一种基于线路矢量化的电力线拟合与弧垂实时测量方法与流程

本发明涉及线路巡检，尤其涉及一种基于线路矢量化的电力线拟合与弧垂实时测量方法。

背景技术：

1、电力线弧垂是衡量输电线路运行安全状态的关键指标之一。弧垂过大会导致导线与地物之间的净空距离不足，引发放电、短路甚至断线事故；弧垂过小则可能使导线承受过大的张力，加速导线疲劳老化，缩短线路使用寿命。因此，对电力线弧垂进行精确、实时的测量对于保障输电线路的安全稳定运行具有重要意义。

2、传统的电力线弧垂测量方法主要包括人工经纬仪测量法、拉力传感器法和基于经验公式的估算方法。人工经纬仪测量法需要测量人员在现场架设仪器、逐档观测，劳动强度大、效率低，且在地形复杂区域难以开展作业；拉力传感器法需要在导线上安装传感器，安装和维护成本高，且传感器长期暴露在户外环境中易受温度、湿度等环境因素影响导致测量精度下降；基于经验公式的估算方法依赖于导线材质、温度、风速等参数的准确输入，但这些参数在实际运行中难以实时精确获取，导致估算结果与真实弧垂值存在较大偏差。

3、近年来，随着无人机巡检技术的快速发展，基于无人机搭载激光雷达（lidar）获取的输电通道点云数据进行电力线三维重建与弧垂分析的方法逐渐成为研究热点。中国专利cn114882207a公开了一种基于点云数据的输电线路弧垂测量方法，该方法通过对输电通道点云进行语义分割提取电力线点，然后采用悬链线方程对电力线点进行拟合，进而计算弧垂值。该方法在一定程度上提高了测量的自动化程度，但仍存在以下不足：第一，悬链线方程为理想物理模型，当导线因覆冰、风偏或局部损伤等因素出现非理想悬垂形态时，悬链线拟合偏差较大；第二，该方法在拟合过程中未考虑局部点云密度不均匀对拟合精度的影响，当无人机飞行姿态变化导致某段点云稀疏时，该段的拟合曲线可能偏离导线的真实空间位置，从而影响弧垂计算的准确性；第三，该方法未提供针对导线局部异常形态（如扭结、断股等缺陷区域）的识别与处理机制，直接采用全局拟合可能导致弧垂测量结果与实际情况存在系统性偏差。

4、综上所述，现有技术在电力线弧垂测量方面主要存在以下技术问题亟待解决：一是缺乏在导线矢量化过程中有效处理点云噪声与局部密度差异的手段；二是弧垂计算中对局部曲线形态的评估精度不足，特别是在点云稀疏段和导线异常形态段的拟合准确性较低；三是缺乏对拟合结果连续性的保障机制，分段拟合后的拼接边界可能出现不连续折点，影响导线切向和弧垂值的准确计算。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、本发明提供了一种基于线路矢量化的电力线拟合与弧垂实时测量方法，包括以下步骤：

3、s10、获取无人机沿电力线路飞行过程中采集的输电通道点云数据，对所述点云数据进行预处理，提取电力线候选点云，并对电力线候选点云进行第一分割处理，得到各相导线的独立点云集合；

4、s20、对各相导线的独立点云集合分别进行矢量化处理，将离散的三维点云转换为连续的导线矢量路径，并基于所述导线矢量路径提取导线中心线的空间曲线参数方程；

5、s30、基于所述空间曲线参数方程，在导线中心线上沿线路方向进行等距采样，生成均匀分布的采样点序列，针对每个采样点建立该采样点所在电力线弧垂线路段区间的第一局部坐标系，并在所述第一局部坐标系下计算各采样点处的第一弧垂值；

6、s40、根据各采样点处的第一弧垂值，结合导线两端第一挂点坐标与第一线路档距信息，构建全档距范围内的弧垂分布曲线，并输出弧垂实时测量结果。

7、优选的，作为一种可实施方案；所述s20中对各相导线的独立点云集合分别进行矢量化处理，进一步包括以下子步骤：

8、s21、对所述独立点云集合中的每个点，计算该点在其第一邻域半径内的第一局部点云密度，将局部点云密度低于第一阈值的点标记为离群噪声点并予以剔除；

9、s22、对去噪后的点云，采用第一主成分分析法计算点云的第一主方向向量，沿所述第一主方向向量将三维点云投影至第一二维平面，在所述第一二维平面上采用分段多项式拟合算法生成第一导线投影曲线；

