一种基于点云数据的变电站支柱绝缘子中心线提取方法与流程

本发明涉及一种变电站支柱绝缘子中心线的提取方法，具体是一种基于点云数据的变电站支柱绝缘子中心线提取方法，属于变电站技术领域。

背景技术：

支柱绝缘子是变电站的基本设备之一。一般而言，在变电站建设施工、验收和运维中，对支柱绝缘子偏斜角进行准确检测以确保变电站支柱类设备的安全运行。变电站投运后，当出现地基沉降、管母伸缩受限时，对支柱绝缘子偏斜角进行测量，可以为事故分析提供有效数据，为采集临时措施或永久性措施提供判断依据。在检测支柱绝缘子偏斜角时，采用绝缘子中心线向量和竖直向量进行计算可保证较高的精确度。由此可见，准确提取绝缘子的中心线对变电站的一次设备检测具有重要的现实意义。

地面三维激光雷达采集到的被测对象点云数据具有高精度、全数字特征、图像化等优点，依据支柱绝缘子点云数据全数字特征与图像化相结合的优势，能有效提取出支柱绝缘子的中心线，从而为准确、快速地检测支柱绝缘子偏斜角提供数据。

目前提取支柱绝缘子中心线的方法主要是通过提取绝缘子两端圆柱的轴心，利用轴心连线得到绝缘子中心线。该方法主要原理为：支柱绝缘子由于拥有众多伞裙结构，整体为不规则结构，无法直接提取圆柱特征。为提取绝缘子两端的圆柱特征，需要选取相对规则的部分，即两端的金具连接部位，通过拟合圆柱功能得到两端拟合圆柱。为得到支柱绝缘子中心线，需通过提取两段圆柱的圆心三维坐标值，利用数字创建向量功能，以低端圆柱圆心为起点，底端原心到顶端圆心为向量方向，创建中心线向量，该中心线向量就是支柱绝缘子的中心线。由于该中心线具有数字方向和图像特征，故，可用于支柱绝缘子的空间状态检测。

利用该方法提取绝缘子中心线可在一定程度上反应绝缘子的空间状态，但是利用该方法不一定能够获得准确的中心线数据，具有一定的误差。一方面，该方法只利用到绝缘子两端的点云数据，点云数据利用率低，无法完全代表变电站支柱绝缘子；另一方面，由于绝缘子两端规则部位很少，拟合圆柱时可利用点云少，导致拟合圆柱有一定误差。

因此，由于支柱绝缘子外轮廓的非规则性与现有检测方法的技术限制，难以准确提取支柱绝缘子的中心线，所以有必要寻求一种能高效、准确地提取支柱绝缘子中心线的方法。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在问题，本发明提供一种基于点云数据的变电站支柱绝缘子中心线提取方法，该提取方法能够提高点云数据的利用率，减小提取时因为绝缘子两端的不规则而导致的误差。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于点云数据的变电站支柱绝缘子中心线提取方法，所述支柱绝缘子中心线提取方法包括以下步骤：

1)采集支柱绝缘子点云数据；

2)点云数据三角化；

3)提取支柱绝缘子的圆柱端面；

4)圆柱断面的点云输出与消噪；

5)拟合圆柱特征量；

6)提取圆柱中心向量。

进一步，所述步骤1)包括如下步骤：

a)在支柱绝缘子附近布设地面三维激光雷达和若干标靶，并设置三维激光雷达的相关参数；

b)扫描支柱绝缘子一侧，并获得相对应的点云数据；

c)在支柱绝缘子另一侧架设地面三维激光雷达，并采集点云数据；

d)将步骤b)和步骤c)中的点云数据拼接为完整的支柱绝缘子点云数据；

e)利用软件将完整的支柱绝缘子点云数据处理，并将其转换成标准的XYZ.ASC格式点云数据；

f)转换成标准的XYZ.ASC格式点云数据导入数据处理软件，并将离散的噪音点消除。

进一步，所述步骤2)包括：通过定义三角形的最大边长，将消噪后的所述点云数据在相关软件中三角化处理，从而得到支柱绝缘子三角化模型。

进一步，所述步骤3)包括如下步骤：

Ⅰ)将支柱绝缘子三角化模型的数据导入相关软件中，并利用测量工具得到相邻两伞裙间的间距L；

Ⅱ)在支柱绝缘子最下端的伞裙结构，且在该伞裙结构下方L/2距离处选取一点作为圆柱横断面的初始点P；

Ⅲ)以初始点P所在水平面作为初始平面，并提取该平面内的支柱绝缘子圆柱横截面S₁；

Ⅳ)以圆柱横断面S₁为起点，以相邻两伞裙间距L为间距，以Z轴为平移方向，分别提取支柱绝缘子三角化模型中的所有圆柱横截面S₂、S₃、S₄…S_n。

进一步，所述步骤4)中的消噪过程如下：

第一步：调整所有圆柱横截面S₁、S₂、S₃…S_n视图，以Z轴反方向为视角，观察支柱绝缘子圆柱横断面点云数据是否有某一个或几个跟其余有明显差别；

第二步：找出点云有偏差的个别圆柱横断面，判断是否因伞裙点云干扰引起偏差，若是，则将伞裙点云削除即可；若不是，则将该圆柱断面点云删除，在该圆柱横断面所在圆柱段点云重新截取断面即可。

