專利名稱：一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輸電線路的電力線提取方法，特別是一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的同塔多回路的輸電線路的電力線提取方法。
背景技術(shù)：
機(jī)載LiDAR測量系統(tǒng)集成了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、激光掃描系統(tǒng)和航空數(shù)碼攝影系統(tǒng)于一體，通過發(fā)射激光束并接收返回信號(hào)以及進(jìn)行對(duì)地?cái)z影，實(shí)現(xiàn)對(duì)測區(qū)地表信息的快速獲取，近年來，在國土資源、電力、交通、水利等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。電力行業(yè)是機(jī)載LiDAR測量技術(shù)應(yīng)用較早和較廣的行業(yè)之一，主要應(yīng)用在兩個(gè)方 面，一是新建輸電線路的選線，通過機(jī)載LiDAR測量技術(shù)高效獲取擬建線路走廊帶的地面及附著物(建筑、植被)信息，實(shí)現(xiàn)線路方案的設(shè)計(jì)和比較；二是利用機(jī)載LiDAR測量技術(shù)對(duì)已有輸電線路走廊帶進(jìn)行掃描，獲取地表及輸電線路設(shè)備(電力線及桿塔)數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，得到走廊帶數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像和設(shè)備的三維模型，其作為輸電線路的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)提供空間數(shù)據(jù)支持。后者涉及了如何通過機(jī)載LiDAR的點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作輸電線路桿塔和電力線三維模型，目前，已有的方法均基于分類后的點(diǎn)云進(jìn)行，將三維的電力線提取問題通過高程屬性簡化到二維平面上(高程值影像或灰度圖)，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法進(jìn)行直線檢測從而達(dá)到提取目的。對(duì)于同塔多回路輸電線路，因?yàn)槎鄺l電力線束在投影面上重疊并互相干擾，給直線檢測帶來困難，難以有效檢測并分割各電力線。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種方便、快捷的基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，包括
51、通過機(jī)載LiDAR對(duì)輸電線路采集點(diǎn)云；
52、對(duì)兩個(gè)相鄰電塔之間的輸電線路進(jìn)行橫截面的點(diǎn)云米樣；
53、對(duì)每個(gè)橫截面采樣的點(diǎn)云進(jìn)行聚類，進(jìn)而得到各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置；
54、擬合各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置，得到中心線；
55、根據(jù)電力線分裂方法及線距，對(duì)中心線進(jìn)行復(fù)制及偏移后得到電力線束；
56、重復(fù)步驟S2-S5，得到所有相鄰電塔之間的電力線束。進(jìn)一步，所述步驟S2包括
521、根據(jù)點(diǎn)云分布特點(diǎn)，獲得相鄰兩電塔的位置，進(jìn)而獲得輸電線路的走向；
522、沿輸電線路的走向，以設(shè)定的間隔設(shè)置多個(gè)橫截面，進(jìn)而采集每個(gè)橫截面的點(diǎn)云。進(jìn)一步，所述步驟S3包括531、將橫截面的點(diǎn)云按高程進(jìn)行降序排列；
532、根據(jù)輸電線路的聚類數(shù)對(duì)橫截面的點(diǎn)云按高程進(jìn)行聚類，并剔除非電力線點(diǎn)；
533、計(jì)算每個(gè)聚類中點(diǎn)云的空間坐標(biāo)的平均值，則獲得各電力線束的中心在橫截面的位置；
534、重復(fù)步驟S31-S33，處理所有橫截面的點(diǎn)云，進(jìn)而獲得各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置。進(jìn)一步，所述步驟S32中所述輸電線路的聚類數(shù)為輸電線路的電力線束數(shù)。進(jìn)一步，所述步驟S3包括
