基于LiDAR点云的多分裂导线自动提取与精细建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于LiDAR点云的多分裂导线自动提取与精细建模方法，包括：步骤1，从LiDAR点云中提取电力线和电力塔点云；步骤2，根据电力线点在局部区域内高程基本相同、而电力塔点在局部区域内高程变化大的特点，从电力线和电力塔点云中进一步提取电力塔点云，剔除电力塔点云得电力线点云；步骤3，对电力线点云进行空间分割，得到各相电力线点云；采用随机一致性检测法检测各相电力线点云中的噪声点，并剔除；步骤4基于二分法从单相导线点云中提取分裂子导线点云，并对分裂子导线点云进行悬链线拟合。本发明专利技术方法可提高三维巡线系统的效率，获得更精准的三维坐标，降低电力线走廊巡线成本。

Automatic extraction and fine modeling method of multi splitting wires based on LiDAR point cloud

The invention discloses a multi conductor LiDAR point cloud based on automatic extraction and fine modeling method includes: Step 1, power line, extraction from LiDAR point cloud and power tower point cloud; step 2, according to the power line in the local area, and the elevation is basically the same power tower height in the local region in the characteristics of the varying, from power lines and power tower point cloud extraction tower further power point cloud, eliminating power tower point cloud power line cloud; step 3, the power line point cloud segmentation space, the phase power line point cloud; the random consistency detection method of each phase power line point cloud noise detection and elimination; step 4, based on the dichotomy from single wire point cloud extraction split sub conductors point cloud, and fitting the split sub conductors catenary point cloud. The method of the invention can improve the efficiency of the three-dimensional patrol line system, obtain more accurate three-dimensional coordinates, and reduce the patrol cost of the power line corridors.

【技术实现步骤摘要】
基于LiDAR点云的多分裂导线自动提取与精细建模方法
本专利技术属于激光雷达点云数据信息提取
，涉及一种基于LiDAR点云的多分裂导线自动提取与精细建模方法。
技术介绍
电力工业是国民经济基础工业之一，是国家的重要支柱产业。随着我国经济高速发展，超高压大容量输电线路越建越多，线路走廊穿越地理环境更复杂，给线路维护带来很多困难。机载激光扫描(LightDetectionandRanging，LiDAR)技术作为近年来快速发展的一项新技术，可以快速获取高精度的三维信息。该技术具有全天候工作等优点，可以弥补传统航空摄影测量难以快速进行电力线测量的缺憾，提高电力巡线的效率，减少输电事故的发生。因此，研究机载激光扫描数据中电力线的自动提取和精细重建技术对电力巡线工作有着非常重要的现实意义。在高压、超高压、特高压输电线路架设中，为抑制电晕放电和线路电抗，一般采用多分裂导线进行架设，且每隔一段距离采用间隔棒对分裂导线进行固定。但现有文献中的LiDAR电力线建模研究绝大部分局限于非分裂导线，或者把多分裂导线当成单导线来进行处理，且现有方法只适用于数据质量较好的情况，对于存在较多噪声的点云数据，提取与重建结果并不理想。