專利名稱：一種機載lidar數據電力線快速提取及重構方法
技術領域：
本發明涉及測繪技術領域，更具體地，涉及一種機載LIDAR數據電力線快速提取及重構方法。
背景技術：
當前直升機巡線技術的空間定位量測精度不高，而直升機搭載LIDAR(激光雷達) 系統正好能較好解決這個問題。機載LIDAR系統可以獲取航空數碼影像和激光點云數據， 數據經過處理可以對輸電線走廊地物進行安全故障檢測。目前國外已經將激光雷達系統用于電網的勘測設計和維護，我國則處于起步階段。激光雷達技術檢測電力線，關鍵是電力線的識別和重構。目前已有學者對此進行研究并取得了一定成果，但是他們大都只能檢測單個跨度間的電力線，不能實現多個跨度間電力線自動提取。如Robert A在“從機載LIDAR數據中提取傳輸線”(MCLAUHLIN R A, Extracting Transmission Lines From Airborne LIDAR Data, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 3, 2006. pp :222-226)利用懸鏈線方程對單個跨度內的電力線數據建立局部仿射模型，該方法提取率只有72. I %。Thomas Melzer在“從ALS點云中對電力線的提取和建模”(TH0MASM,CHRISTIAN B, " Extraction and Modeling of Power Lines From ALS Point Clouds"，IEEEE，2004)利用懸鏈線方程做為假設模型，任意選擇數據點子集為初始點集，通過RANSAC方法識別單根電力線。該算法初始模型選擇很關鍵。 如果選擇的不是同一根電力線上的點云，就要重新選取，影響提取速度。同時，該算法要重復計算點到假設模型的距離，計算量比較大。Y. JwaCJWA Y，SOHN G7KIM H. , AUTOMATIC 3D POffERLINE RECONSTRUCTION USING AIRBORNE LIDARDATA. IAPRS, Vol. XXXVIII,2009. pp 105-110.)提出了利用VPLD方法提取電力線，他的基本思想是利用懸鏈線方程在小立方體內分段擬合電力線參數，比較當前立方體內擬合的電力線參數與上一個立方體內參數的變化，判斷是否屬于同一根電力線。該方法提取率達到93.8%，但是對于點云稀疏的數據不適用。芬蘭Terrasolid軟件中的電力線檢測模塊，能實現電力線的檢測和到地物點距離量測，但是不能跨越多個跨度間電力線檢測。可見，在現有技術中的電力線提取技術上，目前還沒有比較好的方法能自動識別電力線并且能實現多個跨度間的電力線提取。

發明內容
針對現有技術中的上述不足，本發明的目的是要解決從機載LIDAR點云數據中提取電力線及電塔，并對電力線進行三維重構，實現輸電線走廊中多個跨度間電力線的自動提取和擬合。為了實現上述目的，本發明提供了一種機載LIDAR數據電力線快速提取及重構方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，通過機載激光雷達測量系統獲取大量的激光點云數據，其中包括非電力線形成的點云數據；利用非電力線與電力線在高度上的間距，通過適當設置高程閾值對激光點云數據進行濾波，剔除非電力線形成的點云數據；步驟2，在點云數據濾波完成后，針對電力線候選點云數據中仍包含的電塔數據， 根據電塔兩邊點云密度變化特點對電塔進行剔除；步驟3，從電力線的點云數據采用直方圖統計分析法統計每層電力線的點數，進行電力線的分層，然后對同一層中的電力線進行擬合，從而分離出單根電力線上的點云數據；步驟4，利用懸鏈線方程，對電力線進行擬合，估算出懸鏈線方程參數，最終實現電力線的矢量化。優選地，所述步驟3中根據電力線在二維平面的投影為直線，判斷電力線的走向， 從而實現多個跨度間電力線的提取。優選地，所述步驟4具體包括根據懸鏈線方程y = kCosh(X/k)-k建立導線模型， 利用最小二乘原理估算模型參數，實現電力線的擬合；其中k = g/p，P是電力線的水平應力，g是電力線的比載。本發明可以彌補已有算法中只能進行單個跨度電力線提取的缺陷，能快速實現多個跨度間的電力線自動提取和電塔提取，并且對于稀疏的點云數據也能夠提取，提取效率很高。本發明可以用于電力部門進行輸電線路安全巡檢，可以量測導線到樹木、建筑物的距離，判斷輸電線走廊周圍地物到導線的距離是否符合安全距離要求，一旦超出安全范圍，電力部門可以采取措施避免事故發生，大大提高輸電線巡檢效率。


圖I是本發明實施例的電力線提取和重構流程圖；圖2是本發明實施例中原始激光雷達點云數據示意圖；圖3是本發明實施例中去除地面點數據結果圖；圖4是本發明實施例中去除電塔結果圖；圖5是本發明實施例中電力線矢量化效果圖；圖6是本發明實施例中電力線矢量線與電塔疊加效果圖；圖7是本發明實施例中電力線矢量線與點云疊加效果圖。
具體實施例方式為詳細說明本發明的技術內容、構造特征、所實現目的及效果，以下結合具體實施方式
并配合附圖詳予說明。從機載LIDAR(激光雷達)數據中提取和重構電力線的具體流程圖如圖I所示。電力線首先要解決從大量原始激光點云中分離電力線點云的問題，即分離出非電力線點云數據(如圖I所示的地面點、植被和建筑物等)和電力線數據兩大部分，并且，從電力線的候選點云中剔除電塔。其次，根據電力線的空間特征，判斷電力線的走向，從電力線數據點中識別出單根電力線數據。最后，對電力線數據矢量化，進行三維重構，恢復電力線的空間特性。下面對本發明各步驟做進一步詳細介紹