S310、對(duì)每個(gè)橫截面的點(diǎn)云，根據(jù)各點(diǎn)與輸電線路的走向的關(guān)系，劃分為線路左側(cè)和線 路右側(cè)兩個(gè)組；
S320、對(duì)每組的點(diǎn)云按高程進(jìn)行降序排列；
S330、根據(jù)每組的聚類數(shù)對(duì)每組的點(diǎn)云按高程進(jìn)行聚類，并剔除非電力線點(diǎn)；
S340、計(jì)算每組的每個(gè)聚類中點(diǎn)云的空間坐標(biāo)的平均值，則獲得各電力線束的中心在橫截面的位置；
S350、重復(fù)步驟S310-S340，處理所有橫截面的點(diǎn)云，進(jìn)而獲得各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置。進(jìn)一步，所述步驟S310，其具體為
用(xl，yl, zl)及(x2，y2, z2)分別表示兩相鄰電塔的空間位置，令每個(gè)橫截面的點(diǎn)云中的點(diǎn)為點(diǎn)Pi (xi，yi，zi)，根據(jù)點(diǎn)Pi與輸電線路的走向的關(guān)系使用下式對(duì)點(diǎn)Pi進(jìn)行劃分
Side =a 氺 xi+b 氺 yi+c
式中，a = y2-yl，b = xl_x2，c = x2 _ xl*y2，若 Side < 0，則將點(diǎn) Pi 劃分到線路左側(cè)，若Side > 0，則將點(diǎn)Pi劃分到線路右側(cè)。進(jìn)一步，所述步驟S330所述每組的聚類數(shù)為輸電線路每側(cè)的電力線層數(shù)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，無需事先進(jìn)行點(diǎn)云分類，直接在三維空間對(duì)機(jī)載LiDAR采集的點(diǎn)云進(jìn)行處理，避免了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理并使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法進(jìn)行檢測的電力線提取方法的不足，可方便、快捷且清楚地檢測并提取同塔多回路輸電線路的電力線。從而可構(gòu)建基于GIS技術(shù)的輸電線路信息管理系統(tǒng)，對(duì)輸電線路安全進(jìn)行分析，如空間分析、交叉跨越分析、風(fēng)偏弧垂分析及危險(xiǎn)點(diǎn)檢測等。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖I是本發(fā)明的種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法的工作流程 圖2是圖I中步驟S2的詳細(xì)流程 圖3是圖I中步驟S3的一實(shí)施方式的流程 圖4是圖I中步驟S3的另一實(shí)施方式的流程圖。
具體實(shí)施例方式為了便于下文的描述，首先給出以下名詞的描述
LiDAR ( Light Detection And Ranging),即激光雷達(dá)；
GIS (Geographic Information System),地理信息系統(tǒng)。參照圖1，一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，包括
51、通過機(jī)載LiDAR對(duì)輸電線路采集點(diǎn)云；
52、對(duì)兩個(gè)相鄰電塔之間的輸電線路進(jìn)行橫截面的點(diǎn)云米樣；
53、對(duì)每個(gè)橫截面采樣的點(diǎn)云進(jìn)行聚類，進(jìn)而得到各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置；
54、擬合各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置，得到中心線；
55、根據(jù)電力線分裂方法及線距，對(duì)中心線進(jìn)行復(fù)制及偏移后得到電力線束；
56、重復(fù)步驟S2-S5，得到所有相鄰電塔之間的電力線束。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，參照圖2，所述步驟S2包括
521、根據(jù)點(diǎn)云分布特點(diǎn)，獲得相鄰兩電塔的位置，進(jìn)而獲得輸電線路的走向；
522、沿輸電線路的走向，以設(shè)定的間隔設(shè)置多個(gè)橫截面，進(jìn)而采集每個(gè)橫截面的點(diǎn)云。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，參照圖3，所述步驟S3包括
531、將橫截面的點(diǎn)云按高程進(jìn)行降序排列；
