CN106503060A - 一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法 - Google Patents

Abstract

一种输电线路三维点云数据处理及交跨物物获取方法，根据地形地物在所述三维点云数据中的实际信息建立地形地物信息数据库；利用三维激光扫描获取原始三维点云数据；获取地物。本发明在不改变原始点云数据原有基础上，不进行任何建模渲染处理，不改变任意一点的空间信息，准确获取了各种地物的点云数据，根据设计规程具体要求，形成适用于高压输电线路三维设计的地形图，这在国际上是首次实现，是线路设计技术领域的突破。

Description

一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法

技术领域

本发明涉及一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，属于电力工业的技术领域。

背景技术

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位***之后又一项测绘技术新突破。它可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，即从三维到三维的全景三维实测数据重构。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，能直接反映客观事物实时的、变化的、真实的形态特性。它无须做任何实物表面处理，并且景深很长，避免了光学变形因素带来的误差，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集的目标真实数据，从而使后处理的数据真实可靠，所以将它作为快速获取空间数据的有效手段。三维激光扫描技术不同于传统的高精度测绘技术，它主要面向高精度逆向三维建模及重构。传统的测绘技术主要用于单点精确测量，但用于建模工作时就力所难及了，因为描述目标结构的完整属性需要采集大量的测绘点，少则几万个，多则几百万个以上，这样才能将目标完整地搬到电脑中来，然而三维激光扫描技术就属于此类全自动高精度立体扫描技术。

由于线路工程越来越长、覆盖范围越来越大、地形越来越复杂，很多设计单位都开始研究线路设计的三维设计方式。目前，在线路工程的规划可研、初设等阶段三维方式已经开始逐渐成熟，但是施工图的三维设计方式还没有真正实现。有些是花很大代价取得了三维地形图，却只是用于表面的三维显示，无法反映技术实际；而另一些单位，他们开始思考如何实现施工图的三维设计，但是其中的技术核心设计方式其实还是利用传统二维模式。

目前，三维模式还没有真正用于输电线路施工图设计，原因是迄今为止还没有很好的方法取得真实准确的三维全景地形图，即使取得了相应的地形图，可是因为整个三维地形图是整合在一起的，所有点的属性都是一样的，这是使得设计软件无法正确识别不同的地形地物，也就无法进行不同交跨物的电气距离校核计算，无法实现施工图的三维全景设计。因此要实现输电线路的三维全景施工图设计，就必须要成功对点云数据按照交跨物种类的不同进行正确的分层，这是必要的前提。

综上所述，目前还没有一种适用于输电线路的三维点云数据处理及交跨物获取方法。

注：为了在实际使用时，便于设计、监理、施工等人员形象直观地理解，在此发明中将交跨物包括地面及地面上的所有地物。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法。本发明适用于任意电压等级的输电线路工程点云数据交跨物的无损分层。

本发明的技术方案如下：

一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，包括步骤如下：

1)根据地形地物在所述三维点云数据中信息的不同，建立地形地物信息数据库，其中所述的地形地物信息包括地物的空间信息、形状、种类、尺寸；

2)利用三维激光扫描设备获取原始三维点云数据；

3)获取地物：将所述地物信息通过自动识别地物空间信息、形状、种类与尺寸的匹配方式添加至三维点云数据中；或将所述地物信息通过人工的观察、选择，进而赋予三维坐标的形式添加至三维点云数据中。

根据本发明优选的，所述地物信息数据库中包括地形高程模型信息、林木模型信息、建筑模型信息、三线模型信息、公路模型信息、铁路模型信息、河流模型信息、管道模型信息、大棚模型信息和苗圃模型信息。例如，所述林木模型的生成方法包括：施工图杆塔排位时，树林的高度和宽度有对杆塔高度、档距大小都有比较大的影响，能否建立高精度现实高度、材积的林木模型，且能够被三维设计软件正确识别，有至关重要的作用。近些年来，国内外利用点云数据对林木的建模和研究越来越多，并已取得显著的成果。吴春峰对松树进行三维数据扫描处理，从中提取胸径、树干和树干中央直径等参数，计算求得立木材积，误差为2.91％。而中科院自动化研究所中法联合实验室在综合考虑树叶遮挡的情况下，基于TLS对落叶树模型重建进行了尝试，利用扫描数据和树干树枝等表面，根据轴向估计在枝干横截面上计算骨架位置及直径，通过深度图像重建树干、树枝的广义圆柱模型，重建结果准确。在此技术背景下，为三维设计软件正确的识别林木模型提供了良好条件。在进行施工图的排杆位时，通常不需要知道树木的细节信息，比如枝干形状、粗细、表面纹理、树叶等，只需要知道树木的生长范围、种类、树高、树径、树木等信息，因此，用TLS方法对林木进行模型重建，完全可以满足我们对树木建模的要求。基于TLS对点云数据中的林木进行建模，可以得到能够准确反映树高、数径、枝干范围的树木模型，再根据每棵树木的具***置、准确数目进行调整完善，便可生成较为准确地林木模型。此种模型可以实际反映现场树木高度、数量等信息，可以为设计人员带来诸多方便之处，避免了多次重复性的往返现场。

