一种基于激光点云数据的电力线悬挂点空间坐标提取方法

摘要

本发明公开了一种基于点云数据的电力线悬挂点空间坐标提取方法，它包括：步骤1、获取已分类的跨越多档的输电线路点云数据；步骤2、确定杆塔中心平面坐标；步骤3、确定每档电力线的准确分割平面；步骤4、悬挂点初步搜索；步骤5、缺失电力线局部重建；步骤6、搜索局部重建后的电力线相交点，通过本发明可解决现有技术存在的电力线悬挂点空间坐标提取不准确、提取方法鲁棒性差等技术问题。

说明书

技术领域：

本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种基于激光点云数据的电力线悬挂点空间坐标提取方法。

背景技术：

近年来，机载激光雷达测量技术越来越多的应用在架空输电线路巡检工作中，它可精确、快速地量测线路走廊地物点到电力线的距离、电力线线间距离等，及时发现缺陷，实现危险区域的自动监测。而电力线在自然环境中大多以裸露形式存在，因此会受到气象条件等外界因素以及工况条件的影响，如高温、大风、覆冰等工况下电力线弧垂均会发生变化，电力线与地物的距离也在动态变化，静态的数据不能及时发现潜在的危险点，因而对各工况条件下的电力线进行模拟具有极大意义。

在模拟电力线时，电力线悬挂点是电力线模拟计算的基本点。然而，除在架空输电线路设计时可获取电力线悬挂点的设计位置外，目前并无其他方式来获取电力线悬挂点的位置。此外，由于线路施工过程中有可能会根据实地状况对输电线路做修改，所以设计图纸上的电力线悬挂点位置与实际的悬挂点位置不一定相同。因此，可通过激光点云数据提取电力线悬挂点空间坐标，目前大多算法只能实现通过点云投影的方式获取悬挂点的平面坐标，而获取不到三维空间坐标，少数提取电力线悬挂点空间坐标的现有技术也多采用检测局部高程极大值作为悬挂点坐标，这种方法对数据质量要求较高，仅适用于悬挂点附近电力线点云紧密、无断裂、无缺损及无粗差点、噪点的情况，但在实际数据处理过程中，由于激光扫描系统自身的误差、电力线悬挂点与杆塔的空间关系，在杆塔附近的电力线点云数据(也包括悬挂点附近电力线点云数据)通常会存在缺失或者被错分类到杆塔点云中。因此，利用现有技术，往往难以准确得到各电力线穿越杆塔时悬挂点的空间位置，且现有技术对于点云数据质量的鲁棒性较低，工程应用性不好。

因此，需要提供一种鲁棒性高、准确性高的电力线悬挂点空间坐标提取方法，实现悬挂点附近电力线点云完整、分类正确情况下以及悬挂点附近电力线点云缺失或分类错误情况下的电力线悬挂点空间坐标准确提取。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：提供一种基于激光点云数据的电力线悬挂点空间坐标提取方法，以解决目前电力线悬挂点空间坐标提取不准确、提取方法鲁棒性差等问题。

发明技术方案：

一种基于激光点云数据的电力线悬挂点空间坐标提取方法，它包括：

步骤1、获取已分类的跨越多档的输电线路点云数据：包括电力线点云数据和杆塔点云数据；

步骤2、确定杆塔中心平面坐标：对杆塔点云数据进行基于密度的聚类，聚类分割出每基杆塔相对应的点云数据其中n表示杆塔数，将聚类分割后的每基杆塔点云投影到XOY平面，提取各投影后的杆塔点云质心坐标作为该基杆塔中心的XOY平面坐标；

步骤3、确定每档电力线的准确分割平面：将各杆塔中心平面点依次连线，计算各点的角平分线Lⁱ(x,y)(首尾两个点的角平分线为垂直于该段连线的垂线)，过各角平分线Lⁱ(x,y)作垂直于XOY平面的XYZ空间平面Sⁱ(x,y,z)，并将空间平面Sⁱ(x,y,z)作为分割该基杆塔左右两档电力线的分割平面，根据电力线悬挂点与杆塔的位置关系可知，电力线悬挂点在分割平面附近或在分割平面上；