I.點云數據濾波機載LIDAR(激光雷達)系統獲取海量的點云數據，一般包括地面點、建筑物、植被、河流等地物點。圖2是原始激光雷達點云數據示意圖。這些地物影響電力線的提取，尤其是大量的地面點，所以在提取電力線之前，首先要對海量激光點云數據進行濾波。通常電力線架設在10-50米高空，樹木比電力線低很多。所以利用高程直方圖統計的方法剔除地面點，對不同的數據設置合適的高程閾值，能快速有效地剔除地面點和低矮樹木。圖3是去除地面點數據后的結果圖。如果輸電線走廊跨越復雜山區，在利用該方法之前要對數據構建nDSM(正規化數字地表高程模型)，消除地形影響。2.電塔剔除為了實現多個跨度間電力線的自動提取，要對電塔進行剔除。沿著輸電線路的走向，統計電塔兩邊點云密度的變化，剔除電塔，附圖4是剔除電塔數據后的結果圖。3.單根電力線的識別從電力線的空間分布來看，電力線由下向上分為3-4層電力線，每層中的單根電力線在局部空間范圍內又是獨立的。所以本發明根據這個特點，對電力線進行分離。由于周圍地物分布以及地勢起伏的原因，實際的電力線路并不是沿著一個方向分布，所以根據電力線在二維平面投影為直線，判斷出電力線的大致走向，實現多個跨度間電力線的提取。 利用直方圖統計分析法統計每層中電力線的點數，進行電力線的分層，然后對同一層中的電力線進行擬合，進一步分離出單根電力線。4.電力線重構電力線由于受重力影響，呈現拋物線形態。根據已有的懸鏈線方程，如公式(I)，建立導線模型，利用最小二乘原理估算模型參數，實現電力線的擬合。y = kcosh(x/k)_k 其中 k = g/ P ;公式(I)式中P -水平應力(即導線最低點應力);g_導線的比載；5.機載LIDAR點云數據中快速自動提取電力線的實驗驗證為了驗證本發明提出的從機載LIDAR點云數據中快速自動提取電力線的可行性和適用性，實驗以圖2所示原始數據為實驗數據，如附圖2所示，該數據是有5個電塔的機載LIDAR數據，電塔架在凸凹不平的陡坡處，周圍有低矮的樹木，平均點云密度I. 24個/m2。 根據上述流程，對該數據處理耗時9. 94秒，完成電力線的檢測，附圖5是本發明實施例最終實現的電力線矢量線，附圖6是實現的電力線和電塔的匹配，附圖7是電力線矢量線與點云數據的重疊，從該圖中可以看出電力線矢量線與點云數據是完全重合的，電力線的擬合精度非常高。從上面的實驗果可知，本發明提出的方法取得了理想的電力線提取效果，并且提取速度很快，電力線提取精度達到100%，即使比較稀疏的點云數據也能夠提取出來，實現了電力線的自動快速提取，可以滿足電力線巡檢對速度和提取率的要求。以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，例如對城市供水設施、燃氣設施、交通設施的巡檢裝備和系統等，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
權利要求
1.一種機載LIDAR數據電力線快速提取及重構方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，通過機載激光雷達測量系統獲取大量的激光點云數據，其中包括非電力線形成的點云數據；利用非電力線與電力線在高度上的間距，通過適當設置高程閾值對激光點云數據進行濾波，剔除非電力線形成的點云數據；步驟2，在點云數據濾波完成后，針對電力線候選點云數據中仍包含的電塔數據，根據電塔兩邊點云密度變化特點對電塔進行剔除；步驟3，從電力線的點云數據采用直方圖統計分析法統計每層電力線的點數，進行電力線的分層，然后對同一層中的電力線進行擬合，從而分離出單根電力線上的點云數據；步驟4，利用懸鏈線方程，對電力線進行擬合，估算出懸鏈線方程參數，最終實現電力線的矢量化。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟3中根據電力線在二維平面的投影為直線，判斷電力線的走向，從而實現多個跨度間電力線的提取。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟4具體包括根據懸鏈線方程y =kcosh(x/k)-k建立導線模型，利用最小二乘原理估算模型參數，實現電力線的擬合；其中k = g/p，P是電力線的水平應力，g是電力線的比載。
全文摘要
本發明提供了一種機載LIDAR數據電力線快速提取及重構方法，包括通過機載激光雷達測量系統獲取大量的激光點云數據，通過適當設置高程閾值對激光點云數據進行濾波，剔除非電力線形成的點云數據；在點云數據濾波完成后，根據電塔兩邊點云密度變化特點對電塔進行剔除；對電力線的點云數據采用直方圖統計分析法統計每層電力線的點數，進行電力線的分層，然后對同一層中的電力線進行擬合，從而分離出單根電力線上的點云數據；利用懸鏈線方程，對電力線進行擬合，估算出懸鏈線方程參數，最終實現電力線的矢量化。本發明可能快速實現多個跨度間的電力線自動提取和電塔提取，提取效率很高，可以用于電力部門進行輸電線路安全巡檢，大大提高輸電線巡檢效率。
文檔編號G01S7/48GK102590823SQ201210002838
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者劉正軍, 左志權, 張繼賢, 梁靜 申請人:中國測繪科學研究院