專利名稱：基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸電線路雷電防治應(yīng)用領(lǐng)域，具體是一種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有研究表明，不同時(shí)間段、不同地域，由于雷電活動(dòng)特征存在較大差異，雷擊對(duì)輸電線路造成的沖擊也是不同的。如何有效地評(píng)估輸電線路的防雷性能已受到電網(wǎng)運(yùn)行人員的高度重視，為了提高應(yīng)用研究水平，為差異化防雷方案的制定提供可靠數(shù)據(jù)，必須校核已有線路地理參數(shù)，摸清沿線地形、地貌特征等。
但是，鄂西三峽地區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜、氣候多變，高山峽谷眾多，切割地形嚴(yán)重，為輸電線路雷電防護(hù)帶來(lái)很大困難。由于地形復(fù)雜、陡峭，難以逐級(jí)桿塔進(jìn)行經(jīng)緯度測(cè)量，而且使用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)逐級(jí)桿塔進(jìn)行經(jīng)緯度測(cè)量的數(shù)據(jù)資料也不準(zhǔn)確，作為研究對(duì)象的最基礎(chǔ)線路桿塔本體資料不準(zhǔn)確，直接會(huì)誤導(dǎo)整個(gè)線路走廊雷電防治方案的有效性和防治措施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。因此，三峽地區(qū)輸電線路雷電機(jī)理和防治措施研究時(shí)，非常緊迫地需要開展此項(xiàng)研究工作，以獲取更精確的輸電線路全線逐級(jí)桿塔的塔形、結(jié)構(gòu)，典型輸電線路的地理坐標(biāo)、高度、密度及地形地貌參數(shù)，用于三峽地區(qū)雷擊風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)和進(jìn)行仿真輸電線路雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，可以借助三維激光雷達(dá)技術(shù)在復(fù)雜地區(qū)獲取地形精確的輸電線路參數(shù)，為輸電線路防雷差異化分析研究和評(píng)估防雷措施的有效性提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。—種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，包括步驟10 :通過飛行器攜帶三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)輸電線路走廊沿線桿塔進(jìn)行掃描，獲取包括實(shí)施差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)；步驟20 :對(duì)步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)和GPSUMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合精細(xì)預(yù)處理，生成大地定向后的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟30 :對(duì)生成的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分類，生成包括地表層、植被層、線路層和桿塔層的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；步驟40 :運(yùn)用雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件，輸入步驟30獲得的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析輸出精確到逐級(jí)桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。本發(fā)明采用三維激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)選定研究線路進(jìn)行掃描、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)精細(xì)處理分析的方式，得出試點(diǎn)線路精確分析輸出到逐級(jí)桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)，為輸電線路防雷差異化分析研究和評(píng)估防雷措施的有效性提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。


圖I是本發(fā)明基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法的流程圖；圖2是本發(fā)明在桿塔橫截面左右各IOOm內(nèi)，每隔25m取一個(gè)相對(duì)桿塔的地表層激光點(diǎn)計(jì)算地面傾角0 i的示意圖；圖3為地面傾角Θ符號(hào)的定義示意圖；圖4是桿塔左右各50m處獲得的地面傾角Θ ( Θ 3、Θ 6)來(lái)定義地貌的示意圖；圖5是單回桿塔中各個(gè)桿塔參數(shù)的示意圖；圖6是同塔雙回桿塔中各個(gè)桿塔參數(shù)的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。圖I所示為本發(fā)明基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法的結(jié)構(gòu)示意圖，所述方法包括如下步驟步驟10 :通過飛行器攜帶三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)輸電線路走廊沿線桿塔進(jìn)行掃描，獲取包括實(shí)施差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU(即位置姿態(tài))數(shù)據(jù)。所述三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)包括激光掃描儀、GPS定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量裝置(inertial measurement unit, IMU),所述激光掃描儀用于測(cè)定激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)到地面激光腳點(diǎn)的距離，獲得所述包括差異化防雷指定線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)；所述GPS定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量裝置用于測(cè)量激光掃描儀在運(yùn)動(dòng)過程中的經(jīng)緯度空間位置信息和PHR(俯角、仰角和橫滾角)三個(gè)瞬時(shí)姿態(tài)角，獲取包括差異化防雷指定輸電線路桿塔段的GPSUMU 數(shù)據(jù)。步驟20 :對(duì)步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合精細(xì)預(yù)處理，生成大地定向后的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體的，可利用三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)自帶軟件，對(duì)步驟10獲得的所述GPSUMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，獲得激光掃描儀每個(gè)掃描時(shí)刻的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；然后，利用三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)自帶軟件，對(duì)步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的賦值運(yùn)算，生成大地定向后的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。