步骤4、电力线悬挂点初步搜索：提取距离各分割平面2米之内的所有电力线点云并存入若中电力线点云数量为0，则判定悬挂点附近电力线点云缺失，直接跳转到步骤5；否则，提取中高程最高的电力线点P_maxz(x,y,z)，将中点云沿电力线走向进行排序后，分别提取中距离P_maxz(x,y,z)点左右两侧0.5米之内的点的个数N_right、N_left，若N_right、N_left均大于等于10，则判定P_maxz(x,y,z)点即为电力线悬挂点，完成悬挂点空间坐标提取；否则，认为悬挂点附近电力线点云缺失，跳转到步骤5；

步骤5、缺失电力线局部重建：分别提取分割平面Sⁱ(x,y,z)两侧距离该平面10米之内的电力线点并存入分别对中点云进行空间多项式拟合，并分别延长至20米后进行间隔为0.05米的等距采样，得到局部重建后的电力线点云集合

步骤6、搜索局部重建后的电力线相交点：计算局部重建后的两电力线相交点即为电力线悬挂点。

所述电力线相交点的确定方法包括：

步骤6.1、分别提取中距离分割平面Sⁱ(x,y,z)0.2米之内的电力线点集合

步骤6.2、分别计算点集合中平均坐标P₁ⁱ(x,y,z)、若P₁ⁱ(x,y,z)、坐标值相同，则P₁ⁱ(x,y,z)即为电力线悬挂点，完成悬挂点空间坐标提取，停止搜索；否则，计算点P₁ⁱ(x,y,z)、之间的空间距离d；

步骤6.3、将分割平面Sⁱ(x,y,z)沿d递减的电力线方向以一定步长进行平移，直到搜索到d为0或者为最小值时则停止平移，此时两电力线交点(即电力线悬挂点)位于停止平移时的分割平面Sⁱ(x,y,z)上或其附近，提取中距离停止平移时分割平面Sⁱ(x,y,z)0.2米之内的点云于一个集合中，计算该集合中点坐标的平均值即为电力线悬挂点空间坐标。

所述分割平面Sⁱ(x,y,z)沿d递减的电力线方向进行平移方法具体为：设置平移步长为0.1米，将分割平面Sⁱ(x,y,z)沿某侧电力线方向进行平移，根据步骤6.2计算d值，若平移后的d值大于平移前的d值(即d递增)，则将分割平面沿反方向进行平移，若平移后的d值小于平移前的d值(即d递减)，则继续沿该方向平移。

所述搜索到d为最小值则停止平移具体为：确定分割平面平移方向(即d递减方向)，继续平移，当分割平面经过电力线交点后，d将开始递增，因此一旦d经历递减后重新递增时，则停止平移搜索，并将分割平面退回到上一位置。

本发明有益效果：

本发明所述的电力线悬挂点空间坐标提取是各工况下电力线模拟的基础，实现精度高、鲁棒性高的电力线悬挂点空间坐标提取至关重要。本发明针对电力线悬挂点与电力线、杆塔的空间位置关系，首先提取杆塔中心点连线的角平分线，过各角平分线作分割平面对电力线点云进行准确的分档；然后基于分割平面检测悬挂点附近电力线点云是否完整，进一步分别对悬挂点附近电力线点云完整及缺失两种情况进行悬挂点空间坐标提取，提高了算法的应用范围和鲁棒性，解决了现有技术对于数据质量的依赖；对于悬挂点附近电力线点云完整情况，本发明以分割平面一定距离内高程最大值为基础，结合邻域内点云数量阈值准确提取悬挂点的空间坐标，避免了现有技术中粗差点和噪点对悬挂点坐标准确性的影响；对于悬挂点附近电力线点云缺失情况，本发明以局部重建方式快速准确还原缺失电力线，并利用迭代搜索方式计算电力线交点，快速得到准确的悬挂点空间坐标，解决了现有技术对于悬挂点附近电力线点云缺失情况不适用、准确性低的问题。因此，通过本发明可解决现有技术电力线悬挂点空间坐标提取不准确、提取方法鲁棒性差等问题，为基于电力线悬挂点空间坐标进行各工况下电力线模拟计算打下坚实基础。