例如，澳大利亚的McLaughlin根据LiDAR点云的维数特征自动提取电力线，通过点的聚集方法，得到同一条导线上的点数据，再通过悬链线方程拟合，但该方法在检测电力线点的过程中易受噪声的影响，提取的各条电力线有间断，并不连续；余洁采用滤波的方法滤除地面和植被点，采用二维Hough变换分离各条电力线，根据双曲余弦函数拟合单条电力线，但树木和电力线混合区域的提取结果会相对变差，当电力线出现垂直排列时，用二维Hough变换很难检测出多条电力线；陈驰采用同一条电力线的局部相邻点的高程比较接近这一原则，统计每条电力线在XOY投影面上的邻近点，判断其高程差是否超过一定的阈值的方法解决重投影的问题，但对于多分裂导线仅利用高程值特征很难区分每一根分裂导线。在多分裂导线提取方面，王成、夏少波首次提出一种多分裂导线全自动三维重建方法，采用空间聚类识别单股电力线点云，然后分段进行主成分分析并投影到与主方向垂直的平面上，对第一段数据采用全排列的方法进行k-means聚类确定分裂数，然后对每段进行聚类，最后基于悬链线进行最小二乘拟合。该方法处理过程复杂且只适用于数据质量较好的情况，对于存在较多噪声的点云数据，提取与重建结果并不理想。主要原因是该算法对噪声敏感，抗噪性不强，提取的电力线不连续、不完整，拟合精度的不够高，且当分裂导线间存在间隔棒时，会出现聚类误差过大甚至错误。因此，随着机载LiDAR电力巡线的推广应用，电力部门急需一种能够克服连续噪声影响的多分裂电力线提取与精细重建的稳健方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种更稳健的基于LiDAR点云的多分裂导线自动提取与精细建模方法。本专利技术的技术方案如下：一、基于LiDAR点云的单相电力线自动提取方法，包括：步骤1，从LiDAR点云中提取电力线和电力塔点云；步骤2，根据电力线点在局部区域内高程基本相同、而电力塔点在局部区域内高程变化大的特点，从电力线和电力塔点云中进一步提取电力塔点云，剔除电力塔点云得电力线点云；步骤3，对电力线点云进行空间分割，得到各相电力线点云；采用随机一致性检测法检测各相电力线点云中的噪声点，并剔除。步骤1进一步包括：1.1基于点云密度和地形坡度从LiDAR点云中滤除地面点，获得非地面点云；1.2基于点云密度和高差从非地面点云中滤除植被点；1.3基于三维空间k-d树在滤除了植被点的非地面点云中搜索剩余植被点，并滤除；1.4基于种子填充法从子步骤1.3所得的剩余点云中提取电力线和电力塔点云。子步骤1.4具体为：(1)将剩余点云记为数据集B，对数据集B建立k-d树，初始化计数label为0；(2)扫描数据集B，若当前点B(i)未被处理，把B(i)加入栈Q，然后，执行如下步骤：(2a)栈Q中弹出一未处理点作为种子点q，标记为已处理并存入点集C；在数据集B中搜索种子点q的n’邻近点，得n’邻近点集N，将n’邻近点集N中未被处理、且与种子点q的距离和高差均小于对应的第二距离阈值Td2和第二高差阈值H2的点加入栈Q；第二距离阈值Td2和第二高差阈值H2为与点云质量和点云密度有关的经验值；(2b)重复子步骤(2a)直至栈Q为空，此时，点集C中点即构成一个连通区域，该连通区域内点标记为label；(2c)获取该连通区域的矩形范围，计算对角线长度，若对角线长度满足长度阈值，则该连通区域为电力线和电力塔点云，长度阈值根据所处理电力线的长度进行取值；(3)令label+1，重复步骤(2)，直至数据集B中所有点均被处理。步骤2进一步包括：2.1根据电力线点在局部区域内高程基本相同、而电力塔点在局部区域内高程变化大的特点，通过对电力线和电力塔点云进行张量分析，提取潜在电力塔点云；2.2基于种子填充法对潜在电力塔点云进行空间分割，获取电力塔点云，剔除电力塔点云得电力线点云。子步骤2.1具体为：(1)对电力线和电力塔点云建立k-d树；(2)对k-d树中各数据点p分别获取以p为中心的m邻近点，对p进行张量分析，获得mxx、myy、mzz分别用来描述m邻近点在X方向、Y方向、Z方向的拟合误差；其中，(xj,yj,zj)为m邻近点中第j个邻近点的三维坐标，(xp,yp,zp)为数据点p的三维坐标；(3)根据①电力线在Z方向的拟合误差小、在X和Y方向的拟合误差大，以及②电力塔在Z方向的拟合误差大、在X和Y方向的拟合误差小的特点，根据各数据点p的mxx、myy、mzz值提取潜在电力塔点。子步骤2.2中，基于种子填充法对潜在电力塔点云进行空间分割，获取电力塔点云，具体为：采用种子填充法对潜在电力塔点云进行空间分割，获取多个连通区域，高差大于第三高差阈值H3的连通区域则认为是电力塔连通区域；对各电力塔连通区域分别执行：获取电力塔连通区域的中心坐标，在步骤1所提取的电力线和电力塔点云中，以中心坐标为圆形，预设半径的圆形范围内点云即电力塔点云；上述，第三高差阈值H3根据电力塔长度进行取值，预设半径设为电力塔长度的一半。