一种基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法与流程

本发明属于监视领域，尤其涉及一种用于电力输电杆塔护坡状态的监测方法。

背景技术：

随着通信技术、计算机网络技术以及数字视频技术的飞速发展，视频监视在电力系统日常运行中得到了广泛的应用。

根据现场运行效果看，远程无线视频监视系统的应用有力的提高了输电线路维护的技术水平，但存在不能量化、后续信息处理有限等不足。

对于输电线路走廊，由于地质条件、风化、水冲刷、以及道路、水利施工等因素，出现的塌陷、滑坡、位移等现象量测和描述效果、线路走廊危险物检测等效果有限，视频监视系统虽发挥了一定的功能，但存在监测结果不能量化等不足；定期的人工巡检工作量非常大，受配置工具所限获取信息量有限，不能提供给运行维护部门直观、精确的线路走廊状态数据。

这些现象的存在严重威胁着输电线路的安全运行。因此，有必要获取准确的线路走廊场景状态数据，实现线路走廊缺陷有效管理。

作为输电线路中重要设备的输电杆塔，其安全状态的检测非常重要，并有非常明确的规定。

《配电网运行规程》(Q/GDW 519—2010)中第5.3.2节杆塔和基础的巡视：

a)杆塔是否倾斜、位移，杆塔偏离线路中心不应大于0.1m，砼杆倾斜不应大于15/1000，转角杆不应向内角倾斜，终端杆不应向导线侧倾斜，向拉线侧倾斜应小于0.2m；

第5.3.3节横担、金具、绝缘子的巡视检查：

b)横担上下倾斜、左右偏斜不应大于横担长度的2％。

在《配电网运行规程》(Q/GDW 519—2010)的评分标准E6表中规定：水泥杆倾斜度(包括挠度)＜1.5％，双杆迈步不应大于30mm。铁塔倾斜度＜0.5％(适用于50m及以上高度铁塔)或＜1.0％(适用于50m以下高度铁塔)。

线路的护坡发生大面积塌方和杆塔基础附近发生变化时，都会影响杆塔的安全运行，对此类缺陷都有着明确的规定5.3.2杆塔和基础的巡视：c)基础有无损坏、下沉、上拔，周围土壤有无挖掘或沉陷，杆塔埋深是否符合要求；d)杆塔有无被水淹、水冲的可能，防洪设施有无损坏、坍塌。若杆塔基础附近发生不良变化应计算不良变化处至杆塔基础的距离，依次来定性缺陷的严重程度；当发生大面积塌方时，需要计算塌方的土方量，从而为修复工作提供依据。

目前，主流的检测仪器中，经纬仪和全站仪都能实现杆塔倾斜度的测量，但需要在横线路和顺线路方向架设仪器，如果现场地形不容许在横线路或者顺线路方向架设仪器，难以实现杆塔的倾斜度测量，其在测量时需要通过目镜选点，人为误差也会造成测量精度的降低；对于横担倾斜度和绝缘子倾斜度，经纬仪和全站仪还难以测量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，其在输电线路场景的监控中，利用雷达成像技术，为线路走廊、电力黄线控制、施工危险点控制等防灾减灾提供一种了新的技术手段；其可以实现三维非接触距离测量，其测量结果与常规全站仪测试结果可比拟，较差小，具有较高的测量精度，测量结果可信，可满足工程测量需求。

本发明的技术方案是：提供一种基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，包括通过在地面架设激光三维扫描设备，然后利用激光雷达采集技术，获取高精度、高密度离散点形式的点云数据，从而得到目标场景表面的三维空间信息，其特征是：

1)被测对象扫描前的准备工作：

在保证通视的前提下，根据被测对象的空间分布、形态、扫描精度、分辨率、四周环境和地形、地势确定的扫描站点位置、以及拼接模式等确定扫描站点，然后建立独立坐标系并编制扫描实施方案。假定一个坐标系，按照导线测量方式测量求出A、B、C三点在该坐标系中的坐标；准备测量仪器并架设设备，根据扫描方案确定扫描站点并且布设标靶点；

2)参数设置与扫描操作：

在扫描前对系统参数进行设置；系统参数至少包括取景选项、单位、视频模式、系统语言；然后建立测站并对测站参数进行设置；完成建站工作后根据扫描场景设定选择扫描区域，开始扫描测量、采集点数据和影像数据；具体的扫描参数通过基本设置与高级设置来设定与编辑；然后对被测对象进行扫描操作；扫描完成后，需要检查扫描是否完成以及扫描参数设置是否正确，判断无误后保存扫描数据；将上个扫描站点的扫描数据读入后，重复上述操作步骤，便可进行新的扫描测站的扫描工作；

