基于点云数据的输电线路对地表净空距离轮廓线提取方法与流程

本发明涉及点云数据处理技术领域，特别涉及一种基于点云数据的特高压直流输电线路对地表净空距离轮廓线的提取方法。

背景技术：

输电线路通道走廊(即沿高压架空电力线路边导线，向两侧伸展规定宽度的线路下方带状区域)内，当树木与线路导线的距离低于安全距离时，导线将击穿空气，与树木、大地形成接地回路，造成输电线跳闸。造成的输电线路跳闸被称为“树木故障”，简称树障。树障容易造成线路停运，危害很大。运行经验表明，及时掌控导线对地距离对管控树障隐患可有效减少树障的发生，具有重大意义。随着无人机技术及摄影测量技术的发展，利用无人机对输电线路通道走廊进行巡检日益增多。目前，一般利用无人机对输电线路通道走廊进行航拍，并对航拍照片进行数据处理得出输电线路导线及通道走廊点云数据，从而计算分析导线对地距离情况。此种方式下，仅能得出导线静态情况下对地距离，且无法直观展示不同工况下导线与地面距离的整体情况，不利于对树障的管控。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上所述缺陷，提供一种基于点云数据的输电线路对地表净空距离轮廓线提取方法，设计科学合理，充分考虑不同工况，得出整段输电线路导线与地表的最小净空距离，以实现对树障的管控。

为了解决以上所述技术问题，本发明所述基于点云数据的输电线路对地表净空距离轮廓线提取方法包括以下步骤：

§1点云数据获取使用无人机搭载激光雷达设备对输电线路进行三维激光点云数据采集；

§2点云分类对所述步骤§1获取到的输电线路点云数据进行分类，分为导线点云、杆塔点云和地物点云；

§3导线拟合基于所述步骤§2分类后的点云数据，通过导线设计挂点坐标(已有挂点坐标情况)、手动选点(导线点云较稀疏情况)或自动拟合(导线点云较完整情况)的方式，依据抛物线悬链公式(公式1)对导线进行拟合，生成连续的矢量导线：

y＝ax²+bx+c(a、b、c是抛物线参数)……(1)

将两根电线杆之间的点投影到电力线方向和z轴所在的平面，用数值分析中曲线拟合及函数逼近方法(最小二乘法)解算式(1)中最佳的参数a,b,c，得到每条电力线的最佳参数，则可三维重建每条电力线，即静态的电力线；

考虑导线风偏对导线对地距离的影响，除了拟合出静态条件下的电力线外，还需要根据模型(即下述公式2)拟合风偏情况下的导线弧垂；风偏情况下导线任意点处弧垂为：

式中，x为任意点与一侧杆塔的水平距离，单位：m；l为档距(即架空线路在平行于相邻两杆塔间导线所受比载的平面内的两悬挂点之间的水平距离)，单位：m，l可通过查询运维单位技术台账得到；fm为最大弧垂，通过查询运维单位图纸得到，单位：m；

该点处水平风偏x为：

该点处垂直风偏y为：

(3)、(4)式中，为悬垂绝缘子串风偏角(特高压直流都是v形挂点,挂点是固定的，故此值为0)，ξ为导线的风偏角(已知)；

§4设置导线下方导线投影两侧需进行净空距离计算的缓冲区宽度w(需提取截面的缓冲区宽度)，选取缓冲区内的点云数据，根据档距设置间隔d，将设置的缓冲区沿导线方向按照间隔距离等分为若干个矩形区域；

§5计算导线风偏范围内导线弧垂到每个矩形区域的净空距离，提取出每个区域内净空距离最小的点，为实现后续轮廓线的生成提供数据基础；

基于点云的净空距离的计算：两个不同的二维平面直角坐标系之间转换，使用四参数模型(数学方程组)也即四参数转换的方法,在该模型中有四个未知参数，即：

1)两个坐标平移量(△x，△y)，即两个平面坐标系的坐标原点之间的坐标差值；

2)平面坐标轴的旋转角度α，通过旋转一个角度α，使两个坐标系的x和y轴重合在一起；

3)尺度因子k，即两个坐标系内的同一段直线的长度比值，实现尺度的比例转换，通常k值几乎等于1，所以公式中未体现；

以电力档(两基杆塔之间称为一个电力档)为单位，将投影坐标系转换为以电力线方向为x轴，垂直于x轴为y轴，小号杆塔(一条线路上的每基杆塔通常都有编号，小号杆塔即这一档里杆塔编号较小的那基杆塔)位置为原点o的坐标系，重新结算点云坐标值；

