發(fā)布時(shí)間：2017-06-18 17:20

  本文關(guān)鍵詞：機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云電力線三維重建方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,為地理空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段。在測(cè)繪領(lǐng)域,機(jī)載LiDAR技術(shù)被認(rèn)為是繼全球定位系統(tǒng)以來(lái)的又一場(chǎng)技術(shù)革命。其新奇性,既表現(xiàn)在其數(shù)據(jù)的獲取方式、數(shù)據(jù)的組織方式的新穎,又表現(xiàn)其數(shù)據(jù)處理和信息提取需要新的理論和方法。目前,機(jī)載LiDAR技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,其中,電力巡線是其主要的工程應(yīng)用領(lǐng)域之一。盡管基于機(jī)載LiDAR的電力巡線日臻成熟,但是其中的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理和信息提取方法亟待完善。本文回顧了電力巡線相關(guān)的歷史背景、機(jī)載LiDAR電力巡線的意義,評(píng)述了機(jī)載LiDAR點(diǎn)云電力線三維重建相關(guān)研究的進(jìn)展,介紹了機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)和電力巡線的基本知識(shí),重點(diǎn)圍繞機(jī)載LiDAR點(diǎn)云電力線三維重建涉及的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、單檔電力導(dǎo)線機(jī)載LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)、電力導(dǎo)線三維重建模型表達(dá)、電力線三維重建的整體技術(shù)流程等4個(gè)方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新之處如下：(1)改進(jìn)了三角網(wǎng)漸進(jìn)加密濾波方法。經(jīng)典的三角網(wǎng)加密濾波方法是一種性能良好的濾波方法,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,但其缺點(diǎn)是不能較好的保留地形結(jié)構(gòu)線附近的地面點(diǎn),這會(huì)降低架空輸電線走廊區(qū)域機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波精度。本文基于地表連續(xù)、光滑這個(gè)假設(shè),對(duì)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行基于光滑表面生長(zhǎng)的點(diǎn)云分割,以點(diǎn)云分割獲取的對(duì)象作為濾波的基元參與三角網(wǎng)加密濾波過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明,改進(jìn)的基于對(duì)象的三角網(wǎng)漸進(jìn)加密濾波方法既繼承了經(jīng)典方法的優(yōu)點(diǎn),又能極大的克服其不足之處,能很好的保留地形結(jié)構(gòu)線附近的地面點(diǎn),顯著的提高了濾波的精度和質(zhì)量。(2)發(fā)展了一種采用特征空間k-means聚類(lèi)的單檔電力線LiDAR點(diǎn)云分割方法。首先,利用電力線LiDAR點(diǎn)云的水平坐標(biāo)信息進(jìn)行直線擬合、并對(duì)LiDAR沿直線方向進(jìn)行分段；然后,將每一段LiDAR點(diǎn)云投影到相應(yīng)的電力線的切平面(該平面垂直于擬合直線)；最后,使用k-means聚類(lèi)方法進(jìn)行投影點(diǎn)的聚類(lèi),且相鄰的段和段之間通過(guò)投影中心點(diǎn)進(jìn)行類(lèi)別的傳遞和規(guī)則化。實(shí)驗(yàn)表明,該聚類(lèi)方法在電力線數(shù)目已知、且保持不變的情況下可完全正確的進(jìn)行單檔電力線LiDAR點(diǎn)云分割,且對(duì)電力線根數(shù)、電力線類(lèi)型、電力線空間配置結(jié)構(gòu)、檔距長(zhǎng)度、點(diǎn)云不規(guī)則斷裂等因素不敏感。(3)發(fā)展了一種基于分層隨機(jī)抽樣和電力線三維重建數(shù)學(xué)模型約束的單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)方法。其中,利用了直線段和懸鏈線段相結(jié)合的電力線三維數(shù)學(xué)模型描述了現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景中的電力線形態(tài)、并以此約束點(diǎn)云分層隨機(jī)抽樣的結(jié)果。聚類(lèi)過(guò)程中,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和分段組織：接著進(jìn)行標(biāo)號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明,本文的聚類(lèi)方法具有對(duì)電力線根數(shù)、電力線類(lèi)型、電力線空間構(gòu)型、長(zhǎng)度、兩端電塔高差、點(diǎn)云不規(guī)則斷裂、粗差等因素不敏感的優(yōu)勢(shì)。(4)提出了兩種基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的電力線三維重建模型,包括直線段與懸鏈線段相結(jié)合的模型(簡(jiǎn)稱(chēng)“模型一”)、直線段與拋物線段相結(jié)合的模型(簡(jiǎn)稱(chēng)“模型二”)。其中,直線段位于xy-平面,懸鏈線段和拋物線段位于過(guò)直線段的鉛垂面。兩個(gè)模型的創(chuàng)新之處體現(xiàn)在兩者均使用了電力線LiDAR點(diǎn)水平坐標(biāo)進(jìn)一步投影到xy-平面上相應(yīng)的擬合直線產(chǎn)生的比例因子作為懸鏈線、拋物線方程的參數(shù)。使用六個(gè)有代表性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)六種重建模型(已有的四種和上述提出的兩種)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明,“模型二”具有最高的重建效率和最高的重建精度。另外,實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明鉛垂面及鉛垂面上投影模型的選擇、誤差因素的考慮等三個(gè)因素對(duì)重建模型性能有著顯著的影響。基于上述濾波、單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)、電力線三維重建模型等核心創(chuàng)新方法,建立了一套完整的基于架空輸電線走廊機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的電力線三維重建技術(shù)流程。首先,對(duì)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行面向?qū)ο蟮娜蔷W(wǎng)漸進(jìn)加密濾波和分類(lèi)；然后,基于電塔LiDAR點(diǎn)和初始線路軌跡數(shù)據(jù)提取精確的電塔位置、電塔數(shù)量、線路軌跡、總檔數(shù)等信息；接著,將線路分檔,并確定每一檔的二維空間范圍和相應(yīng)的電力線LiDAR點(diǎn)云；再接著,分別對(duì)每一檔的電力線LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行基于分層隨機(jī)抽樣和電力線三維重建數(shù)學(xué)模型約束的單檔電力線LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi),將每一個(gè)電力導(dǎo)線LiDAR點(diǎn)劃分到相應(yīng)的根；最后,利用直線和拋物線相結(jié)合的模型進(jìn)行單檔單根電力線的三維重建。兩景實(shí)驗(yàn)表明,本文的方法可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、高精度、正確的重建長(zhǎng)距離架空輸電線走廊電力線三維模型,重建過(guò)程中具有對(duì)電力線數(shù)目、空間配置結(jié)構(gòu)、類(lèi)型、粗差點(diǎn)、檔距長(zhǎng)度、點(diǎn)云不規(guī)則斷裂等因素不敏感的優(yōu)勢(shì)。
【關(guān)鍵詞】：激光雷達(dá) 電力巡線 點(diǎn)云濾波 點(diǎn)云聚類(lèi) 電力線三維重建 懸鏈線 拋物線
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN958.98
【目錄】：