10、s23、将所述第一导线投影曲线逆映射回三维空间，结合投影前后的几何变换矩阵，得到导线中心线的第一三维空间曲线参数方程。

11、优选的，作为一种可实施方案；所述s30中生成采样点序列并计算弧垂值，进一步包括以下子步骤：

12、s31、从导线中心线的空间曲线参数方程中提取第一弧长参数化表达，沿弧长方向按第一预设间距生成等弧长采样点序列 {p1, p2, ..., pn}；

13、s32、对于所述采样点序列中的每个采样点 pi，以导线两端挂点连线为第一参考基准线，建立以 pi 为原点、以挂点连线方向为第一坐标轴方向、以竖直向下方向为第二坐标轴方向的第二局部坐标系；

14、s33、在所述第二局部坐标系下，计算采样点 pi 到所述第一参考基准线的第一竖直距离，将该第一竖直距离作为该采样点处的第二弧垂值。

15、优选的，作为一种可实施方案；所述s32中，对于每个采样点 pi，采用最小二乘曲线逼近算法对采样点和电力线弧垂线路段区间内的导线空间曲线进行局部拟合评估，具体包括：

16、s32a、以采样点 pi 为中心，沿导线中心线向前后各延伸第一预设弧长距离 d，划定第一弧垂评估局部区间作为当前采样点的弧垂评估局部区间；

17、s32b、提取所述第一弧垂评估局部区间内的所有连续导线点，构成第一局部点集qi；

18、s32c、对所述第一局部点集 qi 采用最小二乘曲线逼近算法进行局部曲线拟合，得到该电力线弧垂线路段区间内的第一导线局部拟合曲线 li；

19、s32d、计算采样点 pi 在所述第一导线局部拟合曲线 li 上的第一切线方向，将该第一切线方向与所述第一参考基准线之间的夹角作为该采样点处的第一弧垂倾角，并结合第一弧垂倾角对弧垂值进行修正补偿，得到第一修正后弧垂值；

20、其中，所述弧垂值修正补偿的表达式为：，式中 为未经修正的弧垂值，θ为所述第一弧垂倾角。

21、优选的，作为一种可实施方案；所述s40中构建弧垂分布曲线并输出弧垂实时测量结果，进一步包括以下子步骤：

22、s41、获取导线两端挂点在第一统一地理坐标系下的第一三维坐标和第一线路档距，将各采样点的修正后弧垂值沿挂点连线方向进行第一插值处理，生成第一连续弧垂分布曲线；

23、s42、从所述第一连续弧垂分布曲线中提取第一最大弧垂值及对应的第一采样点位置，将所述第一最大弧垂值与电力线路设计规范中的第一允许弧垂阈值进行比较，生成第一弧垂安全评估结果；

24、s43、将所述第一连续弧垂分布曲线、第一最大弧垂值、第一弧垂安全评估结果以及各采样点的弧垂值数据打包输出为第一弧垂实时测量报告。

25、优选的，作为一种可实施方案；还包括在采用改进的分段自适应拟合方案替代s32c步骤中单纯的最小二乘曲线逼近步骤，包括以下子步骤：

26、s32c1、获取所述第一局部点集 qi 中所有点沿导线中心线方向的第一弧长参数坐标，按弧长方向将第一局部点集 qi 等距划分为 k 个第一子区间段，其中 k 的值根据电力线弧垂线路段区间的总弧长与预设的第一最小子区间弧长阈值动态确定；

27、s32c2、在每个第一子区间段内，计算该子区间段内点云的第一局部曲率变化率，若所述第一局部曲率变化率超过预设的第一曲率突变阈值，则将该子区间段标记为第一异常形态段，否则标记为第一正常形态段；

28、s32c3、对各第一正常形态段，采用最小二乘曲线逼近算法进行拟合，生成各正常形态段的第一连续拟合曲线；对各第一异常形态段，采用分段线性插值法逐点连接该段内的点云数据，保留该段的真实几何形态特征而不进行平滑拟合；

29、s32c4、将各子区间段的拟合结果在段间边界处进行第一连续性拼接处理，得到所述电力线弧垂线路段区间内完整的第一分段自适应导线拟合曲线 li'，并以 li' 替代原li 执行所述s32d步骤中的切线方向计算与弧垂值修正。

30、优选的，作为一种可实施方案；所述s32c4步骤在段间边界处进一步执行边界平滑过渡处理，包括：

31、s32c4a、对于每一对相邻子区间段，在段间边界点的前后各取第一预设宽度的过渡区域，在所述过渡区域内采用样条插值法生成从第一段拟合曲线端点平滑过渡至第二段拟合曲线端点的第一连接曲线段；