进行公式推导：

tx＝dx×cosα+dy×sinα……(5)

ty＝-dx×sinα+dy×cosα……(6)

任一点坐标从自定义转换到投影坐标：

ddx＝x0+tx×cosα……(7)

ddy＝y0+tx×sinα……(8)

ddz＝ax0*x0+bx0+c……(9)

空间距离运算：

dx＝ddx-x0……(10)

dy＝ddy-y0……(11)

dz＝ddz-z0……(12)

式中，dx、dy为导线弧垂任意点在投影坐标系中的xy坐标，tx、ty为该点在自定义坐标系中的xy坐标；xo、yo、zo为自定义坐标系中任意地物点的坐标；ddx、ddy、ddz为地物点(xo，yo，zo)转换到投影坐标系后的坐标；dx、dz、dy为地物点与导线点的导线方向距离、水平距离和垂直距离；

§6将提取出的缓冲区每个矩形区域内的点投影至导线投影和导线所在的竖直平面；

§7将提取的原始点的三维坐标赋予(即增加一个三维坐标属性)给相应的投影点，使得每个投影点的属性信息里既包含投影后的坐标，也包含提取的原始点的坐标；

§8通过投影点(投影后的坐标)拟合，即可生成导线对地表净空距离轮廓线，该轮廓线上的点(即投影点)包含原始提取点的三维坐标属性(三维坐标属性，即经度、维度、高程)，通过三维坐标可了解每个点的实际高程以及在导线两侧的具体位置。

本发明所述方法通过点云获取、点云分类、导线拟合、档距分区、净空距离计算和距离最小点提取、净空距离最小点投影转换、轮廓线生成等步骤，提取出特高压直流输电线路导线对下方线路走廊地表净空距离的轮廓线，轮廓线的高低即标识导线对地净空距离的大小，可直观展示静止或风偏不同工况情况下导线与下方地物的距离情况，同时可基于轮廓线实现线路走廊地表多期数据的对比，发现导线下方地物或树木发生变化的区域，为线路走廊管控提供参考。

本方法的有益效果：

1)实现特高压直流输电线路对地表最小净空距离轮廓线的提取，充分考虑不同工况，得出整段输电线路导线与地表的最小距离情况；

2)通过多期数据的地表轮廓线提取，可以实现不同时期导线对地最小净空距离的对比，直观展示不同时期导线下方地物的变化。

附图说明

图1为点云分类示意图；

图2为矢量导线拟合示意图；

图3为设置缓冲区宽度和等分点数示意图；

图4为四参数转换示意图；

图5为导线对地净空距离轮廓线示意图；

图6为流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细描述。

本发明所述基于点云数据的输电线路对地表净空距离轮廓线提取方法，所述提取方法包括以下步骤：

§1点云数据获取使用无人机搭载激光雷达设备对输电线路进行三维激光点云数据采集；

§2点云分类对所述步骤§1获取到的输电线路点云数据进行分类，分为导线点云、杆塔点云和地物点云；参见附图1

§3导线拟合基于所述步骤§2分类后的点云数据，通过导线设计挂点坐标(已有挂点坐标情况)、手动选点(导线点云较稀疏情况)或自动拟合(导线点云较完整情况)的方式，依据抛物线悬链公式对导线进行拟合，生成连续的矢量导线：

y＝ax²+bx+c(a、b、c是抛物线参数)……(1)

参见图2，失量导线拟合，将两根电线杆之间的点投影到电力线方向(图2中的ac方向)和z轴所在的平面，用数值分析中曲线拟合及函数逼近方法解算式(1)中最佳的参数a,b,c，得到每条电力线的最佳参数，则可三维重建每条电力线；

考虑导线风偏对导线对地距离的影响，除了拟合出静态条件下的电力线外，还需要根据模型(即下述公式)拟合风偏情况下的导线弧垂；风偏情况下导线任意点处弧垂为：

式中，x—任意点与一侧杆塔的水平距离，单位：m；l—为档距(即架空线路在平行于相邻两杆塔间导线所受比载的平面内的两悬挂点之间的水平距离)，单位：m，l可通过查询运维单位技术台账得到；fm为最大弧垂，通过查询运维单位图纸得到，单位：m；

