基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。所得结果均能具有较高的精度。所得结果均能具有较高的精度。

【技术实现步骤摘要】
基于三维点云的电力走廊安全距离分析方法及系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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。
[0004]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，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：
[0005](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；
[0006](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；
[0007](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；
[0008](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。
[0009]而且，步骤(1)包括以下子步骤，
[0010](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；
[0011](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；
[0012](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。
[0013]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，
[0014](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；
[0015](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；
[0016](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处的高斯响应为其中σ代表电线的半径；
[0017](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；
[0018](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。
[0019]而且，步骤(2.5)包括以下子步骤，
[0020](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；
[0021](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。
[0022]而且，步骤(2)实现缺失电线点的补全包括以下操作，
[0023]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。
[0024]而且，步骤(3)包括以下子步骤，
[0025](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)；
[0026](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；
[0027](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；
[0028](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；
[0029](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。
[0030]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。
[0031]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，
[0032](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；
[0033](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x
i
；
[0034](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；
[0035](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P
g
(x
g
,y
g
,z
g
)到悬链线平面的距离，Δx
g<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玉春，杜影丽，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：