專利名稱：一種機(jī)載lidar數(shù)據(jù)電力線快速提取及重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測繪技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)電力線快速提取及重構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前直升機(jī)巡線技術(shù)的空間定位量測精度不高，而直升機(jī)搭載LIDAR(激光雷達(dá)) 系統(tǒng)正好能較好解決這個(gè)問題。機(jī)載LIDAR系統(tǒng)可以獲取航空數(shù)碼影像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以對(duì)輸電線走廊地物進(jìn)行安全故障檢測。目前國外已經(jīng)將激光雷達(dá)系統(tǒng)用于電網(wǎng)的勘測設(shè)計(jì)和維護(hù)，我國則處于起步階段。激光雷達(dá)技術(shù)檢測電力線，關(guān)鍵是電力線的識(shí)別和重構(gòu)。目前已有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究并取得了一定成果，但是他們大都只能檢測單個(gè)跨度間的電力線，不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨度間電力線自動(dòng)提取。如Robert A在“從機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)中提取傳輸線”(MCLAUHLIN R A, Extracting Transmission Lines From Airborne LIDAR Data, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 3, 2006. pp :222-226)利用懸鏈線方程對(duì)單個(gè)跨度內(nèi)的電力線數(shù)據(jù)建立局部仿射模型，該方法提取率只有72. I %。Thomas Melzer在“從ALS點(diǎn)云中對(duì)電力線的提取和建?！?TH0MASM,CHRISTIAN B, " Extraction and Modeling of Power Lines From ALS Point Clouds"，IEEEE，2004)利用懸鏈線方程做為假設(shè)模型，任意選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)子集為初始點(diǎn)集，通過RANSAC方法識(shí)別單根電力線。該算法初始模型選擇很關(guān)鍵。 如果選擇的不是同一根電力線上的點(diǎn)云，就要重新選取，影響提取速度。同時(shí)，該算法要重復(fù)計(jì)算點(diǎn)到假設(shè)模型的距離，計(jì)算量比較大。Y. JwaCJWA Y，SOHN G7KIM H. , AUTOMATIC 3D POffERLINE RECONSTRUCTION USING AIRBORNE LIDARDATA. IAPRS, Vol. XXXVIII,2009. pp 105-110.)提出了利用VPLD方法提取電力線，他的基本思想是利用懸鏈線方程在小立方體內(nèi)分段擬合電力線參數(shù)，比較當(dāng)前立方體內(nèi)擬合的電力線參數(shù)與上一個(gè)立方體內(nèi)參數(shù)的變化，判斷是否屬于同一根電力線。該方法提取率達(dá)到93.8%，但是對(duì)于點(diǎn)云稀疏的數(shù)據(jù)不適用。芬蘭Terrasolid軟件中的電力線檢測模塊，能實(shí)現(xiàn)電力線的檢測和到地物點(diǎn)距離量測，但是不能跨越多個(gè)跨度間電力線檢測?？梢?，在現(xiàn)有技術(shù)中的電力線提取技術(shù)上，目前還沒有比較好的方法能自動(dòng)識(shí)別電力線并且能實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨度間的電力線提取。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明的目的是要解決從機(jī)載LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取電力線及電塔，并對(duì)電力線進(jìn)行三維重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸電線走廊中多個(gè)跨度間電力線的自動(dòng)提取和擬合。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)電力線快速提取及重構(gòu)方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，通過機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取大量的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中包括非電力線形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；利用非電力線與電力線在高度上的間距，通過適當(dāng)設(shè)置高程閾值對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，剔除非電力線形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟2，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波完成后，針對(duì)電力線候選點(diǎn)云數(shù)據(jù)中仍包含的電塔數(shù)據(jù)， 根據(jù)電塔兩邊點(diǎn)云密度變化特點(diǎn)對(duì)電塔進(jìn)行剔除；步驟3，從電力線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用直方圖統(tǒng)計(jì)分析法統(tǒng)計(jì)每層電力線的點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行電力線的分層，然后對(duì)同一層中的電力線進(jìn)行擬合，從而分離出單根電力線上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟4，利用懸鏈線方程，對(duì)電力線進(jìn)行擬合，估算出懸鏈線方程參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)電力線的矢量化。