一种基于机载激光雷达点云的电力线三维重建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用机载激光雷达点云进行电力线三维重建方法，具体地说是一 种基于机载激光雷达点云数据的长距离架空输电线路电力线三维重建方法，属于激光雷达 点云数据信息提取技术领域。
【背景技术】
[0002] 架空输电线路是一项重要的国家基础设施。为了防止和杜绝电网安全事故的发 生，电力巡线是电网运营维护管理部门需要进行的一项重要工作。人工巡线劳动力强度大、 工作条件艰苦、效率低、复巡周期长、巡检数据准确率不高。
[0003] 近年来，机载激光雷达测量技术在直升机电力巡线中得到日益广泛的应用。目前， 机载激光雷达点云电力巡线的相关研宄主要集中在电力线走廊激光点云分类、电力线点检 测、安全隐患监测（危险点检测）、电塔三维重建、电力线走廊三维可视化、电力线三维重建 等六个方面。其中，电力线三维重建是危险点检测、导线相间高差量测、导线间距离量测、导 线对地距离量测、三维可视化、导线弧垂分析、导线覆冰分析、导线风偏分析等重要应用的 基础，成为业界关注的重点，也是难点。
[0004] 目前，多数的基于机载激光雷达点云的电力线三维重建方法比较适合地形平坦区 域、电网结构简单的电力线三维重建，但对长距离特高压、超高压、高压架空输电线路的电 力线三维重建还存在五个问题：
[0005] 第一，对电力线三维空间结构及布局考虑不足。高压线路一档内的电力线可存在 三角、水平、垂直、混合排列等多种构型的排列方式，而经典的Hough变换方法无法检测出 垂直排列的多根电力线；并且，对于垂直结构的多根电力线，由于弧垂现象会导致无法通过 高程值特征进行不同根电力线激光雷达点的分离。
[0006] 第二，对电力线的类型认识不足。和巡检密切相关的电力线可以分为导线和避 雷线，前者又可细分为单导线、分裂导线（又称导线束，可进一步细分为二、四、六、八分裂 等）。在激光雷达点云中，单导线、避雷线、分裂导线任一分裂（束）的形态特征极其相似； 而整体上，分裂导线与单导线、避雷线的形态特征不同。同时，在电力巡线中将分裂导线视 为一个整体，即重建过程中无需顾及导线的分裂数目、重建整个分裂导线即可。但多数已有 的重建方法仅仅考虑单导线、避雷线、一束分裂导线的三维重建，而没有顾及分裂导线的三 维重建。对于分裂导线，由于间隔棒会连接各个分裂，且机载激光雷达点云中无法详细的区 分间隔棒激光雷达点、电力线激光雷达点，这会导致部分空间聚类算法将各个分裂聚为一 簇，会造成后续重建的错误。
[0007] 第三，对塔杆的信息利用不足。塔杆信息可以用于确定电力线激光点所在的档；也 可以帮助确定每一根电力线的悬挂点。目前，电力部门有粗略的塔杆位置信息；机载激光雷 达点云中亦可以区分出塔杆激光雷达点。但已有的方法忽视了塔杆信息在电力线重建中的 潜在价值。
[0008] 第四，对粗差的鲁棒性不足。机载激光雷达点云中存在粗差，电力线激光雷达点云 也不例外。这些粗差对基于经典最小二乘拟合模型的精度有着显著影响，而多数已有的电 力线提取及重建方法忽视了粗差的负面影响，使得方法的鲁棒性不高。
[0009] 第五，采用的电力线三维模型复杂多样，部分模型存在理论错误。比如，部分方法 将二维空间的抛物线公式强硬的套合到三维空间时出现了模型的错误，会导致在应用到真 三维空间的电力线拟合时会出现重建错误。
[0010] 上述问题导致已有的电力线三维重建方法存在需要较多的参数、自动化程度低、 需要大量人工干预、鲁棒性和普适性差、重建精度低等问题，无法满足智能电网对快速、高 精度电力巡线的需求。
【发明内容】
[0011] 针对现有技术的不足，本发明提出一种基于机载激光雷达点云数据的长距离特高 压、超高压、高压架空输电线路电力线三维重建方法，它可充分利用塔杆信息，具有对电力 线的根数、电力线类型、电力线空间配置结构、粗差点、点云不规则断裂、线路长度等因素不 敏感的优势，并且重建模型具有较高的重建精度。
[0012] 本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种基于机载激光雷达点云的电力线 三维重建方法，其特征是，所述机载激光雷达点云的数据已经被正确分类，所述方法包括以 下步骤：
[0013] 步骤一，加载架空输电线路正确分类后机载激光雷达点云数据和初始线路轨迹数 据；
[0014] 步骤二，提取电塔位置、数量和输电线路轨迹的精确信息，并确定输电线路的总档 数；
[0015] 步骤三，确定输电线路的每一档二维空间范围和电力线激光雷达点；
[0016] 步骤四，对确定的每一档电力线激光雷达点进行聚类；
[0017] 步骤五，进行电力线三维重建。
[0018] 优选地，在步骤二中，基于电塔激光雷达点云和初始线路轨迹数据进行提取精确 的电塔位置信息、电塔数量信息和线路轨迹信息，并确定输电线路所包含的总档数。
[0019] 优选地，在步骤三中，基于精确的电塔位置和线路轨迹数据确定XOY平面内每一 档输电线路的二维空间范围和相应的电力线激光雷达点。
