專利名稱：基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸電線路雷電防治應(yīng)用領(lǐng)域，具體是一種基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有研究表明，不同時間段、不同地域，由于雷電活動特征存在較大差異，雷擊對輸電線路造成的沖擊也是不同的。如何有效地評估輸電線路的防雷性能已受到電網(wǎng)運行人員的高度重視，為了提高應(yīng)用研究水平，為差異化防雷方案的制定提供可靠數(shù)據(jù)，必須校核已有線路地理參數(shù)，摸清沿線地形、地貌特征等。
但是，鄂西三峽地區(qū)地表條件復(fù)雜、氣候多變，高山峽谷眾多，切割地形嚴重，為輸電線路雷電防護帶來很大困難。由于地形復(fù)雜、陡峭，難以逐級桿塔進行經(jīng)緯度測量，而且使用現(xiàn)有技術(shù)對逐級桿塔進行經(jīng)緯度測量的數(shù)據(jù)資料也不準確，作為研究對象的最基礎(chǔ)線路桿塔本體資料不準確，直接會誤導(dǎo)整個線路走廊雷電防治方案的有效性和防治措施的技術(shù)經(jīng)濟性。因此，三峽地區(qū)輸電線路雷電機理和防治措施研究時，非常緊迫地需要開展此項研究工作，以獲取更精確的輸電線路全線逐級桿塔的塔形、結(jié)構(gòu)，典型輸電線路的地理坐標、高度、密度及地形地貌參數(shù)，用于三峽地區(qū)雷擊風險統(tǒng)計和進行仿真輸電線路雷擊風險評估。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，可以借助三維激光雷達技術(shù)在復(fù)雜地區(qū)獲取地形精確的輸電線路參數(shù)，為輸電線路防雷差異化分析研究和評估防雷措施的有效性提供準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。—種基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，包括步驟10 :通過飛行器攜帶三維激光雷達測量系統(tǒng)，對輸電線路走廊沿線桿塔進行掃描，獲取包括實施差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)；步驟20 :對步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)和GPSUMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合精細預(yù)處理，生成大地定向后的原始激光點云數(shù)據(jù)；步驟30 :對生成的原始激光點云數(shù)據(jù)進行精細分類，生成包括地表層、植被層、線路層和桿塔層的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)；步驟40 :運用雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件，輸入步驟30獲得的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)，分析輸出精確到逐級桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。本發(fā)明采用三維激光雷達技術(shù)對選定研究線路進行掃描、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)精細處理分析的方式，得出試點線路精確分析輸出到逐級桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)，為輸電線路防雷差異化分析研究和評估防雷措施的有效性提供準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。


圖I是本發(fā)明基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法的流程圖；圖2是本發(fā)明在桿塔橫截面左右各IOOm內(nèi)，每隔25m取一個相對桿塔的地表層激光點計算地面傾角0 i的示意圖；圖3為地面傾角Θ符號的定義示意圖；圖4是桿塔左右各50m處獲得的地面傾角Θ ( Θ 3、Θ 6)來定義地貌的示意圖；圖5是單回桿塔中各個桿塔參數(shù)的示意圖；圖6是同塔雙回桿塔中各個桿塔參數(shù)的示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。圖I所示為本發(fā)明基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法的結(jié)構(gòu)示意圖，所述方法包括如下步驟步驟10 :通過飛行器攜帶三維激光雷達測量系統(tǒng)，對輸電線路走廊沿線桿塔進行掃描，獲取包括實施差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU(即位置姿態(tài))數(shù)據(jù)。所述三維激光雷達測量系統(tǒng)包括激光掃描儀、GPS定位系統(tǒng)和慣性測量裝置(inertial measurement unit, IMU),所述激光掃描儀用于測定激光雷達信號發(fā)射參考點到地面激光腳點的距離，獲得所述包括差異化防雷指定線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)；所述GPS定位系統(tǒng)和慣性測量裝置用于測量激光掃描儀在運動過程中的經(jīng)緯度空間位置信息和PHR(俯角、仰角和橫滾角)三個瞬時姿態(tài)角，獲取包括差異化防雷指定輸電線路桿塔段的GPSUMU 數(shù)據(jù)。步驟20 :對步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合精細預(yù)處理，生成大地定向后的原始激光點云數(shù)據(jù)。具體的，可利用三維激光雷達測量系統(tǒng)自帶軟件，對步驟10獲得的所述GPSUMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合差分解算，獲得激光掃描儀每個掃描時刻的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；然后，利用三維激光雷達測量系統(tǒng)自帶軟件，對步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)自動進行空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的賦值運算，生成大地定向后的原始激光點云數(shù)據(jù)。