联合输电走向和塔架位置的高压输电线路提取方法

本发明属于输电线系统故障诊断，具体涉及一种联合输电走向和塔架位置的高压输电线路提取方法。

背景技术：

1、电力线的输送需要具备覆盖范围广、输送距离长和高可靠性等特征。然而，电力线往往布设在丛林密布和高大建筑物群周围，这些地物对电力线的安全输送带来一定的潜在威胁。为了预防此类事故的发生，电力维护部门需要定期对输电线路进行安全巡视。

2、传统的人工电力巡视方法是通过人为判定电力线与其周围环境的安全状况，这种方法效率低、消耗大量的人力物力。机载激光雷达能够沿电力廊道快速获取高密度、高精度的三维空间信息，有效缓解了传统人工巡线方法的长周期和低效率问题。因此，从机载点云数据中自动化提取电力线是目前的一项研究热点。

3、纵观近些年研究状况，利用机载激光雷达进行自动化电力线提取方法一般可以分为两大类：监督方法和非监督方法。对非监督方法而言，它们一般需要结合一定的先验知识来判断电力线和周围其他地物的差异，如电力线的空间分布、高度和几何形状、连通性等。也有学者针对复杂地形情况下，分析地形起伏较大区域提出基于字空间特征的高程阈值分割算法用于电力线的自动提取，但是整个算法过程过于复杂。与非监督方法不同，监督方法通过定义一些描述子对场景信息进行描述，如拓扑关系、语义信息。尽管这些监督方法取得了较好的识别效果，然而往往需要大量的标记样本集来学习复杂的模型。

4、现有技术存在的缺陷：一般而言，一档电力廊道的点云数据中电力线所占比例较少（小于10%），容易导致监督方法的识别模型过拟合。而且，前人的工作仅仅利用电力线的线性结构通过霍夫变化或随机抽样一致性的方法拟合直线来提取电力线。这些方法忽略了电力廊道（特别是高压电力廊道）中电力线往往是多层次的分布。因此，深度挖掘电力廊道输电线路的空间布设形式和线性特性，利用输电走向和塔架位置进行高压输电线路自动巡检是很有必要的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明假定高压输电线路在水平方向上为直线，而在垂直方向上为悬垂线，提出了一种联合输电走向和塔架位置的高压输电线路提取方法，进而充分结合电力廊道空间层次分布和电力线局部线性特点，进行高压输电线路自动巡检。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种联合输电走向和塔架位置的高压输电线路提取方法，包括如下步骤：

4、步骤1、采用直升机和无人机获取电力廊道场景原始点云数据；

5、步骤2、基于块约束的三维欧式聚类方法，对电力廊道场景原始点云数据进行聚类和分割；

6、步骤3、基于ransac算法定义线性率指标对电力线进行粗识别；

7、步骤4、利用粗识别的电力线确定高压输电廊道的线路走向；

8、步骤5、基于高程分布直方图统计和输电线路走向对塔架位置进行定位；

9、步骤6、利用塔架位置进行输电线路分档，并对电力线进行数学模型参数拟合。

10、进一步地，步骤2的具体过程如下：

11、步骤2.1、对电力廊道场景原始点云数据进行分块；

12、步骤2.2、基于块约束将同一分块内的相邻点云进行三维欧式聚类；

13、一个分块内进行三维欧式聚类的具体过程为：

14、步骤2.2.1、先从当前分块内的点云中任选一个点作为基准点，同时预先设置一个距离阈值；

15、步骤2.2.2、从剩余点中，任选一个点计算与基准点的距离，若计算得到的距离小于预先设置的距离阈值，则判定当前点与基准点属于同一个点簇；否则判定当前点与基准不属于同一个点簇；

16、步骤2.2.3、按照与步骤2.2.2相同的过程计算其它剩余点与基准点的距离并进行是否属于同一个点簇的判断，完成聚类的过程；

17、步骤2.2.4、按照与步骤2.2.1-步骤2.2.3相同的过程对当前分块内的其他点进行分簇，直到迭代完所有点云后结束，最后当前分块内所有点均被分割成一个个的点簇，进而完成对电力场景的分割。

18、进一步地，步骤3的具体过程为：

19、步骤3.1、以式（1）作为拟合直线的数学表达式，利用ransac算法对每个分割对象拟合直线，

20、 (1)；

21、其中，和分别表示拟合直线上任一点的横、纵坐标，、和表示不同的拟合直线参数；

22、步骤3.2、按式（2）所示，分别计算当前分割对象内每个点到拟合直线的距离；

23、 (2)；

24、其中，和分别表示任一点的横、纵坐标；

25、步骤3.3、预先设定阈值，统计当前分割对象内到拟合直线的距离小于阈值的点所占的比率，该比率即为线性率指标；若当前分割对象内到拟合直线的距离小于阈值的点所占的比率大于等于90%时，则认为当前分割对象是线性；否则，为非线性；

26、步骤3.4、对所有的分割对象完成线性判断后，完成电力线的粗识别。

27、进一步地，步骤4的具体过程为：

28、步骤4.1、对粗识别的电力线点云进行三维欧氏聚类；根据电力线在水平和垂直距离上的净空距离，执行三维欧氏聚类得到一系列的点簇，同一点簇内所有点属于同一条电力线；

29、步骤4.2、利用ransac算法对同一点簇内所有点在水平方向上进行直线拟合，拟合数学表达式采用式（1），拟合的直线即定义了输电线路的局部走向。

30、进一步地，步骤5的具体过程为：

31、步骤5.1、根据电力线走向确定与电力线走向相垂直的方向；

32、步骤5.2、在与电力线分布垂直方向内进行切片，对每个切片位置的所有点按z坐标从小到大排序，根据机载点云密度设置高程区间等间隔为0.2m，并统计各个高程区间内点云的数量，得到高程分布直方图；

33、步骤5.3、如果当前切片在各个高程区间都有点云，则认为当前切片位置为潜在的塔架位置。

34、进一步地，步骤6的具体过程为：

35、步骤6.1、利用潜在的塔架位置对输电线路进行分档，得到潜在的单档电力线点云；在垂直方向上将单条电力线定义为悬垂线；对于每条潜在的单档电力线点云，随机采样悬垂线上任意两点，计算出悬垂线方程，如式（3）所示，

36、 (3)；

37、其中，、和表示当前悬垂线方程的不同参数，、分别表示当前悬垂线上某点的横、纵坐标值；表示计算双曲余弦值；

38、步骤6.2、对同一条潜在的单档电力线点云，重复采样1000次，计算得到1000个悬垂线方程；

39、步骤6.3、基于3σ原则剔除1000个悬垂线方程中的粗差，并将剩余悬垂线方程的参数取平均作为初始值；

40、步骤6.4、利用非线性最小二乘原则拟合悬垂线方程，并将距离悬垂线2m的点重新分类为电力线点，完成电力线数学模型的拟合精化。

41、本发明所带来的有益技术效果：本发明充分结合电力廊道空间层次分布和电力线局部线性特点，建模高压廊道中特有的分裂导线结构，实现电力廊道场景自动分档和电力线精细化提取，显著提高了高压输电线路自动巡检的精确性与可靠性，将为三维智能数字电网、输电运维管理以及防灾减灾等领域深入研究提供了一定的理论基础。