[0020] 优选地，在步骤四中，基于分段投影和k-means聚类进行单档电力线激光雷达点 云聚类，以分离出每根电力线的激光雷达点云。
[0021] 优选地，在步骤五中，结合直线模型和抛物线模型进行每一根电力线的三维重建。
[0022] 进一步地，所述步骤二具体包括以下步骤：（1)准备输入的数据；（2)构造不规则 三角网TIN ; (3)删除TIN中的长边；（4)进行基于TIN的连通成分分析；（5)求取每个连通 成分的最小外接矩形及其几何中心点；(6)进行电力线路轨迹信息更新。
[0023] 进一步地，所述步骤三具体包括以下步骤：（1)获取每一档涉及的架空输电线路 中两座相邻的电塔信息；（2)求取每一个几何中心点的、且与相应几何中心点所属最小外 接矩形的最长边平行的直线；（3)确定每一座电塔的外延直线段；(4)确定每一档电力线的 空间范围；（5)确定每一档的电力线激光雷达点。
[0024] 进一步地，所述步骤四具体包括以下步骤：（1)进行整档电力线的线性拟合；（2) 求取该档电力线的长度及每个激光雷达点的比例因子；(3)对该档电力线的激光雷达点 进行分段；(4)对该档电力线的每一段进行分段投影、分段聚类和段与段之间类别传递处 理。
[0025] 进一步地，所述步骤五具体包括以下步骤：（1)建立电力线三维模型；（2)求取直 线模型；(3)求取抛物线模型；(4)结合求取的直线模型和抛物线模型进行电力线三维重 建。
[0026] 本发明的有益效果如下：
[0027] (1)本发明提出了一种直线方程式和一元二次多项式相结合的单档单根电力线三 维模型，多项式中使用比例因子作为参数，提高了模型的精度。
[0028] (2)本发明提出了一种基于分段投影和k-means聚类的单档电力线激光雷达点云 聚类过程方法。在聚类过程中，首先在XOY平面上对该档全部电力线激光雷达点进行了整 体的线性拟合，然后将电力线激光雷达点分段，接着将每一段激光雷达点再投影到电力线 的切平面（该平面垂直于拟合直线），且使用k-means聚类方法进行每一段投影点的聚类， 最后段和段之间通过投影中心点进行类别的传递和规则化。
[0029] (3)相比现有的激光雷达点云电力线三维重建方法，本发明所需的参数少、自动化 程度高、鲁棒性和普适性更好，具有对电力线的根数、电力线类型、电力线空间配置结构、粗 差点、点云不规则断裂和线路长度等因素不敏感的优势，并且重建模型具有较高的重建精 度。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的方法流程图；
[0031] 图2(a)为已经分类的机载激光雷达点云的示意图（两景数据中的实验数据一）；
[0032] 图2(b)为5根电力线的激光雷达点与3座电塔的激光雷达点的示意图；
[0033] 图2 (c)为电塔激光雷达点的TIN及其局部放大图；
[0034] 图2 (d)为连通成分的最小外接矩形及其局部放大图；
[0035] 图2 (e)为初始的电塔位置点的示意图；
[0036] 图3为每一档电力线二维空间范围确定的示意图（图中有两档，每一档对应的四 边多边形的边被赋予一种色彩）；
[0037] 图4(a)为单档电力线激光雷达点示意图及其局部侧视图和截面透视图；
[0038] 图4(b)为直线拟合及两个比例因子极值点的示意图；
[0039] 图4(c)为局部电力线激光雷达点及其投影点的k-means聚类结果的示意图；
[0040] 图4(d)为某档电力线激光雷达点的聚类结果示意图（每根电力线被赋予一种随 机色彩）；
[0041] 图4(e)为图4(a)中5根电力线的三维重建模型的示意图（每根电力线被赋予一 种随机色彩）；
[0042] 图5为直线模型和抛物线模型相结合的电力线三维模型示意图；
[0043] 图6为本发明的整体数值计算流程图；
[0044] 图7为图2(a)中电力线三维重建模型套合到分类点云的示意图；
[0045] 图8(a)为两景数据中的实验数据二的示意图；
[0046] 图8(b)为图8(a)电力线三维重建的结果示意图。
【具体实施方式】
[0047] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过【具体实施方式】，并结合其附图，对本发 明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结 构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以 在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指 示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按 比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发 明。
[0048] 针对基于机载激光雷达点云的长距离架空输电线路电力线三维重建的需要，本发 明提供了一种基于机载激光雷达点云数据的长距离特高压、超高压、高压架空输电线路电 力线三维重建方法，尤其提出了一种直线方程式和一元二次多项式相结合的单档单根电力