具体实施方式：

下面结合实例对本发明作进一步细化说明：

一种基于点云数据的电力线悬挂点空间坐标提取方法，它包括下述步骤：

步骤1、获取已分类的跨越多档的输电线路点云数据：包括电力线点云数据和杆塔点云数据；

步骤2、确定杆塔中心平面坐标：对杆塔点云数据进行基于密度的聚类，聚类分割出每基杆塔相对应的点云数据其中n表示杆塔数，将聚类分割后的每基杆塔点云投影到XOY平面，提取各投影后的杆塔点云质心坐标作为该基杆塔中心的XOY平面坐标；

步骤3、确定每档电力线的准确分割平面：将各杆塔中心平面点依次连线，计算各点的角平分线Lⁱ(x,y)(首尾两个点的角平分线为垂直于该段连线的垂线)，过各角平分线Lⁱ(x,y)作垂直于XOY平面的XYZ空间平面Sⁱ(x,y,z)，并将空间平面Sⁱ(x,y,z)作为分割该基杆塔左右两档电力线的分割平面，根据电力线悬挂点与杆塔的位置关系可知，电力线悬挂点在分割平面附近或在分割平面上；

步骤4、电力线悬挂点初步搜索：提取距离各分割平面2米之内的所有电力线点云并存入若中电力线点云数量为0，则判定悬挂点附近电力线点云缺失，直接跳转到步骤5；否则，提取中高程最高的电力线点P_maxz(x,y,z)，将中点云沿电力线走向进行排序后，分别提取中距离P_maxz(x,y,z)点左右两侧0.5米之内的点的个数N_right、N_left，若N_right、N_left均大于等于10，则判定P_maxz(x,y,z)点即为电力线悬挂点，完成悬挂点空间坐标提取；否则，认为悬挂点附近电力线点云缺失，跳转到步骤5；

步骤5、缺失电力线局部重建：分别提取分割平面Sⁱ(x,y,z)两侧距离该平面10米之内的电力线点并存入分别对中点云进行空间多项式拟合，并分别延长至20米后进行间隔为0.05米的等距采样，得到局部重建后的电力线点云集合

步骤6、搜索局部重建后的电力线相交点：根据电力线悬挂点的定义可知，局部重建后的两电力线相交点即为电力线悬挂点，采用以下方法快速搜索两电力线交点：

步骤6.1、分别提取中距离分割平面Sⁱ(x,y,z)0.2米之内的电力线点集合

步骤6.2、分别计算点集合中平均坐标P₁ⁱ(x,y,z)、若P₁ⁱ(x,y,z)、坐标值相同，则P₁ⁱ(x,y,z)即为电力线悬挂点，完成悬挂点空间坐标提取，停止搜索；否则，计算点P₁ⁱ(x,y,z)、之间的空间距离d；

步骤6.3、将分割平面Sⁱ(x,y,z)沿d递减的电力线方向以一定步长进行平移，直到搜索到d为0或者为最小值时则停止平移，此时两电力线交点(即电力线悬挂点)位于停止平移时的分割平面Sⁱ(x,y,z)上或其附近，提取中距离停止平移时分割平面Sⁱ(x,y,z)0.2米之内的点云于一个集合中，计算该集合中点坐标的平均值即为电力线悬挂点空间坐标；

所述分割平面Sⁱ(x,y,z)沿d递减的电力线方向进行平移方法具体为：设置平移步长为0.1米，将分割平面Sⁱ(x,y,z)沿某侧电力线方向进行平移，根据步骤6.2计算d值，若平移后的d值大于平移前的d值(即d递增)，则将分割平面沿反方向进行平移，若平移后的d值小于平移前的d值(即d递减)，则继续沿该方向平移。

所述搜索到d为最小值则停止平移具体为：确定分割平面平移方向(即d递减方向)，继续平移，当分割平面经过电力线交点后，d将开始递增，因此一旦d经历递减后重新递增时，则停止平移搜索，并将分割平面退回到上一位置。