步驟30 :對(duì)生成的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分類，生成包括地表層、植被層、線路層和桿塔層的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因?yàn)楂@取的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含所有的激光測(cè)量點(diǎn)，包括地面和非地面的，要得到雷電線塔參數(shù)數(shù)據(jù)，則首先需要把激光點(diǎn)云分類分層出來(lái)。在進(jìn)行分類前，先對(duì)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，剔除錯(cuò)誤點(diǎn)、高程異常點(diǎn)，如特別高的點(diǎn)(空中飛行中的鳥或雜質(zhì))。因坡度、植被、紋理及不同回波強(qiáng)度信息，使用激光分類專業(yè)軟件(Terrasolid或SLC或LPV等)進(jìn)行分類處理，將激光點(diǎn)按下步計(jì)算所需要的地表層、植被層、線路層和桿塔層進(jìn)行精細(xì)分類分層。LAS格式是機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)(LIDAR)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，其由美國(guó)攝影測(cè)量與遙感(ASPRS)機(jī)構(gòu)下的LIDAR委員會(huì)于2003年發(fā)布，經(jīng)過改進(jìn)目前已有四種版本，分別是LAS1. O、I. I、I. 2、2. 0(擬定版)。LAS標(biāo)準(zhǔn)格式包括三部分，分別是公共文件頭區(qū)、變長(zhǎng)記錄區(qū)、格式O點(diǎn)集記錄區(qū)。公共文件頭區(qū)記錄LAS文件的普通信息，如點(diǎn)的個(gè)數(shù)等；變長(zhǎng)記錄區(qū)包含一些元數(shù)據(jù)，如文件采用的坐標(biāo)系等；格式O點(diǎn)集記錄區(qū)記錄點(diǎn)的X，Y，Z和屬性。步驟40 :運(yùn)用雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件，輸入步驟30獲得的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)(含地表層、植被層、線路層和桿塔層桿塔層)，分析輸出精確到逐級(jí)桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。下面分別介紹所述雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件根據(jù)步驟30獲得的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析輸出地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)的方法I、分析輸出桿塔的地形地貌參數(shù) 具體的，如圖2所示，在桿塔橫截面左右各IOOm內(nèi)，每隔25m取一個(gè)相對(duì)桿塔的地表層激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算出地面傾角Θ i(i = 1、2、3、4、5、6、7、8)，所述桿塔左右各50m處獲得的地面傾角Θ用于判斷地貌。如圖3所示，hl、h2均為海拔高度，有如果h2 < hl，則 Θ > O如果h2 > hl，則 Θ < O地貌一般分為四種，分別為山頂、沿坡、山谷和平地，如圖4(a)所示，如果θ3>0、θ6>0，則該桿塔所處地貌為山頂；如圖4(b)所示，如果θ3>0、θ6<0，則該桿塔所處地貌為沿坡；如圖4(c)所示，如果Θ 3 < O、Θ 6 < 0，則該桿塔所處地貌為山谷；如圖4(d)所示，如果Θ 3 = O、Θ 6 = O,則該桿塔所處地貌為平地。最終的地面傾角Θ = ave ( Σ I Θ i I), Θ i (i = 1、2、3、4、5、6、7、8)。即在桿塔左右各IOOm內(nèi)，每隔25m取一個(gè)相對(duì)桿塔的地表層激光點(diǎn)計(jì)算出地面傾角Θ i，其中各50m處的地面傾角用于判斷桿塔處地貌，所有點(diǎn)處地面傾角和的平均值為最終的地面傾角。因此，桿塔的地形地貌參數(shù)的輸出結(jié)果為桿塔處地貌(山頂、沿坡、山谷、平地四者之一)和地面傾角。2、分析輸出線路參數(shù)導(dǎo)線、避雷線沿線路檔距全線每隔1/8檔距取線路層激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)對(duì)地表層激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)高度及地形地貌參數(shù)(地形地貌參數(shù)計(jì)算方法與前面桿塔的地形地貌參數(shù)的計(jì)算方法一致，在此不再贅述)定義線路參數(shù)。線路參數(shù)中的地形地貌參數(shù)為線路每隔1/8檔距線路層采樣激光點(diǎn)處的地貌(山頂、沿坡、山谷、平地四者之一)和地面傾角。3、分析輸出桿塔參數(shù)根據(jù)差異化防雷雷電專業(yè)要求選取桿塔層激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)，計(jì)算桿塔參數(shù)，所述桿塔參數(shù)包括導(dǎo)地線(導(dǎo)線和避雷線)懸掛高度和中距等。具體的，單回桿塔如圖5所示，此時(shí)需要輸出的桿塔參數(shù)為下相導(dǎo)線高度(hi)、中相導(dǎo)線高度(h2)、上相導(dǎo)線高度(h3)(圖5所示桿塔中三相導(dǎo)線高度相同，而實(shí)際線路的塔型可能各相高度不同)、避雷線高度(H)、下相導(dǎo)線中距(dl)、中相導(dǎo)線中距(d2)、上相導(dǎo)線中距(d3)、避雷線中距(dg)(圖5所示桿塔由于有一相導(dǎo)線位于桿塔中心，因此d2 = 0，在圖中沒有將d2表示出來(lái)，實(shí)際線路中的塔型會(huì)出現(xiàn)d2古O的情況)。同塔雙回桿塔如圖6所示，此時(shí)需要輸出的桿塔參數(shù)為下相導(dǎo)線高度(hi)、中相導(dǎo)線高度(h2)、上相導(dǎo)線高度(h3)、避雷線高度(H)、下相導(dǎo)線中距(dl)、中相導(dǎo)線中距(d2)、上相導(dǎo)線中距(d3)、避雷線中距(dg)。三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)是以發(fā)射和接收激光脈沖的方式，通過記錄激光脈沖從發(fā)射、經(jīng)過地面目標(biāo)物反射到接收單元的時(shí)間延遲，可精確測(cè)定從發(fā)射點(diǎn)到地面反射點(diǎn)(激光腳點(diǎn))之間的距離，進(jìn)而獲取高精度地面反射點(diǎn)的三維坐標(biāo)。本發(fā)明采用三維激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)選定研究線路進(jìn)行掃描、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)精細(xì)處理分析的方式，得出試點(diǎn)線路精確分析輸出到逐級(jí)桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。