步骤3中，采用随机一致性检测法检测各相电力线点云中的噪声点，具体为：对各相电力线点云分别进行如下步骤：(1)从该相电力线点云中随机产生两个点；(2)计算两点在XOY水平面上的直线方程，统计到该直线距离小于第四距离阈值Td4的点数；(3)重复步骤(1)～(2)，直至达到预设的迭代次数；(4)取统计点数最多的直线方程为该相电力线的平面直线方程，该相电力线点云中到该平面直线方程距离小于第四距离阈值Td4的所有点均为该相电力线点，其他点为噪声点；上述，第四距离阈值Td4为经验值，其取值要确保区分出电力线点云中任意两条电力线。二、基于LiDAR点云的多分裂导线自动提取与精细建模方法，包括：对前一技术方案所得各相电力线点云分别进行如下：(1)对该相电力线点云进行误差分析，判断电力线类型，若该相电力线点云为单相地线点云，执行步骤(2)；若该相电力线点云为单相导线点云，执行步骤(3)；(2)对单相地线点云进行悬链线拟合并输出；(3)基于二分法从单相导线点云中提取分裂子导线点云，并对分裂子导线点本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于LiDAR点云的单相电力线自动提取方法，其特征是，包括：步骤1，从LiDAR点云中提取电力线和电力塔点云；步骤2，根据电力线点在局部区域内高程基本相同、而电力塔点在局部区域内高程变化大的特点，从电力线和电力塔点云中进一步提取电力塔点云，剔除电力塔点云得电力线点云；步骤3，对电力线点云进行空间分割，得到各相电力线点云；采用随机一致性检测法检测各相电力线点云中的噪声点，并剔除。

【技术特征摘要】
1.基于LiDAR点云的单相电力线自动提取方法，其特征是，包括：步骤1，从LiDAR点云中提取电力线和电力塔点云；步骤2，根据电力线点在局部区域内高程基本相同、而电力塔点在局部区域内高程变化大的特点，从电力线和电力塔点云中进一步提取电力塔点云，剔除电力塔点云得电力线点云；步骤3，对电力线点云进行空间分割，得到各相电力线点云；采用随机一致性检测法检测各相电力线点云中的噪声点，并剔除。2.如权利要求1所述的基于LiDAR点云的单相电力线自动提取方法，其特征是：步骤1进一步包括：1.1基于点云密度和地形坡度从LiDAR点云中滤除地面点，获得非地面点云；1.2基于点云密度和高差从非地面点云中滤除植被点；1.3基于三维空间k-d树在滤除了植被点的非地面点云中搜索剩余植被点，并滤除；1.4基于种子填充法从子步骤1.3所得的剩余点云中提取电力线和电力塔点云。3.如权利要求2所述的基于LiDAR点云的单相电力线自动提取方法，其特征是：子步骤1.4具体为：(1)将剩余点云记为数据集B，对数据集B建立k-d树，初始化计数label为0；(2)扫描数据集B，若当前点B(i)未被处理，把B(i)加入栈Q，然后，执行如下步骤：(2a)栈Q中弹出一未处理点作为种子点q，标记为已处理并存入点集C；在数据集B中搜索种子点q的n’邻近点，得n’邻近点集N，将n’邻近点集N中未被处理、且与种子点q的距离和高差均小于对应的第二距离阈值Td2和第二高差阈值H2的点加入栈Q；第二距离阈值Td2和第二高差阈值H2为与点云质量和点云密度有关的经验值；(2b)重复子步骤(2a)直至栈Q为空，此时，点集C中点即构成一个连通区域，该连通区域内点标记为label；(2c)获取该连通区域的矩形范围，计算对角线长度，若对角线长度满足长度阈值，则该连通区域为电力线和电力塔点云，长度阈值根据所处理电力线的长度进行取值；(3)令label+1，重复步骤(2)，直至数据集B中所有点均被处理。4.如权利要求1所述的基于LiDAR点云的单相电力线自动提取方法，其特征是：步骤2进一步包括：2.1根据电力线点在局部区域内高程基本相同、而电力塔点在局部区域内高程变化大的特点，通过对电力线和电力塔点云进行张量分析，提取潜在电力塔点云；2.2基于种子填充法对潜在电力塔点云进行空间分割，获取电力塔点云，剔除电力塔点云得电力线点云。5.如权利要求4所述的基于LiDAR点云的单相电力线自动提取方法，其特征是：子步骤2.1具体为：(1)对电力线和电力塔点云建立k-d树；(2)对k-d树中各数据点p分别获取以p为中心的m邻近点，对p进行张量分析，获得mxx、myy、mzz分别用来描述m邻近点在X方向、Y方向、Z方向的拟合误差；其中，(xj,yj,zj)为m邻近点中第j个邻近点的三维坐标，(xp,yp,zp)为数据点p的三维坐标；(3)根据①电力线在Z方向的拟合误差小、在X和Y方向的拟合误差大，以及②电力塔在Z方向的拟合误差大、在X和Y方向的拟合误差小的特点，根据各数据点p的mxx、myy、mzz值提取潜在电力塔点。6.如权利要求4所述的基于LiDAR点云的单相电力线自动提取方法，其特征是：子步骤2.2中，基于种子填充法对潜在电力塔点云进行空间分割，获取电力塔点云，具体为：采用种子填充法对潜在电力塔点云进行空间分割，获取多个连通区域，高差大于第三高差阈值H3的连通区域则认为是电力塔连通区域；对各电力塔连通区域分别执行：获取电力塔连通区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：周汝琴，江万寿，杨亮，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42