532、根據(jù)輸電線路的聚類數(shù)對(duì)橫截面的點(diǎn)云按高程進(jìn)行聚類，并剔除非電力線點(diǎn)；
533、計(jì)算每個(gè)聚類中點(diǎn)云的空間坐標(biāo)的平均值，則獲得各電力線束的中心在橫截面的位置；
534、重復(fù)步驟S31-S33，處理所有橫截面的點(diǎn)云，進(jìn)而獲得各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟S32中所述輸電線路的聚類數(shù)為輸電線路的電力線束數(shù)。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，參照圖4，所述步驟S3包括
S310、對(duì)每個(gè)橫截面的點(diǎn)云，根據(jù)各點(diǎn)與輸電線路的走向的關(guān)系，劃分為線路左側(cè)和線路右側(cè)兩個(gè)組；
S320、對(duì)每組的點(diǎn)云按高程進(jìn)行降序排列；
S330、根據(jù)每組的聚類數(shù)對(duì)每組的點(diǎn)云按高程進(jìn)行聚類，并剔除非電力線點(diǎn)；
S340、計(jì)算每組的每個(gè)聚類中點(diǎn)云的空間坐標(biāo)的平均值，則獲得各電力線束的中心在橫截面的位置；
S350、重復(fù)步驟S310-S340，處理所有橫截面的點(diǎn)云，進(jìn)而獲得各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟S310，其具體為
用(xl，yl, zl)及(x2，y2, z2)分別表示兩相鄰電塔的空間位置，令每個(gè)橫截面的點(diǎn)云中的點(diǎn)為點(diǎn)Pi (xi, yi, zi)，根據(jù)點(diǎn)Pi與輸電線路的走向的關(guān)系使用下式對(duì)點(diǎn)Pi進(jìn)行劃分
Side =a 氺 xi+b 氺 yi+c
式中，a = y2-yl，b = xl_x2，c = x2 _ xl*y2，若 Side < 0，則將點(diǎn) Pi 劃分到線路左側(cè)，若Side > O，則將點(diǎn)Pi劃分到線路右側(cè)。進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述步驟S330所述每組的聚類數(shù)為輸電線路每側(cè)的電力線層數(shù)。下面結(jié)合一實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法做詳細(xì)說明 1、通過機(jī)載LiDAR對(duì)輸電線路采集點(diǎn)云；
2、根據(jù)點(diǎn)云分布特點(diǎn)，獲得相鄰兩電塔的位置，進(jìn)而獲得輸電線路的走向，設(shè)兩電塔的空間位置分別為Tal (xl，yl, zl)和Ta2 (x2, y2, z2)，起點(diǎn)為Tal，終點(diǎn)為Ta2 ;沿輸電線路的走向，以設(shè)定的間隔設(shè)置多個(gè)橫截面，采集每個(gè)橫截面的點(diǎn)云，這里可令設(shè)定的間隔為固定值，如30米；為確保橫截面位置能采集到電力線點(diǎn)云，設(shè)置采集帶寬為I米，即在每個(gè)橫截面位置設(shè)置一個(gè)長度為橫截面長度、寬為I米的緩沖區(qū)，采集落入此區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
3、獲取第i個(gè)橫截面點(diǎn)云，記為點(diǎn)集Pts；
4、遍歷點(diǎn)集Pts,對(duì)于其中每個(gè)點(diǎn)Pi(Xyyi, Zi),根據(jù)下式對(duì)其與輸電線路的走向的關(guān)系進(jìn)行劃分
Side = a*xi+b*yi + c
式中，a = y2- yl，b = xl -x2，c = x2 * yl-χ *y2，若 Side < 0，則點(diǎn) Pji于線路左側(cè)，記錄到點(diǎn)集Pts_L中；若Side > O,則點(diǎn)Pi位于線路右側(cè),記錄到點(diǎn)集Pts_R中；
5、按點(diǎn)集中各點(diǎn)的高程分別對(duì)點(diǎn)集Pts_L和點(diǎn)集Pts_R做降序排序；
6、根據(jù)已知的輸電線路的交/直流性質(zhì)及是否同塔多回路等情況，確定線路每側(cè)的電力線層數(shù)，即確定每組的聚類數(shù)；遍歷點(diǎn)集Pts_L，這里由于點(diǎn)集已做排序處理，遍歷實(shí)際是從高到低進(jìn)行的
1)根據(jù)聚類數(shù)的數(shù)量N建立相同數(shù)量的電力線點(diǎn)集PL={PL1;PL2，...，PLn}，用于記錄每束電力線上的點(diǎn)；
