一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法技术

本发明专利技术属于配网故障预警领域，具体涉及一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法。首先，利用无人机的机载激光雷达采集电力走廊点云数据，之后，基于预处理后的点云数据提取地面点、电力线点和植被点，并依此绘制电力走廊线路曲线，建立三维激光模型，基于所述三维激光模型分析电力走廊树障风险点。本发明专利技术区别于目前的现场巡视，可以更超前的进行预警，减少线路故障停电次数，避免周期性无目的的盲目式全域巡视，精准匹配时间地点两个维度上的巡视，提高巡视质效。提高巡视质效。提高巡视质效。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法


[0001]本专利技术属于配网故障预警领域，具体涉及一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法。

技术介绍

[0002]目前电力走廊空间稀缺，输电线路常搭设于山区、田间和林地。输电线路下方树木的生长，威胁安全距离，易导致短路跳闸或树木起火等树障事故，严重影响林区安全和电网安全。
[0003]当前防范树障风险主要有人工巡线、无人机多点拍摄回传和无人机机载激光雷达等方式。人工巡视存在劳动量大、效率不高、质量参差不齐等缺点；无人机多点拍摄回传虽然在一定程度上节省了人力，但其后期仍需人工看图，依然存在质量参差不齐、工作量大的缺点；而搭载激光雷达的无人机可以获取电力走廊附近地形地物的高精度高密度三维空间信息，具有快速巡检、质效提升等优点，近年来逐步进入各项领域应用。如何将无人机激光点云技术与树障隐患检测结合并应用到实际工作成为解决上述问题的重点。