步驟30 :對生成的原始激光點云數(shù)據(jù)進行精細分類，生成包括地表層、植被層、線路層和桿塔層的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)。因為獲取的原始激光點云數(shù)據(jù)包含所有的激光測量點，包括地面和非地面的，要得到雷電線塔參數(shù)數(shù)據(jù)，則首先需要把激光點云分類分層出來。在進行分類前，先對激光數(shù)據(jù)進行去噪處理，剔除錯誤點、高程異常點，如特別高的點(空中飛行中的鳥或雜質(zhì))。因坡度、植被、紋理及不同回波強度信息，使用激光分類專業(yè)軟件(Terrasolid或SLC或LPV等)進行分類處理，將激光點按下步計算所需要的地表層、植被層、線路層和桿塔層進行精細分類分層。LAS格式是機載激光雷達測量系統(tǒng)(LIDAR)的標準數(shù)據(jù)格式，其由美國攝影測量與遙感(ASPRS)機構(gòu)下的LIDAR委員會于2003年發(fā)布，經(jīng)過改進目前已有四種版本，分別是LAS1. O、I. I、I. 2、2. 0(擬定版)。LAS標準格式包括三部分，分別是公共文件頭區(qū)、變長記錄區(qū)、格式O點集記錄區(qū)。公共文件頭區(qū)記錄LAS文件的普通信息，如點的個數(shù)等；變長記錄區(qū)包含一些元數(shù)據(jù)，如文件采用的坐標系等；格式O點集記錄區(qū)記錄點的X，Y，Z和屬性。步驟40 :運用雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件，輸入步驟30獲得的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)(含地表層、植被層、線路層和桿塔層桿塔層)，分析輸出精確到逐級桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。下面分別介紹所述雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件根據(jù)步驟30獲得的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)分析輸出地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)的方法I、分析輸出桿塔的地形地貌參數(shù) 具體的，如圖2所示，在桿塔橫截面左右各IOOm內(nèi)，每隔25m取一個相對桿塔的地表層激光點云數(shù)據(jù)計算出地面傾角Θ i(i = 1、2、3、4、5、6、7、8)，所述桿塔左右各50m處獲得的地面傾角Θ用于判斷地貌。如圖3所示，hl、h2均為海拔高度，有如果h2 < hl，則 Θ > O如果h2 > hl，則 Θ < O地貌一般分為四種，分別為山頂、沿坡、山谷和平地，如圖4(a)所示，如果θ3>0、θ6>0，則該桿塔所處地貌為山頂；如圖4(b)所示，如果θ3>0、θ6<0，則該桿塔所處地貌為沿坡；如圖4(c)所示，如果Θ 3 < O、Θ 6 < 0，則該桿塔所處地貌為山谷；如圖4(d)所示，如果Θ 3 = O、Θ 6 = O,則該桿塔所處地貌為平地。最終的地面傾角Θ = ave ( Σ I Θ i I), Θ i (i = 1、2、3、4、5、6、7、8)。即在桿塔左右各IOOm內(nèi)，每隔25m取一個相對桿塔的地表層激光點計算出地面傾角Θ i，其中各50m處的地面傾角用于判斷桿塔處地貌，所有點處地面傾角和的平均值為最終的地面傾角。因此，桿塔的地形地貌參數(shù)的輸出結(jié)果為桿塔處地貌(山頂、沿坡、山谷、平地四者之一)和地面傾角。2、分析輸出線路參數(shù)導(dǎo)線、避雷線沿線路檔距全線每隔1/8檔距取線路層激光點云數(shù)據(jù)采樣點對地表層激光點云數(shù)據(jù)高度及地形地貌參數(shù)(地形地貌參數(shù)計算方法與前面桿塔的地形地貌參數(shù)的計算方法一致，在此不再贅述)定義線路參數(shù)。線路參數(shù)中的地形地貌參數(shù)為線路每隔1/8檔距線路層采樣激光點處的地貌(山頂、沿坡、山谷、平地四者之一)和地面傾角。3、分析輸出桿塔參數(shù)根據(jù)差異化防雷雷電專業(yè)要求選取桿塔層激光點云數(shù)據(jù)對應(yīng)的特征點，計算桿塔參數(shù)，所述桿塔參數(shù)包括導(dǎo)地線(導(dǎo)線和避雷線)懸掛高度和中距等。具體的，單回桿塔如圖5所示，此時需要輸出的桿塔參數(shù)為下相導(dǎo)線高度(hi)、中相導(dǎo)線高度(h2)、上相導(dǎo)線高度(h3)(圖5所示桿塔中三相導(dǎo)線高度相同，而實際線路的塔型可能各相高度不同)、避雷線高度(H)、下相導(dǎo)線中距(dl)、中相導(dǎo)線中距(d2)、上相導(dǎo)線中距(d3)、避雷線中距(dg)(圖5所示桿塔由于有一相導(dǎo)線位于桿塔中心，因此d2 = 0，在圖中沒有將d2表示出來，實際線路中的塔型會出現(xiàn)d2古O的情況)。同塔雙回桿塔如圖6所示，此時需要輸出的桿塔參數(shù)為下相導(dǎo)線高度(hi)、中相導(dǎo)線高度(h2)、上相導(dǎo)線高度(h3)、避雷線高度(H)、下相導(dǎo)線中距(dl)、中相導(dǎo)線中距(d2)、上相導(dǎo)線中距(d3)、避雷線中距(dg)。三維激光雷達測量系統(tǒng)是以發(fā)射和接收激光脈沖的方式，通過記錄激光脈沖從發(fā)射、經(jīng)過地面目標物反射到接收單元的時間延遲，可精確測定從發(fā)射點到地面反射點(激光腳點)之間的距離，進而獲取高精度地面反射點的三維坐標。本發(fā)明采用三維激光雷達技術(shù)對選定研究線路進行掃描、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)精細處理分析的方式，得出試點線路精確分析輸出到逐級桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。