3)扫描数据处理：”

将得到的测量数据进行归类，按照预定的拼接方式检查拼接条件，整理参与拼接和数据处理的测量控制点数据资料；利用专业处理软件，对扫描数据进行去噪与检测；首先选取目标物的原始点云数据导入专业处理软件中，再利用专业处理软件中的点云编辑功能将噪音点消除，得到平整、干净的点云图，在消噪后的点云图上实现距离、角度、面积、体积、建模的操作；

扫描过程中，在扫描和设置标靶点时，需要扫描后视点以利于定向，因此各个扫描测站点之间必须能够通视；为了能够扫描到标靶，扫描站点与标靶站点也要保证通视；在布设扫描测量站点和标靶点时，要根据地形地势充分考虑到各种情况，以保证站点之间的通视；

所述的基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，可以实现三维非接触距离测量，其测量结果与常规全站仪测试结果可比拟，较差小，具有较高的测量精度，测量结果可信，可满足工程测量需求。

具体的，所述的取景选项包括球的直径、快速扫描标靶的模式和自动拍照，所述的单位包括角度单位和长度单位，所述的视频模式包括场景为实时或者拍照模式。

具体的，所述的专业处理软件为polyworks软件，所述的polyworks软件至少包含对齐模块、检测模块、编辑模块和逆向工程模块；polyworks软件的检测模块可以测量距离、角度、面积、体积等；polyworks软件中的编辑模块可以实现复杂点云图的三维建模功能。

具体的，所述的基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，在对杆塔基础进行安全评估时，首先在消噪后的点云图中选取杆塔基础上一点，再在发生不良变化处点选一点；利用专业处理软件检测模块中的基本测量功能，测量两点的高差，即为杆塔基础离危险点的竖直方向的距离；用同样的方法测量出两点之间的水平距离，即为杆塔基础至危险点的水平距离。

具体的，所述的基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，在对杆塔基础进行安全评估时，首先在消噪后的点云图中选取杆塔基础点，根据地貌实际情况确定危险点，利用专业处理软件检测模块中的基本测量功能，测量基础点与危险点之间的竖直距离，测量基础点与危险点之间的水平距离，进而得到基础点与危险点之间的向量角度测量结果。

进一步的，所述的激光三维扫描设备构成激光雷达监控系统的信息采集模块，其主要任务包括激光雷达的硬件初始化、云台的初始化，并且需要根据实际设备情况设置采集参数和控制参数，激光雷达的初始化，打开激光雷达，并进入采集模式，显示监控画面并启动云。

具体的，所述的采集参数和控制参数，包括激光雷达和云台所占串口号、激光雷达和云台各自的传输波特率、云台转速和起始角度数参数。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.采用激光三维扫描设备获得点云图，可实现三维非接触距离测量，其测量结果与常规全站仪测试结果可比拟，较差小，具有较高的测量精度，测量结果可信，可满足工程测量需求；

2.利用雷达成像技术，为线路走廊、电力黄线控制、施工危险点控制等防灾减灾提供一种了新的技术手段；

3.地面激光雷达系统具有探测距离远、全天候、全天时的特点，白天黑夜均能探测目标，且不受雾、雨的阻挡，。

附图说明

图1是地面激光雷达系统结构示意图；

图2是本发明激光监控系统框架示意图；

图3是本发明对杆塔基础进行安全评估的流程示意图；

图4是本发明对杆塔基础进行安全评估的原理示意图；

图5a是本发明杆塔基础点和危险点的选取示意图；

图5b是本发明竖直距离和水平距离的测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1中，地面激光雷达系统由二维激光扫描仪、扫描仪旋转平台、软件控制平台，数据处理平台及电源和其它附件设备构成。

在地面激光雷达成像技术主要有脉冲式和相位式。其中脉冲式是靠扫描控制模块控制扫描头中的两个同步反射镜快速有序的旋转，将激光脉冲发射器所发出的激光脉冲依次对目标扫描，距离测量模块可计算出每个激光脉冲从发射器端口到目标物体上再返回至发射器端口的时间T，计算出目标物体上每个点的反射强度I，以及激光发射器至目标物体的距离S；相位式是靠激光器对被测目标发射一个正弦调制的光信号,接收目标反射回的光信号,测量发射光信号和接收光信号之间的相位差△φ,获得往返信号的时间差，计算出到目标的距离S，即S＝C*△φ/πf0(f0为激光调制频率，C为光速)。激光扫描系统可测量出目标物体上每个点在三维坐标系中的水平方向值α与天顶距值θ。上述数据S、α、θ用来确定目标物体上每个点的三维坐标值，I用来给激光雷达系统获得的点云适配颜色。