技术实现思路

[0004]当前防范树障风险主要有人工巡线、无人机多点拍摄回传和无人机机载激光雷达等方式。人工巡视存在劳动量大、效率不高、质量参差不齐等缺点；无人机多点拍摄回传虽然在一定程度上节省了人力，但其后期仍需人工看图，依然存在质量参差不齐、工作量大的缺点；而搭载激光雷达的无人机可以获取电力走廊附近地形地物的高精度高密度三维空间信息，具有快速巡检、质效提升等优点，近年来逐步进入各项领域应用。如何将无人机激光点云技术与树障隐患检测结合并应用到实际工作成为解决上述问题的重点。
[0005]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法，通过激光点云对配网通道进行扫描，建立配网树障激光点云三维模型，实现对树障种类、高度及地里位置信息的采录，并计算分析树障风险点，给出风险点时间地点矩阵。
[0006]本专利技术采用如下的技术方案。步骤S1：利用无人机的机载激光雷达采集电力走廊点云数据，水平空间划分后，通过高程滤波器得到所扫描区域的基准面并对点云数据进行去噪预处理，得到预处理后的点云数据；
[0007]步骤S2：基于预处理后的点云数据提取地面点、电力线点和植被点，其中地面点即为S1中基准面，作为图形的基准水平面；
[0008]步骤S3：基于预处理后的点云数据结合相邻两个高程极大值，采用多项式拟合，得到电力走廊线路曲线，用以拟合每两基杆塔间的线路走势；
[0009]步骤S4：基于上述预处理后的点云数据，提取出的地面点，电力线点和植被点以及电力走廊线路曲线，建立三维激光模型；
[0010]步骤S5：基于所述三维激光模型分析电力走廊树障风险点。
[0011]优选地，步骤S1中对点云数据进行去噪预处理，预处理的方法具体包括：采用移动
曲面拟合法将空间中存在的点云和地面上的点云过滤，解析后得到地面高程。
[0012]进一步优选地，步骤S1中的移动曲面拟合法具体包括：
[0013]把地面视作一个空间复杂曲面，考虑到地形的连续性，增加了窗口邻域，认为每个窗口的拟合曲面均是基于邻域窗口的最低点获得，利用如公式(1)所示的二次曲面拟合该曲面的局部面元；当面元小于阈值时，可用公式(2)来近似拟合；
[0014][0015]Z
i
＝f(X
i
,Y
i
)＝a0+a1X
i
+a2Y
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0016]式中，X,Y,Z为三维坐标系的三个轴坐标，i指的是第i个面元的拟合，a0,a1,a2,a3,a4,a5为拟合参数。
[0017]通过对点云数据分析，根据所扫描区域的环境因素设定对应的阈值将极大极小值去除，进行去噪，对点云数据根据地形进行网格分割，并标注其平面坐标，每个网格都可以利用公式(1)将其最低点拟合曲面作为地面点，计算每个网格中拟合高程值与真实高程值差值，设置阈值筛选并完成点云过滤。
[0018]优选地，步骤S2的具体内容包括：
[0019]基于移动曲面拟合的自适应阈值点云滤波方法实现地面点提取；
[0020]基于电力线点云的空间分布特征和投影分布特点，采用随机抽样一致性算法，实现电力线点提取；
[0021]基于植被分布区域与杆塔分布区域的相对高度差异和树木与建筑物在几何形态上的巨大差异，实现植被点提取。
[0022]进一步优选地，电力线点提取具体包括：实现地面点提取后，点云数据的剩余元素中包含悬空的电力线与植被，根据电力线的上下连续性，利用空间网格划分并结合欧氏聚类粗提取电力线，再根据电力线点的投影分布特征，采用随机抽样一致性算法实现电力线点的精确提取；基于电力线投影在水平面呈现的线性分布特征，利用随机抽样一致性算法直线拟合方法剔除与电力线不在同一线上的噪点，然后基于电力线投影在垂直面上呈现抛物线分布特征，采用随机抽样一致性算法抛物线拟合方法剔除与高压线处于同一垂直面上的噪点，完成电力线点云的精提取。
[0023]进一步优选地，植被点的提取具体包括：实现地面点与电力线点的提取后，点云数据的剩余元素中还有杆塔与建筑，首先根据现场植被高度与杆塔高度的差异，设置相应的高度阈值去除杆塔；然后根据树木与建筑物在几何形态上的不同，实现植被点和建筑物点的精确分离，精确分离的方法包括：
[0024]第一种，基于建筑物具有表面平滑且局部面元法向量趋于竖直状态，各面元之间的法向量也接近平行，区别于植物树叶分布方向随机性强的特征，据此将法向量的夹角作为筛选植被点的方法；
[0025]第二种，基于局部点云计算每个点的局部面元法向量，然后比较目标点与相邻点局部面元法向量，计算夹角方差并建立频率直方图，根据双峰分布特征将波谷位置点设为阈值，低于此点则为建筑点，否则为植被点。
[0026]优选地，步骤S3中电力走廊线路曲线拟合每两基杆塔间的线路走势的具体步骤包括：
[0027]电力走廊线路曲线拟合具有如下特点，其在XY平面上可近似为一条直线，用公式
(3)拟合；其在XZ平面和YZ平面上可近似为一条二次曲线，用公式(4)拟合。取XY平面上的电力线中心作为拟合电力走廊曲线的中心点，中心点可由公式(5)表示。
[0028]y＝kx+b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0029][0030][0031]其中，(x,y,z)为点云空间坐标，k,b,s1,s2,s3为待求方程系数，m为电力走廊线路曲线中的点云数。联立公式(3)(4)(5)即可得到电力走廊线路曲线方程，并得到三维电力走廊扫描图。
[0032]优选地，通过三维重建生成电力线矢量和植被的三维凸包，基于S3中的公式(3)(4)(5)，生成电力线点和植被点及电力走廊线路曲线的三维凸包，计算植被凸包点与电力线矢量的距离d。
[0033]d＝h
t
‑
h
l
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]其中，h
t
,h
l
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法，其特征在于，具体包括：步骤S1：利用无人机激光雷达采集电力走廊点云数据，依照水平空间划分后，通过高程滤波器得到扫描区域的基准面并对点云数据进行去噪预处理；步骤S2：基于预处理后的点云数据提取地面点、电力线点和植被点，其中地面点即为S1中基准面，作为图形的基准水平面；步骤S3：基于相邻两个高程极大值结合预处理后的点云数据，采用多项式拟合，得到电力走廊线路曲线，用以拟合每两基杆塔间的线路走势；步骤S4：基于上述提取出的地面点，电力线点和植被点，预处理后的点云数据以及电力走廊线路曲线，建立三维激光模型；步骤S5：基于所述三维激光模型分析电力走廊树障风险点。2.根据权利要求1所述的一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法，其特征在于，步骤S1中对点云数据进行去噪预处理，预处理的方法具体包括：采用移动曲面拟合法将空间中存在的点云和地面上的点云过滤，解析后得到地面高程。3.根据权利要求1所述的一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法，其特征在于，步骤S1中的移动曲面拟合法具体包括：把地面视作一个空间复杂曲面，考虑到地形的连续性，增加了窗口邻域，认为每个窗口的拟合曲面均是基于邻域窗口的最低点获得，利用如公式(1)所示的二次曲面拟合该曲面的局部面元；当面元小于阈值时，可用公式(2)来近似拟合；Z
i
＝f(X
i
,Y
i
)＝a0+a1X
i
+a2Y
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，X,Y,Z为三维坐标系的三个轴坐标，i指的是第i个面元的拟合，a0,a1,a2,a3,a4,a5为拟合参数，通过对点云数据分析，根据所扫描区域的环境因素设定对应的阈值将极大极小值去除，进行去噪，对点云数据根据地形进行网格分割，并标注其平面坐标，每个网格都可以利用公式(1)将其最低点拟合曲面作为地面点，计算每个网格中拟合高程值与真实高程值差值，设置阈值筛选并完成点云过滤。4.根据权利要求1所述的一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法，其特征在于，步骤S2的具体内容包括：基于移动曲面拟合的自适应阈值点云滤波方法实现地面点提取；基于电力线点云的空间分布特征和投影分布特点，采用随机抽样一致性算法，实现电力线点提取；基于植被分布区域与杆塔分布区域的相对高度差异和树木与建筑物在几何形态上的巨大差异，实现植被点提取。5.根据权利要求4所述的一种基于激光点云建模的树障隐患预警方法，其特征在于，电力线点提取具体包括：实现地面点提取后，点云数据的剩余元素中包含悬空的电力线与植被，根据电力线的上下连续性，利用空间网格划分并结合欧氏聚类粗提取电力线，再根据电力线点的投影分布特征，采用随机抽样一致性算法实现电力线点的精确提取；基于电力线投影在水平面呈现的线性分布特征，利用随机抽样一致性算法直线拟合方法剔除与电力线
不在同一线上的噪点，然后基于电力线投影在垂直面上呈现抛物线分布特征，采用随机抽样一致性算法抛物线拟合方法剔除与高压线处于同一垂直面上的噪点，完成电力线点...

【专利技术属性】
技术研发人员：康剑，万强，张彦生，任晓明，李曈，王晓东，焦阳，刘斌，刘嘉伟，刘一，周芸，李建超，蒋延军，樊国霞，高少龙，
申请(专利权)人：国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：