监测装置，其特征在于，所述点云处理模块、数据融合模块和定位测距模块的通信方式为串行通信。
6.如权利要求1所述的输电线路防外破监测装置，其特征在于，所述输电线路防外破监测装置还包括：告警模块；
所述告警模块与所述定位测距模块通信连接；所述告警模块用于获取并判断所述施工机械与所述导线的距离是否大于设定的告警距离；当判断所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时进行告警。
7.如权利要求6所述的输电线路防外破监测装置，其特征在于，所述输电线路防外破监测装置还包括：4G天线；所述4G天线分别与所述点云处理模块和定位测距模块通信连接；
所述点云处理模块通过所述4G天线从监测后台获取所述输电线路点云数据；
所述定位测距模块通过所述4G天线将所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时对应的监拍图片发送至所述监测后台。
8.如权利要求1所述的输电线路防外破监测装置，其特征在于，所述输电线路防外破监测装置还包括：控制模块；
所述控制模块用于控制所述点云处理模块、数据融合模块或定位测距模块单独进行工作。
9.如权利要求1所述的输电线路防外破监测装置，其特征在于，所述输电线路防外破监测装置还包括：太阳能板；所述太阳能板用于为所述装置供电。
10.一种输电线路防外破监测方法，其特征在于，包括：
通过输电线路防外破监测装置中的摄像头，按设定时间间隔对输电线路及周边环境进行拍摄得到监拍图片；
基于预先获取的输电线路点云数据，通过输电线路防外破监测装置中的点云处理模块利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面；
通过输电线路防外破监测装置中的数据融合模块，将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合；
通过输电线路防外破监测装置中的定位测距模块从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置；基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离；
其中，所述输电线路点云数据，利用激光雷达技术对输电线路及周边环境进行扫描得到；
所述方法采用权利要求1-9任一项所述的输电线路防外破监测装置进行输电线路防外破监测。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述通过输电线路防外破监测装置中的数据融合模块，将所述监拍图片和所述输电线路点云数据进行融合，包括：
通过所述数据融合模块，将所述监拍图片中的像素点和所述输电线路点云数据进行对应确定同名点；
基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述基于所述同名点，采用前后方交会法确定所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系进行融合，包括：
分别确定所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中点的坐标；
基于预先获取的摄像头的内方位元素、外方位元素和所述同名点在监拍图片坐标系中像素点的像素坐标，确定所述同名点在大地坐标系中的坐标；
基于所述同名点在大地坐标系中的坐标和所述同名点在输电线路点云数据坐标系中的坐标，采用前后方交会法确定所述监拍图片中同名点和所述输电线路点云数据中同名点的映射关系，作为所述监拍图片和所述输电线路点云数据间的映射关系；
其中，所述输电线路点云数据坐标系为大地坐标系。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述同名点为所述监拍图片中与所述输电线路点云数据对应的像素点的集合；
所述同名点包括：组成所述监拍图片中输电杆塔各横担角点、辅材交叉点、导线的连接点、输电杆塔塔基突出高点和输电线路附近建筑物角点的像素点的集合。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述通过输电线路防外破监测装置中的定位测距模块从所述监拍图片中识别出施工机械，并根据融合后的输电线路点云数据确定所述施工机械的位置，包括：
通过所述定位测距模块利用图像识别模型识别所述监拍图片中的施工机械，得到所述监拍图片中施工机械的像素点；
基于所述映射关系，通过像素匹配法将所述施工机械的像素点映射到输电线路点云数据中，得到所述施工机械在输电线路点云数据坐标系中的坐标作为所述施工机械的位置；
其中，所述图像识别模型包括卷积神经网络模型。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离，包括：
基于所述导线所在的平面，通过所述定位测距模块计算所述施工机械的位置到所述导线平面的净空距离作为所述施工机械与所述导线的距离。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于预先获取的输电线路点云数据，通过输电线路防外破监测装置中的点云处理模块利用平面方程计算输电线路中导线所在的平面，包括：
基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过所述点云处理模块引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云；
利用双曲线模型和最小二乘法对所述导线调优点云进行拟合，得到调优的导线坐标；
基于所述调优的导线坐标通过计算平面方程确定所述输电线路导线平面；
其中，所述差异系数，基于季节并结合气温、载流量和湿度中一种或多种的变化量设定。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述基于所述输电线路点云数据中导线的点云，通过所述点云处理模块引入差异系数对输电线路导线弧垂进行调优，得到导线调优点云之前，还包括：
通过所述点云处理模块对所述输电线路点云数据进行去冗余处理。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基于所述导线所在的平面结合所述施工机械的位置确定所述施工机械与所述导线的距离之后，还包括：
通过所述输电线路防外破监测装置中的告警模块，判断所述施工机械与所述导线的距离是否大于设定的告警距离；当判断所述施工机械与所述导线的距离小于或等于所述告警距离时进行告警。
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