该点处水平风偏x为：

该点处垂直风偏y为：

式中，为悬垂绝缘子串风偏角(特高压直流都是v形挂点,挂点是固定的，故此值为0)，ξ为导线的风偏角(已知)；

§4设置导线下方导线投影两侧需进行净空距离计算的缓冲区宽度w(需提取截面的缓冲区宽度)，选取缓冲区内的点云数据，根据档距设置一定距离的间隔d(间隔大小根据需要设置即可)，参见附图3，设置缓冲区宽度和等分点数，将设置的缓冲区沿导线方向按照间隔距离等分为若干个矩形区域；

§5计算导线风偏范围内导线弧垂到每个矩形区域的净空距离，提取出每个区域内净空距离最小的点，为实现后续轮廓线的生成提供数据基础；

基于点云的净空距离的运算：两个不同的二维平面直角坐标系之间转换，使用四参数模型(数学方程组)也即四参数转换的方法,在该模型中有四个未知参数，参见图4，即：

1)两个坐标平移量(△x，△y)，即两个平面坐标系的坐标原点之间的坐标差值；

2)平面坐标轴的旋转角度α，通过旋转一个角度α，使两个坐标系的x和y轴重合在一起；

3)尺度因子k，即两个坐标系内的同一段直线的长度比值，实现尺度的比例转换，通常k值几乎等于1；

以电力档(两基杆塔之间称为一个电力档)为单位，将投影坐标系转换为以电力线方向为x轴，垂直于x轴为y轴，小号杆塔(一条线路上的每基杆塔通常都有编号，小号杆塔即这一档里杆塔编号较小的那基杆塔)位置为原点o的坐标系，重新结算点云坐标值；

进行基本公式推导：

tx＝dx×cosα+dy×sinα……(5)

ty＝-dx×sinα+dy×cosα……(6)

任一点坐标从自定义转换到投影坐标：

ddx＝x0+tx×cosα……(7)

ddy＝y0+tx×sinα……(8)

ddz＝ax0*x0+bx0+c……(9)

空间距离运算：

dx＝ddx-x0……(10)

dy＝ddy-y0……(11)

dz＝ddz-z0……(12)

式中，dx、dy为导线弧垂任意点在投影坐标系中的xy坐标，tx、ty为该点在自定义坐标系中的xy坐标；xo、yo、zo为自定义坐标系中任意地物点的坐标；ddx、ddy、ddz为地物点(xo，yo，zo)转换到投影坐标系后的坐标；dx、dz、dy为地物点与导线点的导线方向距离、水平距离和垂直距离；

§6将提取出的缓冲区每个矩形区域内的点投影至导线投影和导线所在的竖直平面，如图2、图3中的obca面；

§7将提取的原始点的三维坐标赋予(即增加一个三维坐标属性)给相应的投影点，使得每个投影点的属性信息里既包含投影后的坐标，也包含提取的原始点的坐标；

§8通过投影点(投影后的坐标)拟合，即可生成导线对地表净空距离轮廓线，参见图5，该轮廓线上的点(即投影点)包含原始提取点的三维坐标属性(三维坐标属性，即经度、维度、高程)，通过三维坐标可了解每个点的实际高程以及在导线两侧的具体位置。

本发明所述轮廓线提取方法主要流程如下(参见附图6)：

(1)使用无人机搭载激光雷达设备对输电线路进行三维激光点云数据采集；

(2)对输电线路点云数据进行分类，分为导线点云、杆塔点云和地物点云；

(3)利用导线点云上的点进行导线拟合，生成矢量导线，包括静止导线和风偏情况下的导线；

(4)设置导线下方需要进行净空距离计算的缓冲区宽度；

(5)将缓冲区沿导线方向等分为矩形区域；

(6)计算导线对每个矩形区域内点云的净空距离，提取每个矩形区域内的最小净空距离的点；

(7)将提取出的点投影至过导线与地表的垂面；

(8)将提取点的原始坐标信息添加进投影点的属性；

(9)根据投影点拟合生成曲线，即导线对地最小净空距离轮廓线。