2)從點(diǎn)集PL中取第一點(diǎn)P(X，y，z)，保存到電力線子集PL1 ；
3)從點(diǎn)集PL中取點(diǎn)PiCxi, yi； Zi)；
4)檢測(Izi= Zi - Zh，
式中，Zi和&分別為Pi和上一點(diǎn)Pp1的高程，dZi為點(diǎn)Pi與上一點(diǎn)Pp1的高差；
如果(1^<高差閥值，則將點(diǎn)保存到當(dāng)前的電力線子集中，然后重復(fù)第3)至第4)步；否則，如果dZi >高差閥值，則判斷當(dāng)前電力線子集是否為PLn，如果是PLn，則該點(diǎn)為非電力線點(diǎn)，將該點(diǎn)剔除，點(diǎn)集Pts_L的遍歷結(jié)束，進(jìn)入第5)步；如果不是PLn，則將點(diǎn)保存到當(dāng)前電力線子集的下一子集中，并將該下一子集設(shè)為當(dāng)前子集，然后重復(fù)第3)至第4)步；這里，高差閾值大于電力線束半徑，但小于上下相鄰的兩電力線束的中心之間的距離，根據(jù)電力線分裂方法以及電力規(guī)范規(guī)定的線距要求，可將高差閾值取值2米；
5)分別對(duì)電力線點(diǎn)集PUPLpPL2,. . .，PLn}中各子集的點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)求平均值，則為線路左側(cè)各電力線束的中心在當(dāng)前橫截面的位置，并記入點(diǎn)集CeruLi=IC1, C2, , Cj中；
以相同的步驟處理點(diǎn)集Pts_R，得到線路右側(cè)各電力線束的中心在當(dāng)前橫截面的位置，并記入點(diǎn)集 CeruRi=IC1, C2, · · ·，CN}中；
7、重復(fù)第3至第6步，直到所有橫截面都已處理；
8、以樣條曲線串聯(lián)點(diǎn)集Cer^Li中對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)位置，得到線路左側(cè)各電力線束的中心線；以樣條曲線串聯(lián)點(diǎn)集Cen—Ri中對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)位置，得到線路右側(cè)各電力線束的中心線.
9、根據(jù)電力線分裂方法以及電力規(guī)范規(guī)定的線距要求，復(fù)制并偏移各中心線，即可得到各電力線束；這里，電力線分裂方法指根據(jù)輸電電壓確定每束電力線包含的導(dǎo)線數(shù)量；
10、重復(fù)步驟2至9，得到所有相鄰電塔間的電力線束，完成電力線提取。在點(diǎn)云聚類的過程中，由于輸電線路上方不存在其它物體反射的激光點(diǎn)，因此，在按高程降序排序后，即可確保在遍歷過程中，將每個(gè)點(diǎn)記錄到正確的子集中，當(dāng)所有的子集都已存在記錄時(shí)，超出高差閥值的點(diǎn)即可判斷為非電力線點(diǎn)，從而中止循環(huán)。因此，本發(fā)明無需對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行事先分類。利用本發(fā)明提取電力線后，可構(gòu)建基于GIS技術(shù)的輸電線路信息管理系統(tǒng)，對(duì)輸電線路安全進(jìn)行分析，如空間分析、交叉跨越分析、風(fēng)偏弧垂分析及危險(xiǎn)點(diǎn)檢測等。這里，交叉跨越分析是指在輸電線路跨越的道路、河流或其它輸電線路等環(huán)境中進(jìn)行的量測或工況模擬等，以確保在任何情況下的運(yùn)營安全。風(fēng)偏弧垂分析及危險(xiǎn)點(diǎn)檢測指模擬存在風(fēng)壓情況下電力線的偏移和擺動(dòng)，計(jì)算并判斷電力線上任意點(diǎn)與周圍地物的距 離是否在限定的安全距離內(nèi)。以上是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種的等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，其特征在于，包括 51、通過機(jī)載LiDAR對(duì)輸電線路采集點(diǎn)云； 52、對(duì)兩個(gè)相鄰電塔之間的輸電線路進(jìn)行橫截面的點(diǎn)云米樣； 53、對(duì)每個(gè)橫截面采樣的點(diǎn)云進(jìn)行聚類，進(jìn)而得到各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置； 54、擬合各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置，得到中心線； 55、根據(jù)電力線分裂方法及線距，對(duì)中心線進(jìn)行復(fù)制及偏移后得到電力線束； 56、重復(fù)步驟S2-S5，得到所有相鄰電塔之間的電力線束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，其特征在于，所述步驟S2包括 521、根據(jù)點(diǎn)云分布特點(diǎn)，獲得相鄰兩電塔的位置，進(jìn)而獲得輸電線路的走向； 522、沿輸電線路的走向，以設(shè)定的間隔設(shè)置多個(gè)橫截面，進(jìn)而采集每個(gè)橫截面的點(diǎn)云。