本發(fā)明在鄂西三峽地區(qū)某220KV、110KV和35KV試點輸電線路逐級桿塔雷擊風險統(tǒng)計和評估時可以輸出準確的逐級桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)，并結(jié)合雷擊物理模型進行動態(tài)仿真和事故復(fù)現(xiàn)，為輸電線路防雷差異化分析研究和評估防雷措施的有 效性提供準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，其特征在于所述方法包括 步驟10 :通過飛行器攜帶三維激光雷達測量系統(tǒng)，對輸電線路走廊沿桿塔進行掃描，獲取包括實施差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)； 步驟20 :對步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)和GPSUMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合精細預(yù)處理，生成大地定向后的原始激光點云數(shù)據(jù)； 步驟30 :對生成的原始激光點云數(shù)據(jù)進行精細分類，生成包括地表層、植被層、線路層和桿塔層的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)； 步驟40 :運用雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件，輸入步驟30獲得的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)，分析輸出精確到逐級桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，其特征在于所述步驟40中所述雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件分析輸出所述桿塔周圍的地形地貌參數(shù)的步驟具體為 在桿塔橫截面左右各IOOm內(nèi)，每隔25m取一個相對桿塔的地表層激光點計算出地面傾角Θ i(i = 1、2、3、4、5、6、7、8)，所述桿塔左右各50m處獲得的地面傾角Θ用于判斷桿塔處地貌，所有點處地面傾角和的平均值為最終的地面傾角，桿塔的地形地貌參數(shù)的輸出結(jié)果為桿塔處地貌和地面傾角； 所述步驟40中所述雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件分析輸出所述線路參數(shù)的步驟具體為在導(dǎo)線、避雷線沿線路檔距全線每隔1/8檔距取線路層采樣激光點對地表層激光點高度及地形地貌參數(shù)定義所述線路參數(shù)； 所述步驟40中所述雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件分析輸出所述桿塔參數(shù)的步驟具體為根據(jù)差異化防雷雷電專業(yè)要求選取桿塔層對應(yīng)的特征激光點，計算桿塔參數(shù)，所述桿塔參數(shù)包括導(dǎo)線和避雷線的懸掛高度和中距。
3.如權(quán)利要求I所述的基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，其特征在于所述三維激光雷達測量系統(tǒng)包括激光掃描儀、GPS定位系統(tǒng)和慣性測量裝置，所述激光掃描儀用于測定激光雷達信號發(fā)射參考點到地面激光腳點的距離，獲得所述包括差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)；所述GPS定位系統(tǒng)和慣性測量裝置用于測量激光掃描儀在運動過程中的經(jīng)緯度空間位置信息和俯角、仰角和橫滾角三個瞬時姿態(tài)角，獲取包括差異化防雷指定輸電線路桿塔段的GPS\IMU數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求I所述的基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，其特征在于所述步驟20具體包括對步驟10獲得的所述GPSUMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合差分解算，獲得激光掃描儀每個掃描時刻的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；然后對步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)自動進行空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的賦值運算，生成大地定向后的原始激光點云數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種基于三維激光雷達技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，包括通過飛行器攜帶三維激光雷達測量系統(tǒng)，對輸電線路走廊沿線桿塔進行掃描，獲取包括實施差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)；對獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合精細預(yù)處理，生成大地定向后的原始激光點云數(shù)據(jù)；對生成的原始激光點云數(shù)據(jù)進行精細分類，生成包括地表層、植被層、線路層和桿塔層的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)；運用雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件，輸入獲得的LAS格式激光點云數(shù)據(jù)，分析輸出精確到逐級桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。本發(fā)明可以為輸電線路防雷差異化分析研究和評估防雷措施的有效性提供準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
文檔編號G01S17/88GK102955160SQ201110238840
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者阮羚, 姚堯, 周平 申請人:湖北省電力公司電力科學(xué)研究院, 武漢科西爾信息技術(shù)有限公司, 國家電網(wǎng)公司