进一步，所述步骤5)包括两种情况：

第一种情况：每个圆柱横断面点云超过三分之二个圆周，点云数据质量高；

第二种情况：多个圆柱横断面点范围不足三分之二个圆周，点云数据缺失严重。

进一步，所述第一种情况利用圆柱横断面点云数据，通过相应的拟合算法，求取最佳拟合路径，直接拟合出圆柱特征量，并依据圆柱特征量的空间参数，利用原点以及方向特征，即可创建出中心线向量特征，该中心线向量特征就是支柱绝缘子的中心线。

进一步，所述第二种情况包括如下步骤：

ⅰ)通过修剪，选取质量好、精度高的部分点云；

ⅱ)分别在每一个圆柱断面点上选取三点，依据三点创建特征圆，即可得到一系列的断面特征圆；

ⅲ)利用每一个断面特征圆圆心的空间参数，拟合出一条特征向量，该特征特性即为支柱绝缘子的中心线。

与现有技术相比，该方法提取变电站支柱绝缘子中心线具有高效率、高精度等优点。数据利用率高，拟合出的圆柱或者断面圆能够代表完整的支柱绝缘子特征，提取的中心线相较于现有的方法拟合程度更好，可靠度高，避开了伞裙对测量的影响，克服了现有方法的不足，可为进一步的绝缘子倾斜度测量提供理论参考。

附图说明

图1为本发明整体流程示意图；

图2为本发明圆柱横断面点云数据流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种基于点云数据的变电站支柱绝缘子中心线提取方法，所述支柱绝缘子中心线提取方法包括以下步骤：

1)采集支柱绝缘子点云数据；

2)点云数据三角化；

3)提取支柱绝缘子的圆柱端面；

4)圆柱断面的点云输出与消噪；

5)拟合圆柱特征量；

6)提取圆柱中心向量。

所述步骤1)采集支柱绝缘子点云数据包括如下步骤：

根据地面激光雷达的性能参数，在支柱绝缘子附近布设地面三维激光雷达和若干球形标靶，整平仪器后，设置其扫描角度、点云质量、分辨率等参数；开始扫描，获取支柱绝缘子一侧的点云数据，然后在支柱绝缘子另一侧架设地面三维激光雷达采集点云数据；将两侧的点云数据拼接为一个完整的支柱绝缘子点云数据；利用所选用的地面三维激光雷达配套数据处理软件，将扫描的支柱绝缘子数据转换为标准的XYZ.ASC格式点云数据，并导入利用专用的数据处理软件将离散的噪音点消除。

所述步骤2)点云数据三角化包括：为提取支柱绝缘子圆柱断面，需先对点云数据进行三角化。通过定义三角形的最大边长，消噪后的点云数据可在相关软件中进行三角化处理，得到平滑、有效的支柱绝缘子三角化模型。

所述步骤3)为提取支柱绝缘子的圆柱端面。支柱绝缘子的相邻两伞裙之间为圆柱结构，在三维坐标系的Z轴方向用平面提取支柱绝缘子三角化模型中所有的圆柱横断面，提取过程如下：

Ⅰ)将支柱绝缘子三角化模型的数据导入相关软件中，并利用测量工具得到相邻两伞裙间的间距L；

Ⅱ)在支柱绝缘子最下端的伞裙结构，且在该伞裙结构下方L/2距离处选取一点作为圆柱横断面的初始点P；

Ⅲ)以初始点P所在水平面作为初始平面，并提取该平面内的支柱绝缘子圆柱横截面S₁；

Ⅳ)以圆柱横断面S₁为起点，以相邻两伞裙间距L为间距，以Z轴为平移方向，分别提取支柱绝缘子三角化模型中的所有圆柱横截面S₂、S₃、S₄…S_n。

断面数据可重新导出为XYZ.ASC格式的点云数据。由于该支柱绝缘子存在一定的偏斜角，导致提取的圆柱断面点云数据中包含了绝缘子伞群的点云数据，所以需要对断面点云数据进行消噪，具体消噪过程如下：

第一步：调整所有圆柱横截面S₁、S₂、S₃…S_n视图，以Z轴反方向为视角，观察支柱绝缘子圆柱横断面点云数据是否有某一个或几个跟其余有明显差别；若无差别，则无需进行消噪处理；如果有，则进入第二步。

第二步：找出点云有偏差的个别圆柱横断面，判断是否因伞裙点云干扰引起偏差，若是，则将伞裙点云削除即可；若不是，则将该圆柱断面点云删除，在该圆柱横断面所在圆柱段点云重新截取断面即可。

所述步骤5)拟合圆柱特征量。中心线提取需要根据所提取断面点云数据质量采取不同方案，包括两种情况：

第一种情况：每个圆柱横断面点云超过三分之二个圆周，点云数据质量高；

第二种情况：多个圆柱横断面点范围不足三分之二个圆周，点云数据缺失严重。

所述第一种情况利用圆柱横断面点云数据，通过相应的拟合算法，求取最佳拟合路径，直接拟合出圆柱特征量，并依据圆柱特征量的空间参数，利用原点以及方向特征，即可创建出中心线向量特征，该中心线向量特征就是支柱绝缘子的中心线。

所述第二种情况包括如下步骤：

ⅰ)通过修剪，选取质量好、精度高的部分点云；

ⅱ)分别在每一个圆柱断面点上选取三点，依据三点创建特征圆，即可得到一系列的断面特征圆；

ⅲ)利用每一个断面特征圆圆心的空间参数，拟合出一条特征向量，该特征特性即为支柱绝缘子的中心线。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所做出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。