随着经济的快速发展，输电线路的运行环境日益恶化，输电线路走廊内的树木、房屋、道路、城镇建设、采石挖矿、施工对线路的破坏大量增加，对线路和安全运行构成了很大的威胁。激光雷达成像在线监测系统主要针对危险点、施工现场、电力黄线的实时的监测和智能诊断功能。

激光监控系统的设计的要从监控场景出发，使得出现任何异常情况下，都能被系统监测发现并及时地做出分析处理，并将相关信息传递出去。因此其功能的分析应该从监控方式、场景分析和信息传输方向入手，进行有针对性的设计。

图2中，对激光监控系统中的各个模块分别进行简单的叙述说明。

(1)信息采集模块(地面激光雷达系统或激光雷达)

信息采集模块主要受监控环境的影响，如泥石流预警、降雨灾害预警、路基塌方等等，可采用物理传感器、摄像头、红外拍摄、激光雷达等技术采集数据。在这里我们采用激光雷达作为采集设备，因此这个模块的主要任务包括激光雷达的硬件初始化、云台的初始化，并且需要根据实际设备情况设置采集参数和控制参数，比如激光雷达和云台所占串口号、各传输波特率、云台转速和起始角度数等；激光雷达的初始化，打开激光雷达，并进入采集模式，显示监控画面并启动云。

(2)信息处理模块(工控机)

该模块对采集到的点云数据进行处理，包括数据的预处理，去噪和加工和处理步骤，剔除冗余信息，将之转化为更适合做分析预警的信息。然后对点云进行配准，通常采用ICP配准方法及其变形，将点云数据坐标统一到一个坐标系下，为下一步的预警分析做准备。

(3)分析预警模块(根据)

主要对可能危险路段、事故高发路段等灾害事件的信息数据进行分析，并按照设定的规则自动判断事件，发送相应的事件报警。

(4)信息传输模块(有线或无线数据传输网络)

对于该模块来说，主要任务是将系统获取的灾害信息进行发布。上述功能模块涉及了多个研究领域，包括ICP配准，三维重建，点云数据处理，模式识别，计算几何、网络通信技术，COM串口编程技术，数据存储技术等等。

本技术方案将设计重点放在点云数据处理和基于散乱点云的快速体积计算的研究和实现上，同时为了使系统能够基本运行并具备一定的实用价值，还需要对网络通信机制和信息存储模块进行简单设计和实现。

本技术方案主要的处理程序都集中在信息预警模块(即工控机)上，工控机使用二个串口中分别和激光雷达与云台相通信，再通过另一个串口将信息传输到数据传输模块GPRS DTU(General Packet Radio Service Data Transfer unit，数据传输模块)上。

工控机通过COM3口与云台通信，控制云台的旋转角度、旋转速度、起始位置等运行信息；通过COM1口控制激光雷达的开启、采集与关闭；通过COM2串口负责控制GPRS DTU模块发预警信息；通过COM3设置好云台后，云台以指定的旋转角度和速度，运行激光雷达。

激光雷达开始工作，系统从COM1口中定时读入点云数据。经过点云预处理、ICP(Internet Content Provider，网络内容服务商)或坐标转换等先期处理后，预警模块将同步获取这些数据，通过点云差分跟踪运动物体，并使用三维凸包逼近运动区域点模型，计算模型体积和移动位移，根据相关规范文件确定塌方等级，然后通过COM2口通知数据传输模GPRS DTU将预警信息发送到指定处。

线路的护坡发生大面积塌方和杆塔基础附近发生变化时，都会影响杆塔的安全运行，对此类缺陷都有着明确的规定5.3.2杆塔和基础的巡视：c)基础有无损坏、下沉、上拔，周围土壤有无挖掘或沉陷，杆塔埋深是否符合要求；d)杆塔有无被水淹、水冲的可能，防洪设施有无损坏、坍塌。若杆塔基础附近发生不良变化应计算不良变化处至杆塔基础的距离，依次来定性缺陷的严重程度；当发生大面积塌方时，需要计算塌方的土方量，从而为修复工作提供依据。

本技术方案中的激光三维扫描设备构成激光雷达监控系统的信息采集模块，其主要任务包括激光雷达的硬件初始化、云台的初始化，并且需要根据实际设备情况设置采集参数和控制参数，激光雷达的初始化，打开激光雷达，并进入采集模式，显示监控画面并启动云。