優(yōu)選地，所述步驟3中根據(jù)電力線在二維平面的投影為直線，判斷電力線的走向， 從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨度間電力線的提取。優(yōu)選地，所述步驟4具體包括根據(jù)懸鏈線方程y = kCosh(X/k)-k建立導(dǎo)線模型， 利用最小二乘原理估算模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電力線的擬合；其中k = g/p，P是電力線的水平應(yīng)力，g是電力線的比載。本發(fā)明可以彌補(bǔ)已有算法中只能進(jìn)行單個(gè)跨度電力線提取的缺陷，能快速實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨度間的電力線自動(dòng)提取和電塔提取，并且對(duì)于稀疏的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也能夠提取，提取效率很高。本發(fā)明可以用于電力部門進(jìn)行輸電線路安全巡檢，可以量測導(dǎo)線到樹木、建筑物的距離，判斷輸電線走廊周圍地物到導(dǎo)線的距離是否符合安全距離要求，一旦超出安全范圍，電力部門可以采取措施避免事故發(fā)生，大大提高輸電線巡檢效率。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的電力線提取和重構(gòu)流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中原始激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中去除地面點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中去除電塔結(jié)果圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例中電力線矢量化效果圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例中電力線矢量線與電塔疊加效果圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例中電力線矢量線與點(diǎn)云疊加效果圖。
具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
并配合附圖詳予說明。從機(jī)載LIDAR(激光雷達(dá))數(shù)據(jù)中提取和重構(gòu)電力線的具體流程圖如圖I所示。電力線首先要解決從大量原始激光點(diǎn)云中分離電力線點(diǎn)云的問題，即分離出非電力線點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖I所示的地面點(diǎn)、植被和建筑物等)和電力線數(shù)據(jù)兩大部分，并且，從電力線的候選點(diǎn)云中剔除電塔。其次，根據(jù)電力線的空間特征，判斷電力線的走向，從電力線數(shù)據(jù)點(diǎn)中識(shí)別出單根電力線數(shù)據(jù)。最后，對(duì)電力線數(shù)據(jù)矢量化，進(jìn)行三維重構(gòu)，恢復(fù)電力線的空間特性。下面對(duì)本發(fā)明各步驟做進(jìn)一步詳細(xì)介紹
I.點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波機(jī)載LIDAR(激光雷達(dá))系統(tǒng)獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一般包括地面點(diǎn)、建筑物、植被、河流等地物點(diǎn)。圖2是原始激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)示意圖。這些地物影響電力線的提取，尤其是大量的地面點(diǎn)，所以在提取電力線之前，首先要對(duì)海量激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。通常電力線架設(shè)在10-50米高空，樹木比電力線低很多。所以利用高程直方圖統(tǒng)計(jì)的方法剔除地面點(diǎn)，對(duì)不同的數(shù)據(jù)設(shè)置合適的高程閾值，能快速有效地剔除地面點(diǎn)和低矮樹木。圖3是去除地面點(diǎn)數(shù)據(jù)后的結(jié)果圖。如果輸電線走廊跨越復(fù)雜山區(qū)，在利用該方法之前要對(duì)數(shù)據(jù)構(gòu)建nDSM(正規(guī)化數(shù)字地表高程模型)，消除地形影響。2.電塔剔除為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨度間電力線的自動(dòng)提取，要對(duì)電塔進(jìn)行剔除。沿著輸電線路的走向，統(tǒng)計(jì)電塔兩邊點(diǎn)云密度的變化，剔除電塔，附圖4是剔除電塔數(shù)據(jù)后的結(jié)果圖。3.單根電力線的識(shí)別從電力線的空間分布來看，電力線由下向上分為3-4層電力線，每層中的單根電力線在局部空間范圍內(nèi)又是獨(dú)立的。所以本發(fā)明根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)電力線進(jìn)行分離。由于周圍地物分布以及地勢起伏的原因，實(shí)際的電力線路并不是沿著一個(gè)方向分布，所以根據(jù)電力線在二維平面投影為直線，判斷出電力線的大致走向，實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨度間電力線的提取。 利用直方圖統(tǒng)計(jì)分析法統(tǒng)計(jì)每層中電力線的點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行電力線的分層，然后對(duì)同一層中的電力線進(jìn)行擬合，進(jìn)一步分離出單根電力線。4.電力線重構(gòu)電力線由于受重力影響，呈現(xiàn)拋物線形態(tài)。根據(jù)已有的懸鏈線方程，如公式(I)，建立導(dǎo)線模型，利用最小二乘原理估算模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電力線的擬合。y = kcosh(x/k)_k 其中 k = g/ P ;公式(I)式中P -水平應(yīng)力(即導(dǎo)線最低點(diǎn)應(yīng)力);g_導(dǎo)線的比載；5.