根据本发明优选的，在所述步骤3)中，首先将所述地形地物信息通过自动识别空间信息、形状、种类或尺寸的匹配方式添加至三维点云数据中；然后再将所述地形地物信息通过人工赋予三维坐标的形式添加至三维点云数据中加以校对。本设计的优点在于，根据本发明所述方法所获得的三维点云数据，可进一步依据地形地物的分布、并结合现有技术的设计算法获得不同电压等级的安全距离，进而设计绘制对应的施工图纸，确保决策的准确性、及时性和有效性。

根据本发明优选的，在所述步骤2)中，利用三维激光扫描获取原始三维点云数据：对输电线路施工的地形地貌进行三维全景扫描，得到符合施工图设计要求的原始三维点云数据。

根据本发明优选的，获取原始三维点云数据的方式还包括航拍、航测和雷达测绘技术。

根据本发明优选的，所述步骤2)中还包括，对得到的原始三维点云数据进行各种地图校对：采用谷歌地球等卫星地图进行校核。

根据本发明优选的，所述步骤3)中，所述自动识别是指基于对象的LiDar数据地物识别方法：直接利用原始三维点云数据的三维空间关系进行分类。识别准确率高，分类精度高，运算速度快。

根据本发明优选的，在所述步骤3)的人工赋予三维坐标的形式添加至三维点云数据之前，对所述原始三维点云数据进行以下处理：

首先，对原始三维点云数据进行去噪优化；

然后，进行全方位滤波，获取地面高程模型信息(DEM)；在进行施工图设计时，地面高程是必须具备的空间信息，它的准确与否直接影响着施工图设计的质量和安全可靠性；基于激光扫描数据的三维地面模型重建，主要是通过对三维激光扫描仪获取的深度数据进行预处理、配准、网格化来实现的，其中网格化是指通过连接地形表面三个三维点来构成表面的，这种方法能够充分利用点云信息且方便实用，非常适合基于点云数据的三维模型重建；之后，为了使模型更加精细化，避免离散、错接等情况，再进行三角形网格处理，形成mesh网格模型，具有较高的精度；

将地面高程模型进行mesh网格化，获得点云数据模型，以便后期进行使用和处理。而直接测得的点云数据分辨率是2cm，无论在mesh建模时，还是在将DEM导入到三维设计软件时，都会耗费大量的时间。而另一方面，如果对点云进行抽稀处理，则会降低DEM的质量。在进行过反复多次的试验和调整之后，确定将点云数据模型抽稀到分辨率为0.1m，则可以在保证质量的前提下，达到节约时间的目的。

本发明的优点在于：

1、本发明采用三维激光扫描技术对地形进行三维测量：测量点多、测量精度高和测量速度快，所获数据信息全面丰富。

2、本发明采用谷歌地球等卫星地图对原始点云数据进行校核后，得到大地坐标系的点云数据，精度高，坐标准确，显示清晰，真实反映实际地形地貌。

3、本发明利用基于对象的LiDar数据地物识别方法对大地坐标系的点云数据中各点进行去噪优化、识别获取和属性赋予等处理，得到真实的点云数据，不同地物的点云数据可以进行独立分析计算，可直接用于输电线路的杆塔排位设计，具有真实、可靠和操作性强等特点。

4、本发明适用范围广泛、实用性强，可用于各种复杂地形地貌条件下输电线路的杆塔排。

5、本发明在不改变原始点云数据原有属性基础上，不进行任何建模渲染处理，不改变任意一点的空间信息，准确获取了各种地物的点云数据，根据设计规程具体要求，形成适用于高压输电线路三维设计的地形图，这在国际上是首次实现，是线路设计技术领域的突破。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

1)根据地物在所述三维点云数据中的信息建立地形地物信息数据库，其中所述的地物信息包括地物的空间位置、形状、种类、尺寸；

2)利用三维激光扫描获取原始三维点云数据；

3)获取地物：将所述地物信息通过自动识别地形地物空间位置、形状、种类或尺寸的匹配方式添加至三维点云数据中；或将所述地物属性通过人工赋予三维坐标的形式添加至三维点云数据中。

实施例2、

如实施例1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其区别在于，所述地形地物信息数据库中包括林木模型、建筑模型、三线模型、公路模型、铁路模型、河流模型、管道模型、大棚模型和苗圃模型。

实施例3、

如实施例1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其区别在于，在所述步骤3)中，首先将所述地物信息通过自动识别空间位置、形状、种类或尺寸的匹配方式添加至三维点云数据中；然后再将所述地物信息通过人工赋予三维坐标的形式添加至三维点云信息图中加以校对。