上述的采集参数和控制参数，包括激光雷达和云台所占串口号、激光雷达和云台各自的传输波特率、云台转速和起始角度数参数。

对杆塔基础进行安全评估，其流程和原理如图3、图4及图5a、图5b中所示。

本发明的技术方案，提供了一种基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，包括通过在地面架设激光三维扫描设备，然后利用激光雷达采集技术，获取高精度、高密度离散点形式的点云数据，从而得到目标场景表面的三维空间信息，其发明点在于：

1)被测对象扫描前的准备工作：

在保证通视的前提下，根据被测对象的空间分布、形态、扫描精度、分辨率、四周环境和地形、地势确定的扫描站点位置、以及拼接模式等确定扫描站点，然后建立独立坐标系并编制扫描实施方案。假定一个坐标系，按照导线测量方式测量求出A、B、C三点在该坐标系中的坐标；准备测量仪器并架设设备，根据扫描方案确定扫描站点并且布设标靶点；

2)参数设置与扫描操作：

在扫描前对系统参数进行设置；系统参数至少包括取景选项、单位、视频模式、系统语言；然后建立测站并对测站参数进行设置；完成建站工作后根据扫描场景设定选择扫描区域，开始扫描测量、采集点数据和影像数据；具体的扫描参数通过基本设置与高级设置来设定与编辑；然后对被测对象进行扫描操作；扫描完成后，需要检查扫描是否完成以及扫描参数设置是否正确，判断无误后保存扫描数据；将上个扫描站点的扫描数据读入后，重复上述操作步骤，便可进行新的扫描测站的扫描工作；

3)扫描数据处理：”

将得到的测量数据进行归类，按照预定的拼接方式检查拼接条件，整理参与拼接和数据处理的测量控制点数据资料；利用专业处理软件，对扫描数据进行去噪与检测；首先选取目标物的原始点云数据导入专业处理软件中，再利用专业处理软件中的点云编辑功能将噪音点消除，得到平整、干净的点云图，在消噪后的点云图上实现距离、角度、面积、体积、建模的操作；

扫描过程中，在扫描和设置标靶点时，需要扫描后视点以利于定向，因此各个扫描测站点之间必须能够通视；为了能够扫描到标靶，扫描站点与标靶站点也要保证通视；在布设扫描测量站点和标靶点时，要根据地形地势充分考虑到各种情况，以保证站点之间的通视；

所述的基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，可以实现三维非接触距离测量，其测量结果与常规全站仪测试结果可比拟，较差小，具有较高的测量精度，测量结果可信，可满足工程测量需求。

具体的，所述的取景选项包括球的直径、快速扫描标靶的模式和自动拍照，所述的单位包括角度单位和长度单位，所述的视频模式包括场景为实时或者拍照模式。

进一步的，所述的专业处理软件为polyworks软件，所述的polyworks软件至少包含对齐模块、检测模块、编辑模块和逆向工程模块；polyworks软件的检测模块可以测量距离、角度、面积、体积等；polyworks软件中的编辑模块可以实现复杂点云图的三维建模功能。

具体如图3、图4及图5(a)及图5(b)中所示，本技术方案所述的基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，在对杆塔基础进行安全评估时，首先在消噪后的点云图中选取杆塔基础上一点(图中以point1表示)，再在发生不良变化处点选一点(图中以point2表示)；利用专业处理软件检测模块中的基本测量功能，测量两点的高差，即为杆塔基础离危险点的竖直方向的距离；用同样的方法测量出两点之间的水平距离，即为杆塔基础至危险点的水平距离。

或者说，本技术方案所述的基于实景点云数据的杆塔护坡破损评估方法，在对杆塔基础进行安全评估时，首先在消噪后的点云图中选取杆塔基础点，根据地貌实际情况确定危险点，利用专业处理软件检测模块中的基本测量功能，测量基础点与危险点之间的竖直距离，测量基础点与危险点之间的水平距离，进而得到基础点与危险点之间的向量角度测量结果。

与传统的测量技术相比，激光雷达成像技术在电力系统中可以准确实现很多重要的参数测量，例如：导线空间最小净空距离、绝缘子倾斜度、杆塔倾斜度等。特别在导线的空间最小净空距离测量中，测量的精度可达毫米级，具有较高的测量精度。绝缘子的倾斜度用目前常用的测量技术难以实现，但激光雷达成像技术可以直观、形象的测量出绝缘子的倾斜度；激光雷达成像系统在测量杆塔倾斜度时，可以准确地选取每个点，从而增加了测量的精确度。

本发明可广泛用于架空输电线路、杆塔的运行维护和监控领域。