機(jī)載LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速自動(dòng)提取電力線的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的從機(jī)載LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中快速自動(dòng)提取電力線的可行性和適用性，實(shí)驗(yàn)以圖2所示原始數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如附圖2所示，該數(shù)據(jù)是有5個(gè)電塔的機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)，電塔架在凸凹不平的陡坡處，周圍有低矮的樹木，平均點(diǎn)云密度I. 24個(gè)/m2。 根據(jù)上述流程，對(duì)該數(shù)據(jù)處理耗時(shí)9. 94秒，完成電力線的檢測，附圖5是本發(fā)明實(shí)施例最終實(shí)現(xiàn)的電力線矢量線，附圖6是實(shí)現(xiàn)的電力線和電塔的匹配，附圖7是電力線矢量線與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊，從該圖中可以看出電力線矢量線與點(diǎn)云數(shù)據(jù)是完全重合的，電力線的擬合精度非常高。從上面的實(shí)驗(yàn)果可知，本發(fā)明提出的方法取得了理想的電力線提取效果，并且提取速度很快，電力線提取精度達(dá)到100%，即使比較稀疏的點(diǎn)云數(shù)據(jù)也能夠提取出來，實(shí)現(xiàn)了電力線的自動(dòng)快速提取，可以滿足電力線巡檢對(duì)速度和提取率的要求。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，例如對(duì)城市供水設(shè)施、燃?xì)庠O(shè)施、交通設(shè)施的巡檢裝備和系統(tǒng)等，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)電力線快速提取及重構(gòu)方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，通過機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取大量的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中包括非電力線形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；利用非電力線與電力線在高度上的間距，通過適當(dāng)設(shè)置高程閾值對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，剔除非電力線形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟2，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波完成后，針對(duì)電力線候選點(diǎn)云數(shù)據(jù)中仍包含的電塔數(shù)據(jù)，根據(jù)電塔兩邊點(diǎn)云密度變化特點(diǎn)對(duì)電塔進(jìn)行剔除；步驟3，從電力線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用直方圖統(tǒng)計(jì)分析法統(tǒng)計(jì)每層電力線的點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行電力線的分層，然后對(duì)同一層中的電力線進(jìn)行擬合，從而分離出單根電力線上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟4，利用懸鏈線方程，對(duì)電力線進(jìn)行擬合，估算出懸鏈線方程參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)電力線的矢量化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟3中根據(jù)電力線在二維平面的投影為直線，判斷電力線的走向，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨度間電力線的提取。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟4具體包括根據(jù)懸鏈線方程y =kcosh(x/k)-k建立導(dǎo)線模型，利用最小二乘原理估算模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電力線的擬合；其中k = g/p，P是電力線的水平應(yīng)力，g是電力線的比載。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)電力線快速提取及重構(gòu)方法，包括通過機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)獲取大量的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過適當(dāng)設(shè)置高程閾值對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，剔除非電力線形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；在點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波完成后，根據(jù)電塔兩邊點(diǎn)云密度變化特點(diǎn)對(duì)電塔進(jìn)行剔除；對(duì)電力線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用直方圖統(tǒng)計(jì)分析法統(tǒng)計(jì)每層電力線的點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行電力線的分層，然后對(duì)同一層中的電力線進(jìn)行擬合，從而分離出單根電力線上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；利用懸鏈線方程，對(duì)電力線進(jìn)行擬合，估算出懸鏈線方程參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)電力線的矢量化。本發(fā)明可能快速實(shí)現(xiàn)多個(gè)跨度間的電力線自動(dòng)提取和電塔提取，提取效率很高，可以用于電力部門進(jìn)行輸電線路安全巡檢，大大提高輸電線巡檢效率。
文檔編號(hào)G01S7/48GK102590823SQ201210002838
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者劉正軍, 左志權(quán), 張繼賢, 梁靜 申請(qǐng)人:中國測繪科學(xué)研究院