【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及输电线路建模，具体涉及一种基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法。
技术介绍
1、输电线路激光点云数据通常由无人机搭载激光雷达系统沿输电走廊扫描得到，激光点云数据不仅可以展示输电线路的实时工况，从而进行通道内隐患排查，还可以对输电线路进行自动化三维建模。与传统依靠图纸的人工建模不同的是，基于激光点云的输电线路建模效率更高。
2、现如今输电线路中单导线的提取与建模技术已经非常成熟，但针对分裂导线的研究却较少，现有的方法也存在自动化程度低、易受噪声干扰以及运算速度慢等问题。
3、中国专利“一种基于lidar点云的多分裂导线全自动三维重建方法”(申请号：201610378044.7)采用k-means算法分离聚类分裂子导线，并以单根分裂子导线点云作为分裂导线重建的最小单元，对分裂导线进行建模。但使用k-means算法时，分裂数即k值为未知量，为解决这一问题，该专利首先设置一个较大的分裂数，若聚类完成后各点到聚类中心的平均距离大于给定阈值，则将分裂数减1，直到距离满足条件，分裂数为实际值。
4、中国专利“基于改进knn-dpc算法的激光点云分裂导线提取方法”(申请号：201911303454.5)通过计算每个点的局部密度和局部距离，绘制决策图；通过决策图把样本点分为类簇中心点、簇类非中心点及噪声点，接着将类簇非中心点分为核心点与非核心点，最后分别对其采用不同策略进行分离聚类，最后将每一类对应的分裂子导线点云进行三维重建。
5、分裂导线具有以下两条特征：
6
7、②分裂子导线围绕分裂导线横截面呈中心对称。
8、上述两项中国专利皆只利用特征①将分裂导线点云数据由三维空间坐标降维到二维模型残差坐标，导致在此基础上运用纯数学方法确定分裂数、完成聚类时的运算速度并不理想。若利用特征②将分裂导线点云数据由二维模型残差坐标降维到一维角度坐标，并充分利用分裂导线的几何结构，可在极大程度上简化聚类方案、提高运算效率。
9、此外：分裂子导线提取的前提是聚类，现有的方法都是在二维模型残差坐标系中完成聚类，这时需要计算大量二维欧式距离并逐一比较，从而确定每个点从属的类别，这样做方法繁琐，计算量大。聚类的前提是已知类簇数即分裂数，而一些方法还需要人为指定分裂数，且聚类结果对参数的设置敏感，需要大量的人为干预，自动化程度低。
10、因此，自动化程度高、鲁棒性强且效率高的分裂导线提取建模方法具有重要的实际意义。
技术实现思路
1、针对目前存在的分裂子导线提取及重建方法繁琐，自动化程度低的问题。本专利技术由分裂导线的空间特征对其三维激光点云数据进行降维处理，并基于均值漂移的聚类算法，提出了一种基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，建立出的分裂导线三维模型可为对应的有限元计算提供模型基础。
2、本专利技术采取的技术方案为：
3、基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，包括以下步骤：
4、步骤1：提取输电线路分裂导线点云数据；
5、步骤2：对步骤1提取的分裂导线点云数据进行一次降维处理；
6、步骤3：对步骤2降维处理后的分裂导线点云数据进行二次降维处理；
7、步骤4：确定分裂导线的分裂数；
8、步骤5：根据步骤4确定的分裂导线的分裂数，对分裂子导线聚类分离；
9、步骤6：根据步骤5聚类分离得到的单根分裂子导线点云，对分裂子导线激光点云进行空间抛物线数学拟合；
10、步骤7：建立分裂导线的三维实体模型。
11、所述步骤1中，获得输电线路激光点云数据，首先将包括分裂导线与避雷线的输电线点云从输电走廊中提取出来，再将分裂导线与避雷线彼此分离，最后从分裂导线点云中提取得到单根分裂导线。
12、所述步骤2中，基于步骤1提取得到的单根分裂导线，先用最小二乘法拟合出一条空间抛物线贯穿其中，空间抛物线在水平面上的直线方程为f1，在沿线路走向铅锤面上的抛物线方程为f2，f1与f2的表达式见式(1)；
13、
14、在式(1)中，a与b为直线方程系数，由点云中每个点的x坐标与y坐标拟合得到；c、d、e为抛物线方程参数，由点云中每个点对应的w与z坐标拟合得到，其中，w由式式(2)计算得到。
15、
16、由式(3)得到第i个点的水平模型残差hi与垂直模型残差vi；
17、
18、式(3)中，(xi，yi，zi)为点云中第i个点的空间坐标，i＝1…n，n为点云中点的总数；y′i为点云中第i个点在拟合空间抛物线上的y坐标；zi′为点云中第i个点在拟合空间抛物线上的z坐标。
19、创建二维模型残差坐标系，该坐标系以水平模型残差h为横轴，垂直模型残差v为纵轴，由每个点的水平模型残差h与垂直模型残差v，将点云由三维空间映射到二维平面。
20、所述步骤3中，用二维残差坐标系中每个点与坐标横轴h轴的夹角δ代替二维模型残差坐标(hi，vi)，实现点云数据由二维平面模型残差坐标向一维角度坐标的转换。
21、所述步骤4中，在分裂导线三维点云数据经两次降维被映射到一维角度数轴上后，同根分裂子导线点对应的角度值相差不大，在数轴上聚集为一个簇，不同分裂子导线点对应的角度值相差很大，在数轴上间隔一定距离。
22、在一维角度数轴上随机指定点δ0为初始点，由式(4)计算初始点δ0按一定距离漂移后的点δ1：
23、
24、其中：knn(δ0，k)为距离点δ0最近的k个点的集合，j＝1…k，k为点集knn中点的总量；dshift为漂移矢量，维度为一维，只有正负之分；δj为点集knn中第j个点的角度值，δ1为δ0经dshift漂移后点的角度值。
