基于无人机高精度三维建模的输电线路弧垂测量方法与流程

1.本发明属于电力设备领域，尤其涉及基于无人机高精度三维建模的输电线路弧垂测量方法。


背景技术：

2.为保证电力系统的安全稳定运行，需要对输电线路各项数据进行有效的监测，其中弧垂测量是一项重要的监测内容，所述的弧垂是指相邻的两根塔杆上的输电导线悬挂点连线的中点与其正下方的导线之间的间距(也即输电导线两挂点连线的中点与输电导线之间的铅垂距离)，该指标的意义在于：若弧垂过大，则有可能导致输电导线与下方的建筑物、树木等接触造成意外放电，引发危险；若弧垂太小，则会增加两侧塔杆的载荷，有可能造成输电导线断裂、拖拽致塔杆倒塌等事故。并且弧垂还会受温度等自然环境的影响而发生变化，因此需要经常对弧垂进行测量，以保证输电线路安全稳定运行。
3.目前对输电线路弧垂进行测量的方法有两种，一种用于小档距(档距小于200米)的输电线路，需要有经验的工作人员人工爬塔挂设驰度板进行测量，该方法完全依靠人力目测，测量误差较大且费时费力；另一种用于大档距的输电线路，主要使用经纬仪或全站仪测量档距相关数据，再经过弧垂公式计算得到弧垂值，如图1所示，使用该种方法测量输电线路4的弧垂需要测得以下数据：在相邻两个塔杆2之间，测量塔杆呼称高g、绝缘子串3的高度p、经纬仪1的仪器高度i、档距l、观测角度α和β，再依据下面的公式对弧垂f进行计算：其中m＝g-p-i，n＝l(tanβ-tanα)。最终得到测量弧垂，该种方法相对上一种人工目测的方法测量精度更高一些，但经验证，还是存在不小的误差，有时所测得的弧垂与实际弧垂值可相差超多一米。除此之外，该种方法受地形影响较大，对于复杂地形而言，测量操作复杂、计算复杂，会进一步加大误差值，且测量效率较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供基于无人机高精度三维建模的输电线路弧垂测量方法，能够有效解决现有技术中测量输电线路弧垂的方法操作复杂且测量精度较低的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于无人机高精度三维建模的输电线路弧垂测量方法，包括以下步骤，
6.s100：选取需要测量相应输电线路弧垂的两根相邻塔杆，并控制无人机飞行至待检测区域；
7.s200：所述无人机搭载有三维激光扫描仪，控制所述无人机沿待检测区域飞行，利用三维激光扫描仪对两根相邻塔杆及塔杆之间的输电线路进行激光扫描，获取两根相邻塔杆及塔杆之间的输电线路的三维点云数据，并通过所述三维点云数据建立三维模型；
8.s300：以三维模型建立三维坐标系，在所述三维坐标系上标注三个观测点，三个所述观测点分别为输电线路一端与对应侧塔杆连接的第一挂点、输电线路的另一端与对应侧
塔杆连接的第二挂点以及输电线路上任意位置的第三任意点，读取三个所述观测点的坐标，分别为第一挂点(x1，y1，z1)、第二挂点(x2，y2，z2)以及第三任意点(x3，y3，z3)；
9.s400：将三维坐标系转化为平面坐标系，在三维坐标系中的三个观测点对应到二维坐标系中的坐标分别为第一挂点(xy1，z1)、第二挂点(xy2，z2)以及第三任意点(xy3，z3)，过第一挂点、第二挂点以及第三任意点可形成对应输电线路的抛物线，将第一挂点、第二挂点以及第三任意点的坐标值分别代入抛物线方程z＝ax2+bx+c解出a、b及c的值；
10.s500：在平面坐标系中将第一挂点与第二挂点连线，该连线的中点为第四观测点，过所述第四观测点的下垂线与抛物线的交点为第五观测点，所述第四观测点和第五观测点在二维坐标系中的坐标分别为(xy4，z4)及(xy5，z5)；
11.s600：求解弧垂值h，h＝z4-z5。
12.优选的，其中
13.优选的，其中z5＝axy52+bxy5+c，其中
14.优选的，所述无人机装载有载波相位装置，利用载波相位差分技术解算坐标。
15.优选的，在步骤s400中将二维坐标系的坐标原点选取为第一挂点，则c＝0，将第二挂点及第三任意点的坐标值分别代入抛物线方程z＝ax2+bx解出a、b的值。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：利用搭载有三维激光扫描仪的无人机对相邻塔杆及塔杆之间的输电线路进行激光扫描，获取三维点云数据并建立三维模型，然后通过三维模型来计算相应的弧垂值，目前三维建模技术成熟稳定，可大大降低测量弧垂的误差，提升了弧垂测量精度。另外，相对于现有技术中测量弧垂的方式，本发明中无需携带沉重的经纬仪设备，也无需寻找合适的观测位置，更无需携带驰度板攀爬塔杆进行观测，可以直接在山脚起飞控制无人机进行激光扫描，省时省力，在提高测量精度的同时降低了工作强度，提高了工作效率。
附图说明
17.图1现有技术中利用经纬仪测量弧垂的示意图；
18.图2本发明实施例中建立三维坐标系及平面坐标系的示意图；
19.图3实施例中在平面坐标系中计算弧垂的示意图。
20.其中：1.经纬仪，2.塔杆，3.绝缘子串，4.输电线路，5.观测点，51.第一挂点，52.第二挂点，53.第三任意点，54.第四观测点，55.第五观测点。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，本发明中“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