实施例4、

如实施例1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其区别在于，在所述步骤2)中，利用三维激光扫描获取原始三维点云数据：对输电线路施工的地形地貌进行三维全景扫描，得到符合施工图设计要求的原始三维点云数据。

实施例5、

如实施例1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其区别在于，获取原始三维点云数据的方式还包括航拍、航测和雷达测绘技术。

实施例6、

如实施例1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其区别在于，所述步骤2)中还包括，对得到的原始三维点云数据进行地图校对：采用谷歌地球进行校核。

实施例7、

如实施例1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其区别在于，所述步骤3)中，所述自动识别是指基于对象的LiDar数据地物识别方法：直接利用原始三维点云数据的三维空间关系进行分类。

实施例8、

如实施例1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其区别在于，在所述步骤3)的人工赋予三维坐标的形式添加至三维点云数据之前，对所述原始三维点数据云图进行以下处理：

首先，对原始三维点云数据进行去噪优化；

然后，进行滤波，获取地面高程模型；

将地面高程模型进行mesh网格化，获得点云数据模型，确定将点云数据模型抽稀到分辨率为0.1m。

在架空输电线路施工图设计杆塔排位中，通常不能根据树木现实存在的高度进行电气距离的校核，而是根据不同的树木种类有不同的最终生长高度来的。根据中科院的模型重建方法，将树高设定为树木最终生长高度，其位置坐标、几何模型由扫描点云建模得到，最终可以得到线路需要跨越的林木模型。此种模型是要导入到设计软件，最终用于杆塔排位，校核电气距离，根据杆塔呼高和档距大小，来决定是进行跨越还是砍伐，已达到经济性最佳的要求。地上线路模型的生成，上线路通常有电力线、通讯线等，这些线路不但高度对排杆位有重要影响，他们和线路的交叉角度也有影响。由于电力线几何外形简单，只要根据点云数据信息，描画出具体的弧垂悬链线即可。建筑物模型的生成，扫描得到的点云数据为建筑物表面的三维形状上的点数据，这些离散的点没有任何的拓扑关系，不是有效地可以用来表示物体实体模型的数据。对建筑物表面离散的点重新构建出可以用于表示实体的三维模型，可以分为三角网格模型的建立和和表面纹理信息的添加。在此基础之上，便可以利用点云后处理软件对建筑物进行精确建模，用于排杆位使用。各种地上管道的建模，于外业扫描点云数据，半径大于50cm的管线需要进行拟合建模，且走向清晰，能查找起始位置和终点位置。交跨物模型的属性，设计规程规定，架空线路对于不同交跨物有不同的交跨距离要求，为了加快三维设计软件运行速率，减少运算次数和出错概率，本文选择基于交跨距离来进行分层。经过试验和调整，110kV三维模型分层于表1。

表1 110kV三维模型分层

Claims (8)

1.一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

1)根据地形地物在所述三维点云数据中的信息建立地形地物信息数据库，其中所述的地物信息包括地物的、形状、种类、尺寸；

2)利用三维激光扫描获取原始三维点云数据；

3)获取地物：将所述地形地物信息通过自动识别地物空间位置、形状、种类或尺寸的匹配方式添加至三维点云数据中；或将所述地物属性通过人工赋予三维坐标的形式添加至三维点云数据中。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其特征在于，所述地物信息数据库中包括地面高程模型信息，林木模型信息、建筑模型信息、三线模型信息、公路模型信息、铁路模型信息、河流模型信息、管道模型信息、大棚模型信息和苗圃模型信息。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其特征在于，在所述步骤3)中，首先将所述地形地物信息通过自动识别空间位置、形状、种类或尺寸的匹配方式添加至三维点云数据中；然后再将所述地物信息通过人工赋予三维坐标的形式添加至三维点云数据中加以校对。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其特征在于，在所述步骤2)中，利用三维激光扫描获取原始三维点云数据：对待输电线路施工的地形地貌进行三维全景扫描，得到符合施工图设计要求的原始三维点云数据。

5.根据权利要求1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其特征在于，获取原始三维点云数据的方式还包括航拍、航测和雷达测绘技术。

6.根据权利要求1所述的一种输电线路三维点云数据无处理及交跨物获取方法，其特征在于，所述步骤2)中还包括，对得到的原始三维点云数据进行地图校对：采用谷歌地球进行校核。

7.根据权利要求1所述的一种输电线路三维点云数据无处理及交跨物获取方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述自动识别是指基于对象的LiDar数据地物识别方法：直接利用原始三维点云数据的三维空间关系进行分类。

8.根据权利要求1所述的一种输电线路三维点云数据处理及交跨物获取方法，其特征在于，在所述步骤3)的人工赋予三维坐标的形式添加至三维点云数据之前，对所述原始三维点云数据进行以下处理：

首先，对原始三维点云数据进行去噪优化；

然后，进行滤波，获取地面高程模型；

将地面高程模型进行mesh网格化，获得点云数据模型，确定将点云数据模型抽稀到分辨率为0.1m。