25、由式(5)计算δ1处的点密度ρ，若式(6)与式(7)同时满足，该点的位置便为第一个类簇的中心，记为δm1；
26、
27、dshift≤dthreshold (6)
28、ρ≤ρthreshold (7)
29、式(5)中，knn(δi)为距离点δi最近的k个点的集合，δj为点集knn(δi)中的第j个点，j＝1…n，n为点集knn(δi)中点的总数。
30、式(6)与式(7)中,dthreshold为漂移距离阈值，ρthreshold为密度阈值
31、若式(6)不满足，将δ1作为新的初始点δ0继续漂移迭代，直到满足式(6)；
32、若式(6)满足但式(7)不满足，则将k增大到原来的1.2倍并将δ1作为新的初始点δ0继续漂移迭代，直到式(6)与式(7)同时满足，算法本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤1中，获得输电线路激光点云数据，首先将包括分裂导线与避雷线的输电线点云从输电走廊中提取出来，再将分裂导线与避雷线彼此分离，最后从分裂导线点云中提取得到单根分裂导线。
3.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤2中，基于步骤1提取得到的单根分裂导线，先用最小二乘法拟合出一条空间抛物线贯穿其中，空间抛物线在水平面上的直线方程为f1，在沿线路走向铅锤面上的抛物线方程为f2，f1与f2的表达式见式(1)；
4.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤3中，用二维残差坐标系中每个点与坐标横轴H轴的夹角δ代替二维模型残差坐标(Hi，Vi)，实现点云数据由二维平面模型残差坐标向一维角度坐标的转换。
5.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤4
6.根据权利要求5所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：步骤4中，同一分裂数的分裂导线排列形式一致，且都成正n边形架设，将这一几何特征映射到一维角度数轴上，数轴上相邻类簇之间角度差的近似值与分裂导线的分裂数有关；
7.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤5中，以δm1作为第一个聚类区域的中心，根据分裂导线的分裂数n，将一维角度空间均分为n个聚类区域，将每个区域内的点划分为同一类并映射到二维点云模型残差平面，最后映射到三维点云空间，三维点云空间每个区域中所有点对应着三维点云空间中单根分裂子导线点云,由此完成分裂子导线的聚类。
8.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤6中，利用随机采样一致性算法，对步骤5得到的单根分裂子导线点云进行空间抛物线数学拟合，空间抛物线方程见式(1)，确定待建模分裂子导线x坐标的最大值xmax与最小值xmin，在其间均匀地取200个点，分别为xi，i＝1,…200；代入到空间抛物线方程，算出拟合后的y坐标yi与z坐标zi，得到拟合后分裂子导线呈空间抛物线均匀分布的点集(xi，yi，zi)。
9.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤7中，将每根分裂子导线的拟合点集导入solidworks三维建模软件，将点连成线并给定截面半径，建立出分裂导线的三维实体模型。
...【技术特征摘要】
1.基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤1中，获得输电线路激光点云数据，首先将包括分裂导线与避雷线的输电线点云从输电走廊中提取出来，再将分裂导线与避雷线彼此分离，最后从分裂导线点云中提取得到单根分裂导线。
3.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤2中，基于步骤1提取得到的单根分裂导线，先用最小二乘法拟合出一条空间抛物线贯穿其中，空间抛物线在水平面上的直线方程为f1，在沿线路走向铅锤面上的抛物线方程为f2，f1与f2的表达式见式(1)；
4.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤3中，用二维残差坐标系中每个点与坐标横轴h轴的夹角δ代替二维模型残差坐标(hi，vi)，实现点云数据由二维平面模型残差坐标向一维角度坐标的转换。
5.根据权利要求1所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取及建模方法，其特征在于：所述步骤4中，在分裂导线三维点云数据经两次降维被映射到一维角度数轴上后，同根分裂子导线点对应的角度值相差不大，在数轴上聚集为一个簇，不同分裂子导线点对应的角度值相差很大，在数轴上间隔一定距离；
6.根据权利要求5所述基于激光点云聚类分离的分裂子导线提取...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭永殿，马俭，卢辉琨，李茂峰，唐勇，李克华，秦际明，赵龙，唐秦，许忠友，李忠祥，覃甘简，覃钊，唐锋华，李兴书，刘波，
申请(专利权)人：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司百色局，
类型：发明
国别省市：
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