24.实施例：本实施例提供了基于无人机高精度三维建模的输电线路弧垂测量方法，包括以下步骤，
25.s100：选取需要测量相应输电线路弧垂的两根相邻塔杆，并控制无人机飞行至待检测区域；
26.s200：所述无人机搭载有三维激光扫描仪，控制所述无人机沿待检测区域飞行，利用三维激光扫描仪对两根相邻塔杆及塔杆之间的输电线路进行激光扫描，获取两根相邻塔杆及塔杆之间的输电线路的三维点云数据，并通过所述三维点云数据建立三维模型；
27.如图2和图3中所示，s300：以三维模型建立三维坐标系，在所述三维坐标系上标注三个观测点5，三个所述观测点5分别为输电线路一端与对应侧塔杆连接的第一挂点51、输电线路的另一端与对应侧塔杆连接的第二挂点53以及输电线路上任意位置的第三任意点52，读取三个所述观测点5的坐标，分别为第一挂点51(x1，y1，z1)、第二挂点53(x2，y2，z2)以及第三任意点52(x3，y3，z3)；
28.s400：将三维坐标系转化为平面坐标系，在三维坐标系中的三个观测点5对应到二维坐标系中的坐标分别为第一挂点51(xy1，z1)、第二挂点53(xy2，z2)以及第三任意点52(xy3，z3)，过第一挂点51、第二挂点53以及第三任意点52可形成对应输电线路的抛物线，将第一挂点51、第二挂点53以及第三任意点52的坐标值分别代入抛物线方程z＝ax2+bx+c解出a、b及c的值；
29.s500：在平面坐标系中将第一挂点51与第二挂点53连线，该连线的中点为第四观测点54，过所述第四观测点54的下垂线与抛物线的交点为第五观测点55，所述第四观测点54和第五观测点55在二维坐标系中的坐标分别为第四观测点54(xy4，z4)及第五观测点55(xy5，z5)；
30.s600：求解弧垂值h，h＝z4-z5。
31.利用搭载有三维激光扫描仪的无人机对相邻塔杆及塔杆之间的输电线路进行激光扫描，获取三维点云数据并建立三维模型，然后通过三维模型来计算相应的弧垂值，目前三维建模技术成熟稳定，可大大降低测量弧垂的误差，提升了弧垂测量精度。另外，相对于现有技术中测量弧垂的方式，本发明中无需携带沉重的经纬仪设备，也无需寻找合适的观测位置，更无需携带驰度板攀爬塔杆进行观测，可以直接在山脚起飞控制无人机进行激光扫描，省时省力，在提高测量精度的同时降低了工作强度，提高了工作效率。
32.具体的，其中
33.具体的，其中z5＝axy52+bxy5+c，其中
34.为提高测量精度，本实施例中还在所述无人机上装载有载波相位装置，利用载波
相位差分技术解算坐标，载波相位差分技术又称rtk技术，是实时处理两个测站载波相位测量的差分方法，采集基准站的载波相位与用户接收机的观测值进行求差，解算坐标，由于基准站和接收机大部分误差都有时间和空间的相关性，绝大部分误差可以被抵消或降低，定位精度可达到厘米级。
35.在实际应用中，如某段输电线路的设计弧垂为34.94米，测得第一挂点51、第二挂点53以及第三任意点52的经纬度值分别为(120.54848431，27.75477312，60.545)、(120.54811787，27.75698925，93.698)、(120.54740383，27.76112338，246.977)。以(120.547，27.75，0)为坐标原点建立三维坐标系，再将数据按照经度一度为85.276千米、纬度一度为110.94千米换算，如图2中所示，得到第一挂点51、第二挂点53以及第三任意点52在该三维坐标系的坐标值，分别为(126.57601956，529.5299328，60.545)、(95.32748212，775.387395，93.698)、(34.43700708，1234.0277772，246.977)。再将三维坐标系转换为平面坐标系，也即在三维模型中输电线路所在的平面上建立平面坐标系，利用勾股定理公式计算平面坐标系中第一挂点51、第二挂点53以及第三任意点52的坐标值为：(544.4479，60.545)、(781.2253，93.698)、(1234.5082，246.977)。代入抛物线公式求解a、b、c的值，求得a＝0.00027383，b＝0.06449238，c＝0.26048021，通过该抛物线方程可再解出第五观测点55的坐标值为(345.03，118.691)，而第四观测点54的坐标值为(345.03，153.761)，进而求得弧垂大小为35.07米。而经试验，现场采用经纬仪仪器测量得到的弧垂大小为35.33米，也即使用本实施例提供的方法针对输电线路测量弧垂误差为13厘米，而采用经纬仪测量弧垂的误差为39厘米，大大提升了弧垂测量精度。
36.另外，如需进一步简便运算过程，还可以在步骤s400中将二维坐标系的坐标原点选取为第一挂点51，这样则c＝0，仅需将第二挂点53及第三任意点52的坐标值分别代入抛物线方程z＝ax2+bx解出a、b的值就可进行后续的计算，可进一步降低计算难度。
37.以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。