本發(fā)明在鄂西三峽地區(qū)某220KV、110KV和35KV試點(diǎn)輸電線路逐級(jí)桿塔雷擊風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)和評(píng)估時(shí)可以輸出準(zhǔn)確的逐級(jí)桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)，并結(jié)合雷擊物理模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和事故復(fù)現(xiàn)，為輸電線路防雷差異化分析研究和評(píng)估防雷措施的有 效性提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，其特征在于所述方法包括 步驟10 :通過飛行器攜帶三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)輸電線路走廊沿桿塔進(jìn)行掃描，獲取包括實(shí)施差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)； 步驟20 :對(duì)步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)和GPSUMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合精細(xì)預(yù)處理，生成大地定向后的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 步驟30 :對(duì)生成的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分類，生成包括地表層、植被層、線路層和桿塔層的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 步驟40 :運(yùn)用雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件，輸入步驟30獲得的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析輸出精確到逐級(jí)桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，其特征在于所述步驟40中所述雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件分析輸出所述桿塔周圍的地形地貌參數(shù)的步驟具體為 在桿塔橫截面左右各IOOm內(nèi)，每隔25m取一個(gè)相對(duì)桿塔的地表層激光點(diǎn)計(jì)算出地面傾角Θ i(i = 1、2、3、4、5、6、7、8)，所述桿塔左右各50m處獲得的地面傾角Θ用于判斷桿塔處地貌，所有點(diǎn)處地面傾角和的平均值為最終的地面傾角，桿塔的地形地貌參數(shù)的輸出結(jié)果為桿塔處地貌和地面傾角； 所述步驟40中所述雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件分析輸出所述線路參數(shù)的步驟具體為在導(dǎo)線、避雷線沿線路檔距全線每隔1/8檔距取線路層采樣激光點(diǎn)對(duì)地表層激光點(diǎn)高度及地形地貌參數(shù)定義所述線路參數(shù)； 所述步驟40中所述雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件分析輸出所述桿塔參數(shù)的步驟具體為根據(jù)差異化防雷雷電專業(yè)要求選取桿塔層對(duì)應(yīng)的特征激光點(diǎn)，計(jì)算桿塔參數(shù)，所述桿塔參數(shù)包括導(dǎo)線和避雷線的懸掛高度和中距。
3.如權(quán)利要求I所述的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，其特征在于所述三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)包括激光掃描儀、GPS定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量裝置，所述激光掃描儀用于測(cè)定激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)到地面激光腳點(diǎn)的距離，獲得所述包括差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)；所述GPS定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量裝置用于測(cè)量激光掃描儀在運(yùn)動(dòng)過程中的經(jīng)緯度空間位置信息和俯角、仰角和橫滾角三個(gè)瞬時(shí)姿態(tài)角，獲取包括差異化防雷指定輸電線路桿塔段的GPS\IMU數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求I所述的基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，其特征在于所述步驟20具體包括對(duì)步驟10獲得的所述GPSUMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，獲得激光掃描儀每個(gè)掃描時(shí)刻的空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)；然后對(duì)步驟10獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行空間位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的賦值運(yùn)算，生成大地定向后的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種基于三維激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路桿塔參數(shù)確定方法，包括通過飛行器攜帶三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)輸電線路走廊沿線桿塔進(jìn)行掃描，獲取包括實(shí)施差異化防雷指定輸電線路桿塔段的原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)；對(duì)獲得的所述原始激光數(shù)據(jù)和GPS\IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合精細(xì)預(yù)處理，生成大地定向后的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)生成的原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分類，生成包括地表層、植被層、線路層和桿塔層的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；運(yùn)用雷電專業(yè)線塔參數(shù)分析軟件，輸入獲得的LAS格式激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析輸出精確到逐級(jí)桿塔的地形地貌參數(shù)、線路參數(shù)、桿塔參數(shù)。本發(fā)明可以為輸電線路防雷差異化分析研究和評(píng)估防雷措施的有效性提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
文檔編號(hào)G01S17/88GK102955160SQ201110238840
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者阮羚, 姚堯, 周平 申請(qǐng)人:湖北省電力公司電力科學(xué)研究院, 武漢科西爾信息技術(shù)有限公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司