32、s32c4b、将所述第一连接曲线段替换原有的直接拼接段，使相邻子区间段之间满足一阶几何连续性，消除段间边界处的角度折点；

33、s32c4c、以经过边界平滑过渡处理后的完整拟合曲线作为最终的第二分段自适应导线拟合曲线执行后续弧垂值修正。

34、优选的，作为一种可实施方案；所述s41中生成连续弧垂分布曲线的步骤进一步包括：

35、沿所述挂点连线方向，将线路档距等分为 m 个第一弧垂计算节点，对每个第一弧垂计算节点，取该节点在导线中心线上沿弧长方向前后各第二预设范围内的采样点弧垂值进行第一局部加权平均处理，以所述第一局部加权平均的结果作为该弧垂计算节点的第一节点弧垂值，对所述 m 个弧垂计算节点的第一节点弧垂值进行三次样条插值，生成平滑的第二连续弧垂分布曲线。

36、优选的，作为一种可实施方案；所述s42中生成弧垂安全评估结果的步骤进一步包括：

37、将所述第一连续弧垂分布曲线中各点的弧垂值与导线下方最近地物表面的高程值逐点比对，计算导线与地物之间的第一最小净空距离；当所述第一最小净空距离小于规范允许的第一最小安全净空距离时，标记对应区间段为第一安全隐患段，并在弧垂安全评估结果中标注该第一安全隐患段的第一位置区间及对应的第一最小净空距离数值。

38、优选的，作为一种可实施方案；所述s43中输出的弧垂实时测量报告还包括：

39、将所述第一连续弧垂分布曲线与历史同期弧垂测量数据进行差分比较，计算各采样点处的第一弧垂变化量，当任一采样点处的第一弧垂变化量超过预设的第一弧垂异常变化阈值时，在弧垂实时测量报告中标注该采样点为第一弧垂异常点，并输出包含第一异常点位置、第一弧垂变化量以及第一建议巡检优先级的预警信息。

40、另一方面，本发明公开了一种基于线路矢量化的电力线拟合与弧垂实时测量系统，执行如前述的方法，所述系统包括预处理模块、曲线计算模块、分析计算模块和输出模块：

41、预处理模块，用于获取无人机沿电力线路飞行过程中采集的输电通道点云数据，对所述点云数据进行预处理，提取电力线候选点云，并对电力线候选点云进行单根导线分割，得到各相导线的独立点云集合；

42、曲线计算模块，用于对各相导线的独立点云集合分别进行矢量化处理，将离散的三维点云转换为连续的导线矢量路径，并基于所述导线矢量路径提取导线中心线的空间曲线参数方程；

43、分析计算模块，用于基于所述空间曲线参数方程，在导线中心线上沿线路方向进行等距采样，生成均匀分布的采样点序列，针对每个采样点建立该采样点所在电力线弧垂线路段区间的局部坐标系，并在所述局部坐标系下计算各采样点处的弧垂值；

44、输出模块，用于根据各采样点处的弧垂值，结合导线两端挂点坐标与线路档距信息，构建全档距范围内的弧垂分布曲线，并输出弧垂实时测量结果。

45、本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

46、本发明公开了一种基于线路矢量化的电力线拟合与弧垂实时测量方法。该方法包括：获取无人机采集的输电通道点云数据并进行预处理与单根导线分割；对各相导线独立点云集合进行矢量化处理，提取导线中心线的空间曲线参数方程；基于空间曲线参数方程在导线中心线上等距采样生成采样点序列，建立局部坐标系并计算各采样点处的弧垂值；结合导线两端挂点坐标与档距信息构建全档距范围内的弧垂分布曲线并输出弧垂实时测量结果。本发明采用最小二乘曲线逼近算法对采样点和电力线弧垂线路段区间进行局部拟合评估，并通过分段自适应拟合与边界平滑过渡处理解决局部点云不均匀和曲线拼接不连续等技术缺陷，有效提高了电力线弧垂测量的精度和可靠性，可用于输电线路的安全状态评估与智能巡检。

47、本发明公开了一种基于线路矢量化的电力线拟合与弧垂实时测量方法，针对起降节点因频繁切换不同机型导致的安全保护间隔累积过大、时隙利用率低下以及排队时长激增的问题，本发明通过获取历史飞行数据对机型按尺寸规格和尾流等级进行归类，将等长固定时隙按各机型实际占用时长切分为初始细分时隙序列，并依据相邻机型切换记录评估每次切换所需的保护间隔，当累积保护间隔超过预设上限触发临界点时，对初始序列进行重组聚合，将同类机型的连续起降片段集中排布以省去冗余保护间隔，通过压缩相邻同类机型时隙之间的空档时长生成动态调整后的目标调度方案，从而消除频繁机型切换引发的资源错配，有效提升起降节点空域资源利用率并平抑排队等待时长。