[发明专利]无序激光点云数据中自动提取电力线方法

说明书

技术领域

本发明属于机载激光雷达应用于电力巡线领域，具体是指无序激光点云数据中自动提取电力线方法。

背景技术

为实现电网安全运营，电力部门需要定期进行电力巡线，以便及时发现和排除安全隐患。譬如，随着线下植被的生长，树木顶端至电路的安全距离不够，或者线下新增了建筑或已有建筑被加高，或者塔杆、电线遭到破坏等等，这些都是可能存在的安全隐患。采用机载激光雷达技术可直接获取线路走廊内的大量高精度LiDAR点云数据，弥补了传统航测对电力线测量无能为力的空白，节省了大量的外业勘测的时间和人力投入，提供数据的时间缩短，成本得到节约，数据精度却大大提高。国外已经将机载激光雷达系统广泛应用于电力工业。国内近几年也将机载激光雷达技术应用于电力线路设计中，但在电力巡线方面仍属空白。因此，研究LIDAR点云数据中电力线拟合技术，实现电力线自动提取对于电力巡线工作有着极其重要的现实意义。从LIDAR点云数据中自动提取电力线是基于LIDAR电力巡线的关键问题之一。2004年Thomas Melzer等提出了一套完整的基于机载LiDAR数据的电力线提取和建模处理流程，并在电力线检测方面提出了迭代Hough变换的方法，能有效的提取电力线。

结合分析LiDAR数据处理技术的原理和方法，LiDAR电力线扫描数据提取电力线矢量主要要解决以下几个问题：

1、激光点云数据高程分割算法滤波。以高程为依据，通过选择合适的分割算法，将点云初步分割为地面点和非地面点，滤除地面点及部分地表植被点。

2、投影影像生成。对非地面点进行密度分割，选择合适的投影方向，将三维点云数据投影到二维平面以便进行后续相关的电力线检测工作。

3、基于投影影像的电力线检测。选择合适的图像处理算法，检测出电力线投影线段。

4、二维投影线元反投影到三维空间。将使用图像处理方法检测到的二维直线元反投影到三维空间中，获得三维空间中的电力线多段线。

发明内容

本发明的目的是提供无序激光点云数据中自动提取电力线方法，该方法高效，能够自动提取电力线。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：无序激光点云数据中自动提取电力线方法，该方法包括如下步骤：

一、采用机载激光雷达航拍电力巡线，获得电力巡线的原始激光点云数据，电力巡线的原始激光点云数据包括电力塔、电力线、地表、植被的原始激光点云数据；

二、电力线点云数据粗提取：对步骤一获得的电力线原始激光点云数据与背景原始激光点云数据进行分割，实现电力线原始激光点云数据的粗提取，获得电力线点云离散点，所述的背景原始激光点云数据包括地表原始激光点云数据和植被原始激光点云数据，电力线原始激光点云数据的粗提取为进一步的电力线点云数据的直线拟合作数据准备；

三、电力线投影线自动拟合：对步骤二获得的电力线点云离散点自动拟合，获得二维直线段的电力线投影线，拟合后的电力线投影线按照连续点输出；

四、电力线投影线的反投影：对步骤三获得的电力线投影线进行反投影，将二维直线段的电力线投影线反投影到三维空间，获得三维提取线段，该三维提取线段用于描述电力线矢量；

五、电力线的精确点云数据提取：将步骤四获得的三维提取线段作为聚类核，通过距离聚类的方法来提取电力线的精确点云数据；

六、根据步骤五提取得到的电力线的精确点云数据，生成电力线矢量节点，输出电力线矢量并显示，从而实现电力线的自动提取。

本发明中，所述步骤二中，选取高程阈值分割法对步骤一获得的电力线原始激光点云数据与背景原始激光点云数据进行分割。

本发明中，所述步骤三中，对于多条电力线处于同一影像的情况需要对电力线点云进行分簇，确定参与特定电力线拟合的具体点云数据，提取直线的分簇采用Hough变换，或是最大似然法完成；对某直线簇所处点云数据采用最小二乘的方法实现直线拟合；考虑到电力塔之间电力线的伸展、下凸的状况，采用分段的最小二乘方式拟合直线，实现对真实情况下电力线为曲线的逼近与模拟。

本申请分析LiDAR电力线扫描数据处理要解决的问题，针对激光点云电力线拟合，设计出一种提方法，该方法通过基于高程的点云分割滤除地面点云，在分割后的点云的方向投影上检测直线段并将其反投影到三维空间，获得的三维提取线段，将该三维提取线段作为聚类核通过距离聚类的方法获取到电力线的精确点云并由此生成电力线矢量节点，输出电力线矢量，从而实现电力线的自动提取。经实验，该方法有较好的提取效果，提取精度可达到厘米级别。

本发明电力线拟合主要包括如下四个部分：