• 本論文創(chuàng)新點(diǎn)5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-17
• 1 緒論17-26
• 1.1 研究背景、目的和意義17-18
• 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究綜述18-22
• 1.3 研究現(xiàn)狀問(wèn)題分析22-23
• 1.4 本文的研究?jī)?nèi)容與組織結(jié)構(gòu)23-26
• 1.4.1 本文各章節(jié)的邏輯關(guān)系23-25
• 1.4.2 本文各章節(jié)的內(nèi)容安排25-26
• 2 面向?qū)ο蟮臋C(jī)載LiDAR點(diǎn)云三角網(wǎng)漸進(jìn)加密濾波方法26-57
• 2.1 濾波方法綜述26-29
• 2.2 本章提出的濾波方法的技術(shù)流程29-35
• 2.2.1 粗差剔除31
• 2.2.2 基于光滑表面生長(zhǎng)的點(diǎn)云分割方法31-34
• 2.2.3 多回波分析34
• 2.2.4 判別過(guò)程34-35
• 2.3 濾波實(shí)驗(yàn)和算法性能評(píng)價(jià)35-56
• 2.3.1 濾波數(shù)據(jù)35-38
• 2.3.2 濾波算法質(zhì)量的定量分析指標(biāo)38-39
• 2.3.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果39-56
• 2.4 小結(jié)56-57
• 3 單檔電力導(dǎo)線機(jī)載LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)方法57-79
• 3.1 引言57-58
• 3.2 基于分層隨機(jī)抽樣的單檔電力導(dǎo)線機(jī)載LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)58-64
• 3.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和分段組織58-62
• 3.2.2 標(biāo)號(hào)62-64
• 3.3 基于特征空間k-means聚類(lèi)的單檔電力導(dǎo)線機(jī)載LiDAR點(diǎn)云聚類(lèi)64-69
• 3.3.1 原理64-65
• 3.3.2 步驟65-69
• 3.4 實(shí)驗(yàn)與分析69-78
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)69-70
• 3.4.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)及結(jié)果70-76
• 3.4.3 性能評(píng)價(jià)及分析76-78
• 3.5 小結(jié)78-79
• 4 基于LiDAR點(diǎn)云的單檔單根電力導(dǎo)線三維重建模型79-98
• 4.1 引言79
• 4.2 已有的電力導(dǎo)線三維重建模型79-81
• 4.3 提出的電力導(dǎo)線三維重建模型81-83
• 4.4 關(guān)鍵模型的解算過(guò)程83-84
• 4.5 實(shí)驗(yàn)與分析84-96
• 4.5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果85-92
• 4.5.2 性能評(píng)價(jià)92-95
• 4.5.3 分析95-96
• 4.6 小結(jié)96-98
• 5 機(jī)載LiDAR點(diǎn)云電力線三維重建框架及綜合實(shí)驗(yàn)98-114
• 5.1 電力線三維重建的整體技術(shù)框架98-104
• 5.1.1 電力線路機(jī)載LiDAR點(diǎn)云分類(lèi)99-100
• 5.1.2 精確電塔信息提取及總檔數(shù)確定100-101
• 5.1.3 檔空間范圍和電力導(dǎo)線LiDAR點(diǎn)云確定101-104
• 5.2 綜合實(shí)驗(yàn)與分析104-113
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)104-111
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果111-112
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)分析112-113
• 5.3 小結(jié)113-114
• 6 總結(jié)與展望114-117
• 6.1 全文的總結(jié)114-115
• 6.2 進(jìn)一步的研究工作與展望115-117
• 中外文參考文獻(xiàn)117-124
• 攻博期間發(fā)表的科研成果目錄124-125
• 致謝125

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