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，其特征在于，所述步驟S3包括 531、將橫截面的點(diǎn)云按高程進(jìn)行降序排列； 532、根據(jù)輸電線路的聚類數(shù)對(duì)橫截面的點(diǎn)云按高程進(jìn)行聚類，并剔除非電力線點(diǎn)； 533、計(jì)算每個(gè)聚類中點(diǎn)云的空間坐標(biāo)的平均值，則獲得各電力線束的中心在橫截面的位置； 534、重復(fù)步驟S31-S33，處理所有橫截面的點(diǎn)云，進(jìn)而獲得各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，其特征在于，所述步驟S32中所述輸電線路的聚類數(shù)為輸電線路的電力線束數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，其特征在于，所述步驟S3包括 S310、對(duì)每個(gè)橫截面的點(diǎn)云，根據(jù)各點(diǎn)與輸電線路的走向的關(guān)系，劃分為線路左側(cè)和線路右側(cè)兩個(gè)組； S320、對(duì)每組的點(diǎn)云按高程進(jìn)行降序排列； S330、根據(jù)每組的聚類數(shù)對(duì)每組的點(diǎn)云按高程進(jìn)行聚類，并剔除非電力線點(diǎn)； S340、計(jì)算每組的每個(gè)聚類中點(diǎn)云的空間坐標(biāo)的平均值，則獲得各電力線束的中心在橫截面的位置； S350、重復(fù)步驟S310-S340，處理所有橫截面的點(diǎn)云，進(jìn)而獲得各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，其特征在于，所述步驟S310，其具體為 用(xl，yl, zl)及(x2，y2, z2)分別表示兩相鄰電塔的空間位置，令每個(gè)橫截面的點(diǎn)云中的點(diǎn)為點(diǎn)Pi (xi，yi，zi)，根據(jù)點(diǎn)Pi與輸電線路的走向的關(guān)系使用下式對(duì)點(diǎn)Pi進(jìn)行劃分 Side =a 氺 xi+b 氺 yi+c 式中，a = y2-yl，b = xl_x2，c = x2 _ xl*y2，若 Side < 0，則將點(diǎn) Pi 劃分到線路左側(cè)，若Side > O，則將點(diǎn)Pi劃分到線路右側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，其特征在于，所述步驟S330所述每組的聚類數(shù)為輸電線路每側(cè)的電力線層數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法，包括通過機(jī)載LiDAR對(duì)輸電線路采集點(diǎn)云；對(duì)兩個(gè)相鄰電塔之間的輸電線路進(jìn)行橫截面的點(diǎn)云采樣；對(duì)每個(gè)橫截面采樣的點(diǎn)云進(jìn)行聚類，進(jìn)而得到各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置；擬合各電力線束的中心在每個(gè)橫截面的位置，得到中心線；根據(jù)電力線分裂方法及線距，對(duì)中心線進(jìn)行復(fù)制及偏移后得到電力線束。本發(fā)明無需事先進(jìn)行點(diǎn)云分類，直接在三維空間對(duì)機(jī)載LiDAR采集的點(diǎn)云進(jìn)行處理，可方便、快捷地檢測并提取同塔多回路輸電線路的電力線。本發(fā)明作為一種性能優(yōu)良的基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的輸電線路的電力線提取方法可廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)中。
文檔編號(hào)G01S17/89GK102879788SQ20121032468
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月4日
發(fā)明者邱煥斌 申請人:廣州建通測繪技術(shù)開發(fā)有限公司